HCSA膨胀剂对大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能影响

刘娟红 车树武

（北京科技大学 土木与环境工程学院，北京 100083）

随着资源、能源和环境问题的日渐突出，低碳的绿色混凝土成为水泥混凝土可持续发展的必然选择[1-3]。大掺量粉煤灰混凝土作为绿色混凝土的一种，同时在水胶比比较低的情况下，可大幅度改善混凝土长期性能，对延长结构物的使用寿命有重要意义[4]，故在现代工程中的应用也愈加广泛。国内外大量研究和实际应用表明，大掺量粉煤灰混凝土中，早期时粉煤灰在水泥浆体中的反应程度是很小的，在龄期为28d的成熟浆体中，水泥水化达到80%～90%，但粉煤灰只反应了10%～20%，而且成熟浆体中的水化生成物量与纯水泥浆体相差很大，这种差异的存在使得大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化能力差，从而影响了大掺量粉煤灰混凝土在很多工程中的应用[5-8]。

1985年以来，膨胀剂在我国得到了普遍的推广应用。补偿收缩混凝土基本性能的研究表明[9]，掺加UEA的补偿收缩混凝土抗碳化能力增强。赵顺增、刘立[10]研究了膨胀剂对40%粉煤灰的混凝土抗碳化性能的影响，得出最佳掺量为30kg/m3。目前对粉煤灰混凝土抗碳化性能研究方面，一般都采取了28d标准养护后再强制碳化，且研究的龄期较短；而在自然环境中的混凝土碳化方面的研究较少，所得结论对于大掺量粉煤灰混凝土实际工程不一定适用。

为此，本文对自然碳化条件下掺加HCSA膨胀剂的大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能进行了研究，从膨胀剂的掺量和养护时间两个方面着手进行分析。

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

水泥：北京金隅股份有限公司生产的P.O 42.5水泥，标准稠度用水量为27.8%，初凝时间为180m in，终凝时间为320m in，3d抗折强度为3.9MPa，抗压强度为16.0MPa；28d抗折强度为7.1MPa，抗压强度为49.5MPa。

粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，细度11.2（45μm筛余量），需水量比102%。

膨胀剂：中国建筑材料科学研究总院研制的HCSA高效混凝土膨胀剂。

骨料：粗骨料为人工碎石，料堆积密度为1510kg/m3，表观密度为2650kg/m3，孔隙率为42.0%；细骨料为天然河砂，堆积密度为1660kg/m3，表观密度为2560kg/m3，孔隙率为42.9%。

减水剂：北京市方兴化学建材有限公司生产的JF-1高效减水剂（固体含量为40%）。

水：自来水。

1.2 混凝土配合比

实验选择不同掺量HCSA膨胀剂加入粉煤灰掺量为45%，50%的混凝土中进行碳化实验，各组配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比（kg/m 3）

图1 不同膨胀剂掺量混凝土碳化深度

1.3 实验方法

实验所用混凝土试块分为两种，一组为装模成型后直接置于自然环境中，7天拆模后继续放置于自然环境中；另一组为装模成型后棉被覆盖浇水至7天拆模，然后放置于自然环境中，然后记录两种试块14d，28d，70d，120d，360d碳化层厚度。

碳化层厚度测量采用在混凝土块新鲜劈裂断面涂抹酚酞溶液，测量断面未变红的厚度，作为混凝土碳化值。

2 HCSA膨胀剂对不同粉煤灰掺量混凝土碳化的影响研究

混凝土试块成型后7d覆盖浇水养护，然后置于自然环境。图1为粉煤灰掺量为45%和55%时，不同膨胀剂掺量对混凝土碳化深度的影响曲线。

由图1可以看出，混凝土的碳化深度随着龄期的增加而逐渐增长，28d～120d之间，碳化速率加快，碳化深度增长迅速，120d龄期之后，混凝土的碳化速率明显降低。

适量的HCSA膨胀剂能提高大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化能力。与未掺HCSA膨胀剂的混凝土相比，28d天龄期之后，掺加适量HCSA膨胀剂的混凝土抗碳化能力明显提高，而且随着龄期的延长，优势越明显。原因可能是在早期时正好处于自然环境的夏季，不养护直接放于屋外的混凝土所处的温度和湿度均要高于用棉被覆盖和养护室标准养护的混凝土，所以早期养护的优势没有达到发挥，但在后期，随着龄期的增长，得到充分养护的混凝土内部结构从水泥、粉煤灰的水化到膨胀剂的水化都得到较好的发展，所以抗碳化性能越来越好，这也是自然碳化和强制碳化有所区别的地方。

由图1 a可以看出，从混凝土性能的长远发展来看，粉煤灰掺量为45%的大掺量粉煤灰混凝土，养护条件相同的条件下，HCSA膨胀剂掺量为6%的混凝土能显著提高混凝土的抗碳化性能，8%掺量的次之，而10%掺量的混凝土效果不明显.

由图1 b以看出，HCSA膨胀剂掺量为6%和8%的混凝土抗碳化性能较未掺加HCSA膨胀的混凝土抗碳化性能明显增加，而掺加10%HCSA膨胀剂的混凝土碳化深度则要明显大于未掺HCSA膨胀剂的混凝土。这是由于膨胀剂的水化产生的膨胀水化产物填补了混凝土在水化和硬化过程中产生的孔隙和收缩，使混凝土内部结构变的致密，从而从根本上提高了混凝土的耐久性，所以6%和8%HCSA膨胀剂掺量的混凝土碳化深度要明显小于未掺膨胀剂的混凝土，而10%HCSA膨胀剂掺量的混凝土则由于产生的膨胀能过大而对混凝土的内部结构造成了损害，降低了混凝土的耐久性，所以在工程应用中一定要控制膨胀剂的掺量，适量掺加，严格控制。

在360d龄期时，有部分试块出现碳化深度减小的现象，可能是试块处于夏季潮湿环境下，混凝土中的是硅酸钙遇水后发生水化反应，形成游离钙、硅酸和氢氧根，挺高了混凝土的碱度，使碳化深度减小，这也是自然碳化不可避免的问题。

另外，与粉煤灰掺量为45%的混凝土相比，粉煤灰为50%时，8%HCSA膨胀剂掺量的混凝土抗碳化性能要明显提高。粉煤灰掺量为45%时，加入HCSA膨胀剂混凝土与未掺加膨胀剂的混凝土相比，6%HCSA膨胀剂掺量的混凝土180d碳化深度减小57.1%，而8%掺量的混凝土180d碳化深度减小32%，360d碳化深度减小12.3%；粉煤灰掺量为50%时，6%HCSA膨胀剂掺量的混凝土与掺量为0%的混凝土相比，180d和360d碳化深度分别减小18.5%、18.8%，8%膨胀剂掺量的混凝土180d和360d碳化深度分别减小32.6%、31.3%。总之，在粉煤灰掺量为45%时，6%膨胀剂掺量的混凝土抗碳化性能最好，而粉煤灰掺量为50%时，8%膨胀剂掺量的混凝土抗碳化性能最好。

造成这种现象的原因可能是当粉煤灰掺量为45%时，6%掺量的HCSA膨胀剂产生的水化产物正好充填了由于粉煤灰和水泥水化过程中所产生的孔隙和孔隙，密实了混凝土的内部结构，抗碳化能力提高，而8%的HCSA膨胀剂则由于产生了有害的膨胀而对混凝土的内部结构产生损害；当粉煤灰掺量增加到50%时，与粉煤灰掺量为45%的混凝土相比，使得混凝土的内部结构变得更疏松，6%掺量的HCSA膨胀剂产生的膨胀产物由于不足于充填这些孔隙而使得抗碳化性能变差，由于粉煤灰掺量的加大而导致的混凝土内部结构的疏松正好为8%掺量的膨胀剂产生的多余膨胀水化产物提供了容纳的地方，从而使得混凝土的内部结构较6%时要致密，所以抗碳化性能也较高。

综合粉煤灰掺量为45%、50%膨胀剂混凝土可知：掺加了HCSA膨胀剂的大掺量粉煤灰混凝土的自然碳化曲线呈锯齿状匍匐前进状态，且随着龄期的增长碳化速率逐渐减小，曲线变得越来越平缓，且有减小的趋势；HCSA膨胀剂的掺加能提高大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能，但后期效果比较显著，早期效果不明显。

3 养护时间对膨胀剂混凝土碳化影响的研究

在粉煤灰掺量为45%、50%的条件下，测定膨胀剂掺量为8%的混凝土试块成型后未覆盖浇水养护与7d覆盖浇水养护后，各龄期的自然碳化深度，试验结果见图2。

由图2可以明显看出，对于不同掺量的粉煤灰混凝土，养护7d的混凝土碳化深度在各个龄期均小于未养护混凝土碳化深度。在混凝土较小龄期时，这种差距比较小，以FA45的混凝土为例，14d龄期时，养护7d的混凝土碳化深度比未养护的混凝土碳化深度小0.37mm，而随着时间的增长，差距越来越明显，在180天龄期时，养护7d的混凝土碳化深度比未养护的混凝土碳化深度小2mm。

在现代工程施工中，养护时间的延长意味着成本的增加，但对于大多数施工企业来说，对于混凝土进行7天养护，都是可以实现的。这样较未养护混凝土，强度、耐久性都可以有较好的提升。

图2 不同养护时间对混凝土碳化深度的影响

结论

（1）对于掺加了HCSA膨胀剂及未掺加HCSA膨胀剂的大掺量粉煤灰混凝土而言，在自然碳化条件下，70d龄期之前，碳化深度增长较快，而后随着龄期的逐渐延长，碳化速率逐渐变缓，180d到360d龄期之间，碳化深度已出现下降趋势。

（2）在自然碳化条件下，适量的HCSA膨胀剂对大掺量粉煤灰混凝土的早期抗碳化能力的改善有一定的作用，但效果不明显，而随着龄期的逐渐增长，掺加HCSA膨胀剂的混凝土的抗碳化性能优势才慢慢发挥出来，且随着龄期的延长越来越明显，抗碳化能力显著高于未掺加HCSA膨胀剂的大掺量粉煤灰混凝土。

（3）掺加了HCSA膨胀剂的大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化能力随着HCSA膨胀剂掺量的变化而变化。对与粉煤灰掺量为45%的混凝土，与未掺加HCSA膨胀剂的大掺量粉煤灰混凝土相比，6%HCSA膨胀剂掺量的混凝土抗碳化能力最好，而对于粉煤灰掺量为55%的混凝土，8%HCSA膨胀剂掺量的混凝土抗碳化能力最好。

（4）养护7d的混凝土碳化深度在各个龄期均小于未养护混凝土碳化深度，在180天龄期时，养护7d的混凝土碳化深度比未养护的混凝土碳化深度小2mm。

[1] 吴中伟.高性能混凝土—绿色混凝土[J]. 混凝土与水泥制品,2000,(1):3-6.

[2] 薛承开.大掺量粉煤灰混凝土配合比设计方法的研究[J]. 科学之友,2009:16-18.

[3] 唐明述.水泥混凝土与可持续发展[J]. 中国有色金属学报,2004,14(1):164-172.

[4] 刘娟红，宋少民.绿色高性能混凝土技术与工程应用[M].北京：中国电力出版社，2010.7

[5] 孟庆良. 高掺量粉煤灰混凝土的碳化及防止途径[J]. 四川建筑科学研究，2001，27(3)：50-52.

[6] 刘宝举，杨元霞. 大掺量粉煤灰高强混凝土研究[J]. 混凝土，2004，(10)：29-32.

[7] LIU Juanhong，SONG Shaomin，WANG Lin. Durability and Microstructure of Reactive Powder Concrete[J]. Journal Wuhan University Technology-Master，2009，24(3)：506-509.

[8] 李建友. 大掺量粉煤灰高性能混凝土研究及应用[D]. 天津大学硕士学位论文，2005.

[9] 赵顺增，刘立，游宝坤. 补偿收缩混凝土的基本性能[J]. 膨胀剂与膨胀剂混凝土，2009，(1)：52-70.

[10] 赵顺增，刘立. 膨胀剂对掺粉煤灰混凝土碳化的影响及其机理研究[J]. 膨胀剂与膨胀剂混凝土，2008，(2)：17-21.