大掺量粉煤灰对水工混凝土抗碳化性能的影响研究

张志国

（新宾满族自治县水务事务服务中心，辽宁 抚顺 113200）

盐渍土中的氯盐和硫酸盐等会对水工结构造成严重破坏，为保证盐渍土地区水工结构的抗盐渍土侵蚀性和整体耐久性，许多研究提出掺火山灰、粉煤灰、偏高岭土等活性成分改善措施[1-3]。超细粉煤灰会减缓早期强度的发展，而经过热处理可提升其残余强度。杨杨等探讨了水泥基体抗裂性与粉煤灰之间的相互关系，研究显示掺40%粉煤灰时基体具有较好的早期抗裂性；刘赞群等从微观上分析粉煤灰混凝土在硫酸盐侵蚀下的劣化机理与特征，结果发现导致其破坏的主要原因是裂缝中生成的石膏、针状钙矾石等晶体；范志宏等利用现场暴露试验揭示了混凝土渗透性与粉煤灰之间的关系，研究发现掺入粉煤灰有利于提升基体的抗渗性；张生营等初步探究了低品质粉煤灰对受力构件及水泥基体的影响，并认为掺量相同条件下粉煤灰品质对抗渗性的影响并不明显；张超等探讨了混凝土中粉煤灰的微集料和活性效应，并提出粉煤灰替代砂的利用方式。

目前，我国粉煤灰年排放量达到7.15亿t，将粉煤灰掺合料用于水工混凝土具有显著的经济效益[9]。然而，电厂排放达到Ⅰ级和Ⅱ级标准的粉煤灰数量非常有限，排放的Ⅰ级灰仅占5%左右，大部分粉煤灰按照现行分级结果都不能用于低早期强度的水工混凝土，也无法用于结构混凝土[10]。因此，为解决大掺量粉煤灰存在的贫钙问题，进一步提升低品质粉煤灰的利用率及盐渍土地区水工结构耐久性，本研究以低品质大掺量粉煤灰为例，通过碳化与抗压强度试验探讨了是否复掺矿渣粉、粉煤灰掺量、品质等条件下的试件碳化深度。

1 试验方案

1.1 原材料

试验材料主要有海螺P·O 42.5级水泥，级配良好天然中砂和5~25mm连续级配碎石，砂、石的表观密度为2 610kg/m3和2 650kg/m3，瓦房店诚远S95级矿渣粉和科之杰聚羧酸高效减水剂，大连恒翔粉煤灰厂F类Ⅱ级和Ⅲ级粉煤灰，主要性能参数如表1、表2所示，拌和水为普通自来水。

表1 粉煤灰主要性能参数

表2 矿粉的主要性能参数

1.2 配合比设计

参照《水工混凝土配合比设计规程》和绝对体积法，考虑复掺矿渣粉、粉煤灰掺量和品质等因素设计9种配合比，如表3所示。

表3 试验配合比设计 kg/m3

其中，S1为基准组，S2~S7为矿渣粉或粉煤灰替代水泥组；S8为大掺量粉煤灰组，以S7为基准S8的超量系数为1.7；S9是用S95矿渣粉替代超量部分混凝土，在不改变水泥与粉煤灰实际用量的条件下，采用矿粉替代部分砂用量，这相当于提升了胶凝材料总量；控制拌合物坍落度为120~150mm，并考虑施工和易性及现场浇筑情况适当调整减水剂掺量。

1.3 试验方法

根据设计配合比制作300mm×100mm×100mm试件，每种配合比制作12个，其中快速碳化试验和28d、90d、180d抗压强度试验各3个。考虑水工结构实际承载时间和建筑物类型确定混凝土设计龄期，一般选用较长龄期，其中水工混凝土主要为180d或90d。为了兼顾混凝土碳化受密实度及早龄期强度的影响，采用快速碳化试验测定养护90d的试块碳化深度。

设定碳化箱的CO2浓度为(20±3)%，温湿度为(20±2)℃及(70±5)%，养护90d时利用快速碳化法确定碳化3d、7d、14d、28d各组试块的碳化深度。

2 结果与分析

2.1 抗压强度

轴心抗压强度值，如表4所示。

表4 轴心抗压强度值 MPa

由表4可知，龄期越大试件抗压强度受矿渣粉与粉煤灰的影响越大，并且粉煤灰组的后期强度呈更加明显的上升趋势，S3、S4、S7、S8组的180d为28d龄期强度的2.09倍、1.96倍、1.58倍和1.53倍。掺矿粉组的后期强度的变化趋势不明显，S2、S5、S6、S9组的180d为28d龄期强度的1.28倍、1.37倍、1.27倍和1.20倍。

单掺粉煤灰组整体低于基准组的28d强度，而掺矿渣粉组整体高于基准组28d强度。掺矿渣粉和低品质粉煤灰组的180d龄期强度相较于基准组均有所下降，并且降低幅度随低品质粉煤灰掺量的增大而减小，掺20%的S4组降幅为7.7%，掺37.5%的S7组降幅为21.0%。从变化趋势上，仅凭28d强度设计矿渣粉与粉煤灰混凝土不够充分。

粉煤灰品质在一定程度上影响着抗压强度，掺量相同情况下掺Ⅱ级灰（S3、S5组）较Ⅲ级灰（S4、S6组）试块180d强度高约15.7%（平均值）。超量取代法对低品质粉煤灰混凝土强度的提升作用有限，S8组180d强度相较于S7组仅增加4.1%，P9组180d强度相较于S7组仅增加10.7%。在设计低品质大掺量粉煤灰配比时，采用矿渣粉替代超量粉煤灰有利于改善其力学强度。

2.2 碳化深度

碳化3d、7d、14d、28d时各组试件的碳化深度如表5所示，掺20%Ⅱ级、Ⅲ级及不掺粉煤灰的S1、S3、S4组试件碳化深度如图1(a)所示。结果表明，掺粉煤灰组略高于基准组碳化深度，掺Ⅱ级和Ⅲ级粉煤灰组的碳化深度相差较小，说明掺量不超过20%时对抗碳化性能的不利影响较低。因此，对于个别品质指标要求可以适当放宽，在不显著降低抗碳化和力学性能的情况下提高品质粉煤灰利用率。

图1 粉煤灰对碳化深度的影响

表5 碳化深度值 单位：mm

掺0%、20%、37.5%和50%Ⅲ级粉煤灰的S1、S4、S7、S8组试件碳化深度如图1(b)所示，结果显示随粉煤灰掺量的增大试件碳化深度逐渐增大，掺Ⅱ级粉煤灰组也表现出相同的变化规律。掺50%Ⅲ级粉煤灰的S8组为S1基准组28d碳化深度的1.4倍，这是因为粉煤灰中的Al2O3、SiO2会消耗Ca(OH)2，生成的水化铝酸钙与硅酸钙降低了液相碱度和碱储备，从而缩短了碳化中和过程，使得碳化深度增加。

掺40%矿渣粉Ⅲ级灰、Ⅱ级灰和基准组试件的碳化深度，如图2所示。

图2 矿粉碳化深度的影响

由图2可知，矿渣粉的掺入可以在一定程度上改善抗碳化性能，S2与S1组、S5与S3组、S6与S4组相比其28d碳化深度分别减小24.0%、28.4%、9.6%，这是因为矿粉的掺入可以减少浆体口规律，增强浆体碱储备和基体抗渗性及抗碳化能力[11]。试验表明，复掺矿渣粉与Ⅲ级粉煤灰组和基准组的抗碳化性能相近，通过复掺适量矿渣粉有利于提高低品质粉煤灰混凝土的抗碳化能力。

S7、S8、S9不同配合比试件的碳化深度，如图3所示。

图3 配比设计方法对碳化深度的影响

从图3可以看出S8组整体高于S7组试件的碳化深度，S8组的3d、7d、14d碳化深度为S7组的2.2倍、1.3倍和1.2倍，并且碳化龄期越长两者的差距有效，28d时S8组与S7组碳化深度相近。S9组相较于S7、S8组试件的28d碳化深度明显减小，降幅接近40%。采用矿渣粉替代超量部分的Ⅲ级粉煤灰，由此配制的试件抗碳化性能与基准组相当[12-14]。另外，从表5可以看出S9组180d抗压强度明显高于S7和S8组。

3 结 论

1）将低品质粉煤灰掺入水工混凝土会在一定程度降低180d抗压强度，并且降幅随掺量的增加而增大。

2）掺量在20%以内时，粉煤灰品质对碳化深度的不利影响相差不大。因此，对于个别品质指标要求可以适当放宽，在不显著降低抗碳化和力学性能的情况下可以提高品质粉煤灰利用率。

3）水工混凝土抗碳化能力随低品质粉煤灰掺量的增大而减小，掺量为20%时不会产生显著影响，掺量达到50%时会显著增大碳化深度，复掺矿渣粉有利于增强低品质粉煤灰混凝土的抗碳化能力。为提高混凝土强度和抗碳化性能提出低品质大掺量粉煤灰与矿渣粉复掺的方法，为资源化利用矿渣和粉煤灰等提供数据支持。