关于掺合料对实体混凝土碳化深度影响情况的研究

发表时间:2019/8/16   来源:《防护工程》2019年10期   作者:李坤
[导读] 掺合料是混凝土配置当中,比较常用的材料,目的是提高混凝土的性能,控制水化热效应。
四川路桥桥梁工程有限责任公司  四川省  610072
        摘要:掺合料是混凝土配置当中,比较常用的材料,目的是提高混凝土的性能,控制水化热效应。而掺合料的加入会降低水泥的用量,而水泥时水化热的关键物质,因此为了明确掺合料对碳化深度的影响情况,在本文当中采取了综合分析方法、文献法和实证研究的方法进行了讨论分析,得到了掺合料用量对碳化深度的影响情况,仅供参考。
        关键词:掺合料;混凝土;碳化;影响
       
       
为了控制水化热,在混凝土当中往往会加入一些掺合料比如矿渣、粉煤灰等来降低水泥的用量,提高混凝土性能的同时也控制了水化热,但是掺合料对混凝土碳化有比较显著的影响,碳化虽然是一种必然现象,但如果因为碳化导致混凝土碱性降低严重,那么就可能引起钢筋混凝土结构当中的钢筋出现问题,导致结构耐久性降低,所以研究掺合料对混凝土碳化深度的影响具有比较显著的现实意义。
        一、研究的理论基础
        混凝土是一种复合材料,由水泥、水、粗细骨料、外加剂等材料混合而成。在工程建设领域,混凝土是非常重要的一项材料,而因为混凝土有水化热现象,在水化热下,混凝土中的某些物质会产生化学反应生成碳酸钙,这种现象就是混凝土碳化。对于混凝土碳化问题,目前对其的研究是非常重视的,在相关的文献网站上按照混凝土碳化这个关键词进行搜索可以找到很多相关的研究成果,当然其中比较集中的地方主要是碳化的激励、碳化的分析模型、碳化的影响因素和碳化寿命预测等方面。从相关文献来说混凝土碳化的影响因素比较多,掺合料只是材料影响因素当中的一部分。近些年来从材料的角度来分析碳化是研究当中的热点问题。因此对于本文的研究来说理论基础是相当丰富的。
        在本文当中具体根据碳化分析模型来进行讨论,在相关研究成果当中提出了三种模型,包括基于碳化试验的经验模型、基于扩散理论的理论推导模型和试验结果模型。本质上来说,根据国内外的大量研究,碳化深度和时间的平方根之间存在正相关的关系。关于掺合料的影响来说有基于Fick第一定律而提出的预测模型。本文的理论基础就在于此。
        二、研究方法阐述
        为了明确掺合料对实体混凝土碳化深度的影响情况,基于上文提到的碳化分析模型,于本文当中采取试验的方法来进行实证研究。
        (一)材料
        为了进行实证研究,选择的是建筑材料科学院生产的基准水泥,掺合料选择粉煤灰和矿渣,其中粉煤灰为Ⅱ级,18%细度模数和5%烧失量。矿渣则是S105级。粗细骨料方面,细骨料2.9细度模数,1450kg/m3堆积密度。粗骨料方面使用碎石,12%压碎指标,粒径5~16mm,堆积密度1400~1700kg/m3。外加剂方面为聚羟酸高性能减水剂20%,掺入量控制在1%(胶凝材料的比值)。
        进一步用XRF进行分析,水泥方面SiO2、Al2o3、CaO、Fe2O3、MgO、SO3、Na2O、CL-分别是21.19、4.72、62.39、3.42、2.51、2.81、0.55、0.010。粉煤灰方面上述成分含量分别是47.55、26.29、7.39、4.89、0.76、0.82、0.61、无氯离子。矿渣方面则分别是29.73、13.11、36.89、0.27、7.33、1.22、0.56、0.049。
        (二)配合比
        试验当中混凝土掺合料采取单掺合料和双掺合料的方式来进行配比,其中粉煤灰单掺配比为15%和30%两种,矿渣方面则是25%和40%。双掺合料方面则是粉煤灰和矿渣,其中矿渣掺量为25%的,这个掺量不变通过调整粉煤灰的量来进行配比。按照上述要求,试验中普通混凝土配比比值为:水泥:砂:石:水:减水剂=320:725:1185:170:3.2。
        单掺粉煤灰15%时比值为272:725:1185:170:3.2,粉煤灰掺量48,强度等级7天为23.3,28天为31.0。30%掺量时,配比为224:725:1185:170:3.2,粉煤灰掺量96,7天强度20.0,28天强度28.5。矿渣方面,实际粗细骨料、水以及减水剂的比例不变,按上述配比进行配置,只看水泥和掺合料,其中矿渣用量为25%时,水泥用量为240,矿渣用量80,7天强度25.0,28天强度29.0。40%掺量时水泥用量192,掺入量128,7d强度25.1,28d强度31.2。同样的双掺合料的情况下,粉煤灰掺入量15%,矿渣掺入量25%不变,水泥用量192,粉煤灰和矿渣分别用量48和80,此时7d强度22.4,28d强度30.3。粉煤灰调整为30%,矿渣25%不变,水泥用量144,粉煤灰和矿渣用量分别是96和80,7d强度19.3,28d强度29.5。


        (三)制备养护
        根据上述配合比进行分别制样,制备过程当中严格按照混凝土搅拌要求进行搅拌,控制投料顺序,并且控制时间。强制搅拌2分钟后转振动搅拌,制成100×100×400mm的试块。24小时后脱模,在标准养护室当中进行24h养护,随后转移到在22~28℃、49%~69%的自然环境当中进行180d养护,最后根据GB/T50082的要求进行碳化深度试验。
        三、结果与讨论
        (一)单掺粉煤灰或矿渣结果与讨论
        按照规范要求进行测试后发现单掺粉煤灰时,掺入量在小于胶凝材料15%时,碳化深度会略有减小,而掺入量在大于15%时,随着掺入量的增加碳化深度也会增加,而且增长幅度与粉煤灰掺入量呈现出线性关系(近似)。在掺入量为15%这个量时可计算出粉煤灰混凝土与普通混凝土之间的碳化深度变化为0.95倍。当掺入量在30%时则是1.45倍。
        当矿渣掺入量不到25%,此时混凝土的碳化深度变化实际并不明显。而当大于25%后,变化曲线与单掺粉煤灰相似,呈现出近似的线性上升趋势。同样地对比普通混凝土,当掺入量在25%时,变化倍数为1.08,在40%时倍数为1.19。
        综上,在混凝土制备当中如果掺合料的掺入量逐步加大,会出现二氧化碳渗透减小,毛细孔细化的现象会影响碳化速度,碳化的物质的量降低,碳化速度就会减低,而当掺合料的掺入量达到一定程度,掺合料就会在混凝土当中减弱堆积效应,毛细孔反而增大,碳化就会加快。
        (二)双掺结果与讨论
        同样的按照规范要求对双掺合料混凝土的碳化深度进行测试,发现当矿渣含量为25%不变的情况下,调整粉煤灰掺量后,碳化深度会随着掺量的变化而增快,当粉煤灰掺入量大于30%以后,这个情况特别突出。对比两种单掺矿渣混凝土发现双掺后180d试块的碳化深度变化分别增加16%和45%,进一步用45%的粉煤灰来进行试验,发现增加了103%。而对比单掺粉煤灰则变化形势不是很明朗,以15%粉煤灰和30%粉煤灰计,则分别增加30%和8%,同样的按照45%的粉煤灰来配置试块后对比发现增大22%。
        综上,相比于单掺合料混凝土,双掺合料混凝土当中的混合掺合料含量增大,混凝土当中可以碳化的物质会明显减少,而碳化速度会加快。但是因为双掺合料的物理性质有所不同,而且在混凝土当中的分布也不一样,掺合料当中的颗粒会进行相互堆积填充,此时混凝土内部的毛细孔会产生比较明显的变化,但是没有一定的规律,二氧化碳以及水的渗透性也会出现一定的不同变化,所以碳化速度会不一致。
        (三)掺合料影响系数计算
        结合上文的试验结果和在本文当中提出的模型,采用回归拟合的方法计算碳化影响系数。结合试验结果计算得到相关系数为0.915,与试验结果相比误差在15%内。进一步结合相关研究当中的试验数据来进行分析对比,平均值为1.012,标准差0.394,0.301的变异系数。计算结果相近。
        结束语:
        综上所述,不同掺入量的掺合料和不同成分的掺合料对实体混凝土的碳化深度有着非常明显的影响,当掺合料为单纯的粉煤灰时,如果掺入量小于15%,碳化深度会比较小,而超过15%以后,则会呈现近似线性增加的现象,矿渣方面则同样如此,而在混合掺合料投入使用时,碳化深度有影响,但是没有明显规律,但是如果矿渣掺入量在25%,而粉煤灰掺入量大于30%以后,则会出现碳化深度明显增大的情况,实际在本试验当中胶凝材料用量不变,重点变化的是水泥用量和掺合料用量,其中胶凝材料用量和水灰比变化是否有影响,需要进一步研究。但本文重点指出了掺合料的影响情况,可以参考。
        参考文献:
        [1]赵庆新,齐立剑,潘慧敏等.基于混凝土碳化耐久性的粉煤灰临界掺量[J].建筑材料学报,2015,18(1):118-122.
        [2]余波,刘才勇,杨绿峰等.再生粗骨料混凝土碳化分析的多场耦合模型及验证[J].土木建筑与环境工程,2017,39(2):50-57.
        [3]薛建荣,杨毅,曹靖等.基于通径原理对普通混凝土碳化性能影响指标分析[J].结构工程师,2016,32(4):166-169.
        
        
       
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