掺膨胀剂粉煤灰混凝土的碳化性能与微观机理.pdf
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1、2 0 1 1年 第 2 期 (总 第2 5 6 期) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERL AND ADM l CLE d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 2 0 1 6 掺膨胀剂粉煤灰混凝土的碳化性能与微观机理 水 中和 ,屠柳青 , ( 1 武汉理工大学 材料科学与工程学院,湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ;2 徐文冰 。马军涛 中交武汉港湾工程设计研究 院有限公司 ,湖北 武汉
2、 4 3 0 0 7 1 ) 摘要 : 混 凝土 的抗 碳化性 能是其 耐久性研 究的重 要 内容 。研究 了复掺膨 胀剂和 粉煤灰对 混凝土 抗碳化 能力 的影响规 律 , 并 通过 压汞分析、 热重一 差示扫描量热( T G D S C ) 分析等微观分析方法研究碳化反应前后混凝土微结构的改变。 研究结果表明 : 大掺量粉煤 灰将 降低混凝 土 内部 Ca ( O H) 含量 , 加速 混凝土 的碳 化 , 掺人膨胀 剂加速 粉煤灰 混凝土 的碳化速 率 。 掺 人粉煤 灰能减小 混凝 土大孔 的分 布 , 转 化成 为小孔 , 对 混凝土 的孔 结构分 布具有 明显 的改善 作用 。 膨
3、胀 剂 的掺入 会增加 粉煤 灰混 凝土 的孔 隙率及 大孔 分 布 , 并 加 速碳 化速率 。 混凝 土的 C a ( 0H) 含量是影 响粉煤灰 混凝土碳 化速率 的主要 因素 。 膨胀 剂引起粉 煤灰混凝 土 的孔 结构 改变 , 进 而影 响其抗碳 化性能 。 关键词: 膨胀剂 ;粉煤灰混凝 土;碳化 ;热重一 差示扫描量热分析 ;压汞分析 中图分类号 : T U 5 2 8 0 4 2 4 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 0 0 0 0 Car b ona t i on of f l y as h c on c
4、 r e t e wi t h e xpa ns i ve a dm i x t ur e s S HUI Z ho n g- h e , TU L i u q i n g r 一, X U W e n b i n g , M A J u n t a o ( 1 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g , Wu h a n Un i v e r s i t y a n d T e c h n o l o g y , Wu h an 4 3 0 0 7 0 , C h in a ; 2 C
5、C C CWu h a nHa r b o u r E n g i n e e r i n gDe s i g n a n d Re s e a r c hC o , L t d , Wu h an 4 3 0 0 7 1 , C h i n a ) Abs t r a c t : Ca r b o na t i o n r e s i s t a nc e o f c o n c r e t e i s a n i mp o r t a n t p a r t o f c o n c r e t e d u r a bi l i t yTh i s pa p e r ma i n l y s
6、 tud i e s t h e c o mp l e x mi x e d wi t h e x p a n s i v e a g e n t a nd fly a s h o n t h e c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e of c o n c r e t e d i s c i p l i ne , a n d a n a l y z e s mi c r o s t r u c tur e c h a n g e s o fc o n c r e t e b e f o r e and a Re r c a r - b o n a
7、t i o n b y me r c u r y i n t r u s i o n ana l y s i s , t h e r mo g r a v i me t r i c d i ff e r e n t i a l t h e r ma l s c a n n i n g ( T G DS C) c o u p l e d a n a l y s i s me t h o d s T h e r e s u l s h o w t h a t h i g h v o l u me fl ya 鸯 h c o n c r e t e wi l l r e d u c e t h e
8、i n t e ma l C a ( O H) 2 c o n t e n t , and a c c e l e rat e c a r b o n a t i o n o f c o n c r e t e , me a n w h i l e , e x p a n s i v e a d mi x t u r e wi l l a c c e l e r a t e c a r b o n a t i o n o f fl y a s h c o n c r e t e Fl y a s h c a n r e d u c e t h e l arg e p o r e d i s t
9、 ri b u t i o n of c o n c r e t e, an d t r a n s l a t e d i n t o s ma l l h o l e s , wh i c h ma r ke d l y i mp r o v e s t h e p o r e s t r u c t u r e d i s t r i b u t i o n o f c o nc r e t e E x pa n s i v e a g e n t wi l l i n c r e a s e t h e p o r o s i ty of fly ash c o n c r e t e
10、 a n d l a r g e p o r e d i s t db u t i o n , and s p e e d u pt h e c ar b o n a t i o n r a t e T h e C a ( OH) 2 c o n t e n t o f c o n c r e t ei s t h e ma i nf a c t o r o nc o n t r o l l i n g c a r b o n a t i o n r a t e E x p a n s i v ea g e n t wil l c a u s e t h e p o r e s t r u c
11、 t u r e c han g e s an d a ffe c t t h e c arb o n a t i o n a b i l i t y o f fly a s h c o n c r e t e f u r t h e r Ke yw o r ds : e x p a n s i v e a d mi x t u r e ; fl ya s h c o n c r e t e; c a r b o n a t i o n; TG DS C; me r c a r yi n t r u s i o n a n a l y s i s 0 引言 混凝土的碳化是指空气中的二氧化碳(
12、C O ) 渗透到混凝土 内部, 与水泥水化产物发生化学反应而使混凝土碱度降低的过 程。 它使混凝土失去对钢筋的保护作用, 引起钢筋生锈。 由于混 凝土的碳化是一 个长期而缓慢 的过程 , 在混凝土耐久性评估过 程中容易被忽视。 在一些地下空间( 如停车场 、 办公区、 购物区、 餐厅等) 中, 空气中的 C O 含量较大气高出数倍l 1 。 混凝土长期 暴露在这种高 C O 浓度的环境中, 碳化反应加速 , 混凝土结构 的钢筋锈蚀问题更为突出, 严重影响了结构安全和使用寿命目 。 现代混凝土工程广泛使用各种高性能的矿物掺合料 , 如磨 细矿渣微粉和粉煤灰。 这些矿物掺合料一方面可以大幅降低混
13、 凝土的成本 , 另一方面也可以改善混凝土的各种性能, 提高混 凝土的性价比。 尤其是优质粉煤灰的使用,不仅可以改善新拌 混凝土的工作性 , 还可 以提高混凝 土的某些长期性能。 但是 , 由于粉煤灰的二次水化作用将消耗水泥熟料水化产 生的氢氧化钙( C a ( OH) ) , 降低混凝土内部溶液的碱度 , 加速混 凝土的碳化速率, 对钢筋混凝土耐久性造成不利影响 。 膨胀剂由于具有补偿收缩的特性, 在现在的混凝土工程中 的应用越来越广泛 1 0 - 12 】 。 膨胀剂也常被用来改善粉煤灰混凝土 的体积变形 , 减少粉煤灰混凝土的收缩, 保证混凝土工程的结 构稳定 l 3 _3 m 。 既有
14、研究中, 关于掺膨胀剂粉煤灰混凝土的抗碳化 性能研究还少见报道, 赵顺增【 等人的对此的研究表明在掺粉 煤灰的混凝土中加入适量膨胀剂 , 能够显著提高混凝土的抗碳 化能力, 其原因主要是膨胀剂密实了混凝土结构和增加了体系 中 Ca ( OH) 2 的 含量 。 本试验主要针对掺膨胀剂粉煤灰混凝土碳化过程中微观 结构的变化规律进行了研究, 利用热重一 差热耦合分析( T G D S C ) 技术测试碳化前后不同龄期混凝土内部 C a ( O H) : 含量的变化 , 通过压汞分析( M1 P) iJ 试掺膨胀剂粉煤灰混凝土碳化前后孔隙 结构的改变规律, 探讨和分析了掺膨胀剂粉煤灰混凝土的抗碳 化
15、性能改变的机理。 收稿 日期 :2 0 1 0 - 0 9 1 9 基金项目:国家 自然科学基金 ( 5 0 8 0 2 0 6 7 ) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助( 2 0 1 0 V I O I 1 ) 5 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 试验方案 1 1 原 材料 水泥为华新水泥股份有 限公 司生产 的 P I 5 2 5级水 泥 , 密 度为 3 1 1 g c m3 , 勃氏比表面积为 3 3 6 1T I g 。 粉煤灰为武汉青山 电厂生产的级粉煤灰, 密度为 2 1 1 g c m3 , 勃氏比表面积为 3 2 6 mV k g
16、 。 膨胀剂为天津豹鸣股份有限公司生产的HC S A型高 性能膨胀剂。 水泥, 粉煤灰和膨胀剂的化学成分见表 1 。 减水剂 采用武汉港湾新材料公司生产的 L N S P型聚羧酸高效减水剂, 减水率为 2 9 1 。 表 1 水 泥、 粉 煤灰和膨胀剂 的化学成分分析 材料Na 2 0 Mg O A 1 203 S i O 2 P 2 O5 S O3 K20 C a O T i O2 F e 2 03 L o s s 水泥0 1 3 1 6 1 3 9 2 1 9 3 7 0 0 5 0 8 1 0 5 9 6 8 3 0 3 2 3 6 9 1 0 9 粉煤灰 0 3 5 0 3 7 3 0
17、 1 8 5 4 3 8 0 1 2 0 4 9 1 6 5 2 -3 9 1 4 1 4 9 2 3 4 4 膨胀剂 0 0 9 2 5 6 1 5 2 2 1 8 8 7 0 1 0 7 7 1 0 5 7 4 8 3 8 0 6 1 1 7 7 3 9 6 细集 料为 巴河黄砂 , 细度模数 为 2 3 0 , 属 中砂 。 粗集 料为 5 2 5 mm连续级配区阳新碎石。 拌合水为洁净 自来水。 1 2混凝 土 配合 比 设计 8组不同配合比的 昆 凝土, 分别用不同的粉煤灰和膨 胀剂掺量来取代等质量的水泥, 其配合比见表2 。 表 2混凝土配合比及 拌合物 工作性能 注 : 各组混凝
18、土配合 比水灰 比均 为 O 4 5 。 1 3 试件制备及养护 新拌混凝土拌合物丁作性能按照 G B T 5 o o 8 o -2 o o 2 ( 普通 混凝土拌合物性能试验方法标准 进行测试 , 试验结果见表 2 。 各龄期力学性能按照 GB T 5 0 0 8 1 2 o 0 2 普通混凝土力学性能 试验方法标准 进行测试 , 试验结果见表 3 。 混凝土加速碳化速率 试验按照 G B J 8 2 8 5 普通混凝土长期性 能和耐久性能试验 方 法 的规定进行 , 具体试验方法如下。 混凝土加速碳化试验采用棱柱体试件, 尺寸为 1 0 0 mmx 1 0 0 m mx 4 0 0 IT
19、I1 T I 。试件成型后 2 4 h 拆模 , 经标准条件( 日9 0 , T - ( 2 0 3 ) ) 养护 2 6 d 后置于 6 0烘箱中烘干 4 8 h 。试样保 留 两相对侧 面 , 其余 表面用石 蜡密封 , 按要求 放入混凝 土快速碳 化试验箱 ( 尺 日 = ( 7 0 5 ) , ( 2 0 3 ) , C = ( 2 0 3 ) ) 中 , 并在 碳化龄期达到 3 、 7 、 2 8 d时, 分别测试各龄期混凝土的碳化深度。 混凝土试样破型成小颗粒后在 1 0 5烘干 2 4 h后进行 T G D S C 分析和 MI P分析。 2 试验 结果与分析 2 1 抗压 强度
20、 分析 混凝土抗压强度试验结果见表 3 。 通过试 验数据 可以得 出, 掺人大量粉煤灰对混凝土 的抗压强度有 比较 明显 的影 响 , 尤 其 掺入 5 0 的粉煤灰时 , 抗压强度较没掺粉煤灰的相 比下降较多 , 3 、 2 8 d抗压强度下降幅度分别达到 3 2 8 和 3 4 1 , 但随着水化 龄期的延长 , 掺人大量粉煤灰对混凝 土的抗 压强度影响逐渐减 小, 强度损失逐渐减小。 掺人膨胀剂会略微减小混凝土的 3 d 抗 压强度 , 并 随着膨胀剂掺量的增加 , 3 d抗压强度的损失也增加 , 表 3不同龄期的混凝 土抗压 强度试验结果 MP a 组别F O E 0 F 3 0 E
21、 0 F 5 0 E 0 F 3 0 E 2 7 d 3 4 5 31 4 2 3 2 3 O8 28 d 4 40 3 7 6 2 90 3 7 4 5 6 d 48 5 41 5 3 65 4 0 2 1 1 8 d 48 4 4 6 7 4 58 5 0 2 F3 0 E 4 F 3 0 E6 F 3 O E8 F3 0 El 0 3 0 4 3 6 8 43 8 48 7 2 7 - 2 3 7 2 4 0 3 4 8 1 2 9 5 3 7 4 4 3 7 5 2 1 2 8 5 3 6 7 41 0 46 5 但膨胀剂 的掺入对混凝 土的 2 8 、 5 6 d抗压强度并没有 明显
22、 的影 响, 与没掺粉煤灰的试样相比抗压强度接近, 在 l l 8 d时甚至更大。 2 2碳化 深度 分析 对 F O E 0 F 3 0 E1 0各组试件进 行加 速碳化试验 , 碳化龄期分 别为 3 、 7 、 2 8 d后用酚酞指示剂法测 量碳化深度 , 测试结果见 表 4和图 1 。 由此试验结果可知, 掺人大掺量的粉煤灰会加速混 凝土的碳化 , 并且 随着粉煤灰掺量 的增加 , 混凝土加速碳化速率 也相应大幅增大。 另外, 在含 3 0 粉煤灰的混凝土中掺人膨胀剂 也会增 大混凝土 的 3 、 7 、 2 8 d的碳化 速率 。 从 图 1中可知 , 在含 3 o 0 灰的混凝土 中
23、再掺人 2 0 0 的膨胀剂时, 其 3 d的碳化深度 要低于未掺膨胀剂的 , 而 7 d的碳化深度与之接 近 , 2 8 d的碳化 深度则是明显高于未掺膨胀剂的试样。 而掺人 4 的膨胀剂, 各 龄期的碳化深度与未掺膨胀剂的相比均要大。 掺人 6 、 8 和 1 0 的膨胀剂时 , 碳化 3 d龄期 的碳 化深度均 大于未掺膨胀 剂 的试样, 但随着碳化龄期的延长, 在碳化 2 8 d时, 与未掺膨胀剂 的相比各组碳化深度基本相当 , 只有掺 8 的略大。 表 4不 同碳化龄期的混凝土碳化深度 mm 碳化 龄期 , d 图 1 不 同膨胀剂掺量对掺 3 0 粉煤灰 混凝 土碳化深度的影响 5
24、 3 4 2 O 8 6 4 2 0 g叫 隧 崔 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 - 3 TG DS C 分 析 T G D S C分析是一种通过分析物质在不同温度下的质量变 化来鉴别和定量测试物质化学组成及含量的方法。 水泥石随着 温度升高 , 自由水在 1 0 0脱去 , 在 1 0 0 , - 4 0 0时脱去孔隙水 和层间水 , C a ( O H) 将在 4 0 0 -6 0 0时分解 , 而 C a C O 将在 7 0 0分解。 本试验对 F O E 0 、 F 3 0 E 0 、 F 5 0 E 0 、 F 3 0 E 2 、 F 3 0
25、E 6 、 F 3 0 E1 0碳化 前 和碳化 2 8 d后的混凝 土试件碳化 区取净浆进行热重分析 , 其 C a ( O H) 2 和 C a C O 3 含量见表 5 。 根据碳化反应式( 1 ) , 由 C a ( O H) : 碳化生成 的理论 C a C O 含量通过式( 2 ) 计算。 C a ( OH) 2 + C O2 - - C a C Oa + H 2 O ( 1 ) m 1 3 5 m 。 ( 2 ) 式中 : m 一 氢氧化钙 质量 ; m 一 氢氧化钙碳化反应生成的碳酸钙的质量。 由表 5中数据可以看出, 混凝土在标准养护 2 8 d 后 , 随着 粉煤灰掺量的增
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