再生高性能混凝土抗碳化性能试验研究

再生高性能混凝土抗碳化性能试验研究

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　　摘要：抗碳化性能是衡量再生高性能混凝土耐久性的一项重要指标。本文设计一正交试验，研究水胶比、矿物掺合料、再生粗细骨料取代率以及应力水平对再生混凝土碳化深度的影响规律。试验结果表明：(1)再生混凝土的水胶比以及粗骨料的取代率对混凝土的碳化深度影响很大。(2)再生混凝土的碳化深度和碳化时间的平方根基本成一直线关系。(3)再生混凝土在拉应力状态下其碳化深度会随着应力的增大而增大。

　　关键词：高性能混凝土;水胶比;粉煤灰;矿渣;抗碳化性能

　　一、引言

　　混凝土结构是建筑工程中最常见的结构形式，在结构使用寿命期间内，由于受到环境和荷载的双重作用，引起结构的老化、腐蚀，从而导致结构性能的降低，因此建筑工程结构的耐久性问题已引起工程界和学术界关注。再生混凝土的微观结构由于再生骨料的加入而变得比普通混凝土更为复杂。在再生混凝土中至少存在两种界面：再生粗骨料中天然骨料和附着老砂浆之间的界面、再生粗骨料的老砂浆与新砂浆之间的界面。这种复杂的微观结构给分析再生混凝土的耐久性带来了困难。关于再生混凝土抗碳化性能国内外已有不少学者作了初步探讨[1-2]，但他们研究结果可比性较差，还存在不一致、甚至相互矛盾的结论，并且未考虑应力状态的影响，而在外加应力作用下产生的微观裂纹使得CO2在再生混凝土中扩散的渠道增多加速了CO2的扩散。因此，为研究裂缝的影响，开展拉应力状态下再生混凝土的抗碳化性能研究很有必要[3-5]。

　　二、试验原材料及主要设备

　　2.1试验原材料

　　废弃混凝土样品取自某检测中心提供的废弃混凝土试块(原始强度等级为C40，粗骨料为卵石)，试验前再生骨料采用高温强化。

　　粉煤灰，采用扬州亨威热电厂提供的Ⅰ级粉煤灰，实测细度<8%、烧失量<5%、需水量比<95%，含水率<0.2%，三氧化硫<0.67%，均符合Ⅰ级粉煤灰标准。

　　矿粉，由扬州汊河超细粉厂提供，比表面积为487m2/kg。为碱性矿渣，活性较好。

　　减水剂，为扬州江都润扬化工有限公司生产的氨基磺酸系高效减水剂，黑色液态，减水率为15%～25%，掺入量控制在0.5～1.2%左右。

　　2.2主要设备

　　混凝土碳化试验箱CCB-70A由江苏省苏州市东华试验仪器有限公司生产，CO2浓度：20±3%，湿度控制：70±5%，温度控制20±5℃;采用WE-300液压式万能材料试验机，济南试验机厂生产，最大负荷为300千牛顿。

　　三、试验方案及方法

　　3.1试验方案

　　本试验在快速碳化试验的基础上，系统研究水胶比、矿物掺合料、再生粗细骨料取代率、应力水平对再生混凝土碳化深度的影响规律。碳化试验考虑荷载耦合，采用两个100×100×300的试块用铆钉同时加载，其力学模型见图1。

　　图1 再生混凝土碳化试块受力示意图

　　选取正交表L18(37)进行试验，其因素水平见表1。

　　表1 碳化试验因素水平表

　　A B C D E F G

　　水平 水胶比 再生粗骨料

　　% 再生细骨料

　　% 粉煤灰

　　% 矿渣

　　% 砂率

　　% 应力水平 ft

　　1 0.36 30 10 15 15 35 0.5

　　2 0.33 60 20 25 25 40 0.8

　　3 0.30 90 30 35 35 45 1.2

　　根据正交试验方法，可以排列出18组试验。

　　3.2试验方法

　　碳化试验采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ 82―85)中的快速碳化试验方法，所用棱柱体混凝土试块尺寸为100 mm×100 mm×300mm。

　　在试验前2天从标准养护室取出试块，放入101A-1型电热鼓风干燥箱，在60℃的烘箱中烘48h。经烘干的试件留下一个侧面外，其余表面均用加热的石蜡予以密封。在侧面上顺长度方向用铅笔以10 mm间距画出平行线，以确定碳化深度的测量点。再将试块放入CO2浓度保持在(20±3)%、相对湿度为(70±5)%、温度为(20±5)℃的碳化箱内。

　　碳化到7天、14天、28天、60天时，分别取出试件破型，测定碳化深度。将切除所得的试件部分，刮去断面上残余的粉末，立即喷上1%的酚酞酒精溶液。图2显示再生混凝土试件的碳化情况。

　　图2 再生混凝土碳化试件的碳化深度

　　四、碳化试验结果及分析

　　4.1碳化试验测试数据

　　根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ 82-85)中的快速碳化试验方法测出试件在7d、14d、28d和60d的碳化深度，测试数据见表2。

　　表2 正交试验碳化深度(mm)

　　编号 水胶比 再生粗骨料(%) 再生细骨料(%) 粉煤灰

　　(%) 矿渣

　　(%) 砂率

　　(%) 应力水平(ft) 7d 14d 28d 60d

　　1 0.36 30 10 15 15 35 0.5 2.0 3.0 4.6 8.2

　　2 0.36 60 20 25 25 40 0.8 1.8 2.8 4.8 8.8

　　3 0.36 90 30 35 35 45 1.2 3.0 3.6 6.4 12.1

　　4 0.33 30 10 25 25 45 1.2 1.6 2.1 3.9 6.8

　　5 0.33 60 20 35 35 35 0.5 2.2 3.0 4.6 8.9

　　6 0.33 90 30 15 15 40 0.8 2.3 2.7 5.2 9.6

　　7 0.3 30 20 15 35 40 1.2 不明显 1.8 3.5 4.8

　　8 0.3 60 30 25 15 45 0.5 不明显 1.6 2.9 5.8

　　9 0.3 90 10 35 25 35 0.8 3.0 3.8 6.3 12.2

　　10 0.36 30 30 35 25 40 0.5 1.6 2.2 3.9 6.7

　　11 0.36 60 10 15 35 45 0.8 2.0 2.6 4.8 9.7

　　12 0.36 90 20 25 15 35 1.2 1.9 2.8 5.3 9.8

　　13 0.33 30 20 35 15 45 0.8 1.3 1.7 3.1 5.8

　　14 0.33 60 30 15 25 35 1.2 1.2 2.0 3.7 6.9

　　15 0.33 90 10 25 35 40 0.5 2.2 3.2 5.8 10.6

　　16 0.3 30 30 25 35 35 0.8 不明显 3.0 4.2 7.8

　　17 0.3 60 10 35 15 40 1.2 不明显 3.6 4.3 8.4

　　18 0.3 90 20 15 25 45 0.5 2.7 2.9 5.6 10.2

　　4.2试验结果分析

　　(1)再生粗骨料取代率对再生混凝土抗碳化性能的影响

　　再生粗骨料取代率对再生混凝土14d、28d、60d抗碳化性能的影响见图3。从图3可见，再生混凝土试块的碳化深度随再生粗骨料取代率的增大而增大，这可能因为再生粗骨料的孔隙率大于天然骨料，使得再生混凝土的孔隙率与同水胶比的天然混凝土相比有较大增加，这无疑会使再生混凝土抗碳化能力降低。在不同的龄期不同的再生粗骨料的取代率使得试件的碳化深度也有所不同，14d时碳化程度不明显，但随着粗骨料取代率的增加而增加，在28d和60d时，当再生粗骨料的取代率在60%左右时，碳化程度有所降低。表明，再生粗骨料取代率在60%左右时，骨料级配为相对合理的状态，使得再生混凝土的孔隙得到有效填充，提高了再生混凝土的致密性，从而减缓了CO2扩散速度，降低了再生混凝土的碳化深度，提高了再生混凝土的抗碳化性能。

　　图3 再生粗骨料取代率对碳化深度的影响

　　(2)水胶比对再生混凝土抗碳化性能的影响

　　再生粗骨料取代率在60%时，水胶比分别取0.30、0.33、0.36，分析再生混拧土碳化深度随碳化时间的变化规律(图4)。从图4可以看出，再生粗骨料取代率为60%，水胶比在0.36时再生混凝土抗碳化性能比水胶比在0.30及0.33时好。当水胶比在0.3及0.33时，再生混凝土碳化深度比较大。这一点，与抗压强渡随水胶比的增大而降低的规律正好相反。主要是因为在水胶比在0.3时，混凝土偏干硬，影响混凝土的和易性，使混凝土水化反应不是很充分，影响混凝土内部的密实性。水胶比在0.36时，混凝土拌合物的坍落度为60mm左右，具备一定的流动性，混凝土的保水性和流动性都比较好，使再生混凝土的水化反应比较充分，提高了再生混凝土的密实度，从而降低了CO2在混凝土中的扩散速度，提高了再生混凝土的抗碳化性能。

　　图4 水胶比对碳化深度的影响

　　(3)矿物掺合料对再生混凝土碳化深度的影响

　　水胶比取0.36，再生粗骨料取代率为60%，龄期为28d时，粉煤灰和矿渣掺量分别取15%、25%、35%时，碳化深度随粉煤灰和矿渣掺量变化的规律如图5和图6。矿物掺合料可以细化混凝土内部孔隙、改善再生骨料与新水泥浆的界面。但是，从图5可以看出，掺加粉煤灰会使混凝土的28d碳化深度增大，这是因为粉煤灰的二次水化反应使混凝土内部的Ca(OH)2含量降低，从而增大了碳化速率，这与孙浩[2]得出的结论是一致的。但是，用矿渣部分取代水泥后，随着矿渣掺量的增加混凝土碳化深度先增加后显著降低，从图6可看出25%左右时碳化最明显，这与孙浩得出的加矿渣使混凝土碳化深度显著减小的结论不一致。可见矿物掺合料对混凝土碳化的影响还需进一步的研究。

　　图 5 粉煤灰掺量对碳化深度的影响

　　图 6矿渣掺量对碳化深度的影响

　　(4)再生混凝土碳化深度随着时间的变化规律

　　研究在不同水胶比下再生混凝土的碳化深度随碳化时间的关系(图7)。由图7可以看出，不同的试件在不同的水胶比情况下，再生混凝土的碳化深度跟碳化时间的平方根基本呈线性关系，也就是说碳化深度与碳化时间的平方根成正比关系。可用近似式X=Kct1/2来表示(X为碳化深度， Kc为碳化速率，t为碳化时间)，这与雷斌等[1]的结论是一致的。

　　图7 碳化深度随碳化时间的变化

　　(5)应力水平对碳化深度的影响

　　本试验考虑荷载和碳化的耦合作用。由于实际工程中轴向受拉的情况较少，绝大多数为弯曲受拉情况，因此设计如图1所示的受力示意图。由于是素混凝土试块，受到混凝土的抗拉强度的限制，故加载不大，用简单的重物加载和螺栓加载即可满足要求。图8为不同龄期下应力水平与碳化深度的关系，可见，在拉应力状态下再生混凝土的碳化深度会增大，在应力水平为1.2ft时，碳化深度增大到最大，这是因为在拉应力状态下再生混凝土内部产生了微裂缝，从而加速了碳化的进行。

　　图8 应力水平与碳化深度的关系

　　五、结论

　　本文采用试验的研究不同再生骨料的取代率对再生混凝土碳化深度的影响规律，找出一合理的再生骨料取代率;研究粉煤灰与矿渣双掺对再生混凝土抗碳化性能的影响;研究在各种应力水平作用下，再生混凝土试块碳化深度的规律;以及再生混凝土碳化深度与碳化时间的关系。通过试验分析，总结如下：

　　5.1 试验研究表明：再生混凝土的粗骨料的取代率对混凝土的影响很大。取代率RRC=60%时，骨料级配处在一个相对合理的状态，使得再生混凝土的孔隙得到有效填充，提高了再生混凝土的致密性，从而减缓了CO2扩散速度，减少了再生混凝土的碳化深度进而提高了再生混凝土的抗碳化性能。

　　5.2通过试分析，再生粗骨料取代率在60%时，水胶比为0.36时，再生混凝土抗碳化性能相对较好，混凝土几乎无碳化现象。此时，混凝土拌合物的坍落度为60mm左右，具备一定的流动性，混凝土的保水性和流动性都比较好，使再生混凝土的水化反应比较充分，提高了再生混凝土的密实度，从而降低了CO2在混凝土中的扩散速度，提高了再生混凝土的抗碳化性能。

　　5.3再生混凝土在拉应力状态下其碳化深度会增大，在应力水平为1.2ft时，碳化深度增大到最大。可见碳化和荷载的耦合作用会加剧碳化的发生。这是因为在拉应力状态下再生混凝土内部产生了微裂缝，从而加速了碳化的进行。

　　参考文献：

　　[1] 雷斌、肖建庄.再生混凝土抗碳化性能的研究[J].混凝土，2006.(9)：48-50.

　　[2] 孙浩、王培铭、孙家瑛.再生混凝土抗气渗性及抗碳化性能研究[J].建筑材料学报，2006.(2)：86-91.

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