大摻量粉煤灰混凝土抵抗碳化與鋼筋銹蝕研究

1、大摻量粉煤灰混大摻量粉煤灰混 凝土抵抗碳化與凝土抵抗碳化與 鋼筋銹蝕研究鋼筋銹蝕研究 北京建筑工程學(xué)院北京建筑工程學(xué)院 宋少民宋少民 粉煤灰在混凝土中廣泛應(yīng)用的背景粉煤灰在混凝土中廣泛應(yīng)用的背景 v以高效減水劑為主的混凝土外加劑是現(xiàn)代混 凝土重要的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，是混凝土技術(shù)發(fā) 揮的重要里程碑。 v同時(shí)，也給混凝土帶來了一些問題，主要是 在大流態(tài)下對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響。 一、一、 外加劑與泵送混凝土外加劑與泵送混凝土 減水劑對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響減水劑對(duì)混凝土體積穩(wěn)定性的影響 v但對(duì)摻減水劑的混凝土，早期收縮的影響但對(duì)摻減水劑的混凝土，早期收縮的影響 非常顯著。非常顯著。從裂縫產(chǎn)生的時(shí)間來

2、分析，從裂縫產(chǎn)生的時(shí)間來分析，1d1d 之內(nèi)的早期收縮增大，可能是混凝土開裂之內(nèi)的早期收縮增大，可能是混凝土開裂 的關(guān)鍵因素。的關(guān)鍵因素。 v因此目前的化學(xué)外加劑收縮率比試驗(yàn)方法，因此目前的化學(xué)外加劑收縮率比試驗(yàn)方法， 并沒有完全反映減水劑對(duì)混凝土收縮的并沒有完全反映減水劑對(duì)混凝土收縮的影影 響程度。響程度。 v大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：從初凝至從初凝至24h24h，摻，摻 減水劑混凝土的收縮率比要大得多減水劑混凝土的收縮率比要大得多。 二、追求混凝土的高強(qiáng)度二、追求混凝土的高強(qiáng)度 v在大流態(tài)的同時(shí)，混凝土不斷追求高強(qiáng)在大流態(tài)的同時(shí)，混凝土不斷追求高強(qiáng) 度。度。這樣混凝土在這樣混

3、凝土在早期收縮明顯增大的早期收縮明顯增大的 同時(shí)同時(shí)，由于水泥用量多，溫度變形、干由于水泥用量多，溫度變形、干 縮和自收縮也隨之增加?？s和自收縮也隨之增加。 這樣，泵送混凝土出現(xiàn)頻繁的這樣，泵送混凝土出現(xiàn)頻繁的 開裂，尤其在高強(qiáng)度時(shí)開裂，尤其在高強(qiáng)度時(shí), ,采用高水泥采用高水泥 用量用量, ,解決了強(qiáng)度和泵送施工的要求，解決了強(qiáng)度和泵送施工的要求， 但是但是工程病害和耐久性問題十分突工程病害和耐久性問題十分突 出。出。 v在這樣的大背景下，高性能混凝土技術(shù)開始 出現(xiàn)。其技術(shù)核心是在高效減水劑和礦物細(xì) 粉摻和料兩大物質(zhì)基石上實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)低水膠比低水膠比、低、低 水泥用量、低單位體積用水量等技術(shù)路線水

4、泥用量、低單位體積用水量等技術(shù)路線。 v其中其中礦物細(xì)粉摻和料在低膠比條件下可以達(dá) 到密實(shí)凝膠結(jié)構(gòu)、改善界面、優(yōu)化水化產(chǎn)物 的技術(shù)目標(biāo)。 粉煤灰在混凝土中廣泛應(yīng)用的理由粉煤灰在混凝土中廣泛應(yīng)用的理由 v充填行為和致密作用。充填行為和致密作用。粉煤灰是高溫煅粉煤灰是高溫煅 燒的產(chǎn)物，其顆粒本身很小，且強(qiáng)度很燒的產(chǎn)物，其顆粒本身很小，且強(qiáng)度很 高。高。優(yōu)質(zhì)粉煤灰微細(xì)顆粒分布于水泥漿優(yōu)質(zhì)粉煤灰微細(xì)顆粒分布于水泥漿 體中水泥顆粒之間時(shí)，提高混凝土膠凝體中水泥顆粒之間時(shí)，提高混凝土膠凝 體系的密實(shí)性體系的密實(shí)性。 v需水行為和減水作用。需水行為和減水作用。由于粉煤灰的的由于粉煤灰的的 顆粒大多是球形的玻

5、璃珠，優(yōu)質(zhì)粉煤灰顆粒大多是球形的玻璃珠，優(yōu)質(zhì)粉煤灰 由于其由于其“滾珠軸承滾珠軸承”的作用，可以改善的作用，可以改善 混凝土拌和物的和易性混凝土拌和物的和易性, ,減少混凝土單減少混凝土單 位體積用水量，硬化后水泥漿體干縮小，位體積用水量，硬化后水泥漿體干縮小， 提高混凝土的抗裂性。提高混凝土的抗裂性。 v由于粉煤灰在早期反應(yīng)活性低，降低了混凝土早期 溫升，抑制開裂。大摻量粉煤灰混凝土特別適合大 體積混凝土。 v活性行為和膠凝作用。粉煤灰的活性來源于它所含 的玻璃體，在28天以后他逐漸與水泥水化生成的 Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成低C/S的C-S-H和 C-A-H、水化硫鋁酸鈣，強(qiáng)化了

6、混凝土界面過渡區(qū)， 同時(shí)提高混凝土的后期強(qiáng)度。 v二次水化和較低的水泥熟料量使最終混凝土 中的Ca(OH)2大為減少，C-S-H品質(zhì)提高，更 加密實(shí)?？梢杂行岣呋炷恋挚够瘜W(xué)侵蝕 的能力。 v尤其是粉煤灰的低反應(yīng)活性、比水泥更細(xì)的 微集料效應(yīng)和低需水量比使得大摻量粉煤灰 混凝土逐漸被接受。 未來的混凝土必須未來的混凝土必須從根本上減少水泥熟從根本上減少水泥熟 料用量，必須更多地利用多種工業(yè)廢料作為料用量，必須更多地利用多種工業(yè)廢料作為 其原材料；其原材料；未來的混凝土又必須是未來的混凝土又必須是高性能的，高性能的， 尤其是耐久的。尤其是耐久的。大摻量粉煤灰混凝土就是在大摻量粉煤灰混凝土就是在

7、 這種背景下出現(xiàn)的。這種背景下出現(xiàn)的。 作為發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施最重要的參與者以及作為發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施最重要的參與者以及 地球天然資源的主要消費(fèi)者，地球天然資源的主要消費(fèi)者，混凝土工業(yè)需混凝土工業(yè)需 要重新定向，接受有利于環(huán)境的工藝技術(shù)。要重新定向，接受有利于環(huán)境的工藝技術(shù)。 加拿大大摻量粉煤灰混凝土經(jīng)典試驗(yàn)加拿大大摻量粉煤灰混凝土經(jīng)典試驗(yàn) 強(qiáng)度與耐久性強(qiáng)度與耐久性 抗 壓 強(qiáng) 度 （ M Pa） 1d7d28d90d1n4n10n 10n 后 Cl- 滲 透 性 (庫 侖 ) 145.657.263.463.376.297.399.8237 27.834.049.982.595.61101120 358

8、.463.466.869.179.287.191.2565 441.551.459.975.688.299.4102381 大摻量粉煤灰混凝土對(duì)鋼筋銹蝕的擔(dān)憂大摻量粉煤灰混凝土對(duì)鋼筋銹蝕的擔(dān)憂 v傳統(tǒng)觀念認(rèn)為傳統(tǒng)觀念認(rèn)為摻礦物摻和料加重混凝土碳化；摻礦物摻和料加重混凝土碳化； v傳統(tǒng)認(rèn)為，傳統(tǒng)認(rèn)為，碳化會(huì)降低混凝土的堿度，加速碳化會(huì)降低混凝土的堿度，加速 鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕，涉及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性；涉及混凝土結(jié)構(gòu)耐久性； v對(duì)于碳化和鋼筋銹蝕的擔(dān)憂對(duì)于碳化和鋼筋銹蝕的擔(dān)憂成為大摻量礦物成為大摻量礦物 摻和料的推廣使用的障礙。摻和料的推廣使用的障礙。 試驗(yàn)用原材料試驗(yàn)用原材料 水泥：三河市燕郊新型

9、建材有限公司生產(chǎn)的鉆牌水泥：三河市燕郊新型建材有限公司生產(chǎn)的鉆牌 42.5#普通硅酸鹽水泥普通硅酸鹽水泥 。 粉煤灰：粉煤灰：粉煤灰粉煤灰 。 砂：細(xì)度模數(shù)為砂：細(xì)度模數(shù)為2.4的天然中砂。的天然中砂。 石：石：525mm連續(xù)級(jí)配的天然石子。連續(xù)級(jí)配的天然石子。 減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率為減水劑：聚羧酸高效減水劑，減水率為28%。 大摻量粉煤灰混凝土的配合比大摻量粉煤灰混凝土的配合比(kg/m3) 編號(hào)編號(hào)BF%W/BCFSpSGW外加劑外加劑 F1400 40 0.34 240 160 0.46 844 991 136 1.5% F 2400 40 0.37 240 160 0.46

10、 830 974 148 1.0% F 3400 40 0.40 240 160 0.46 816 958 160 1.0% F 4400 40 0.45 240 160 0.46 792 929 180 1.0% F 5400 50 0.34 200 200 0.46 838 984 136 1.5% F 6400 50 0.37 200 200 0.46 824 967 148 1.0% F 7400 50 0.40 200 200 0.46 809 950 160 1.0% F 8400 50 0.45 200 200 0.46 785 922 180 1.0% F 9400 60 0.

11、34 160 240 0.46 832 976 136 1.4% F 10400 60 0.37 160 240 0.46 817 960 148 1.5% F 11400 60 0.40 160 240 0.46 803 943 160 1.0% F 12400 60 0.45 160 240 0.46 779 915 180 0.8% 大摻量粉煤灰混凝土的配合比大摻量粉煤灰混凝土的配合比(kg/m3) F13 480 40 0.34 288 192 46 776 911 163 1.0% F14 480 40 0.37 288 192 0.46 759 890 178 0.8% F15 4

12、80 40 0.40 288 192 0.46 741 870 192 0.6% F16 480 40 0.45 288 192 0.46 712 836 216 0.5% F17 480 50 0.34 240 240 0.46 768 902 163 1.2% F18 480 50 0.37 240 240 0.46 751 882 178 1.0% F19 480 50 0.40 240 240 0.46 734 861 192 1.0% F20 480 50 0.45 240 240 0.46 705 827 216 0.5% F21 480 60 0.34 192 288 46 76

13、1 893 163 1.1% F22 480 60 0.37 192 288 0.46 743 873 178 1.0% F23 480 60 0.40 192 288 0.46 726 852 192 0.8% F24 480 60 0.45 192 288 0.46 697 819 216 0.4% 編號(hào)編號(hào)F%W/B W (kg/m3) 坍落度坍落度 (mm) 28天天 (MPa) 90天天 (MPa) 270天天 (MPa) F1400.3413619558.667.785.3 F2400.3714816557.565.377.7 F3400.4016018047.856.772.3

14、F4400.4518021544.051.468.0 F5500.3413618054.559.272.7 F6500.3714817048.555.364.2 F7500.4016021541.846.363.2 F8500.4518022536.240.253.8 F9600.3413616542.548.157.4 F10600.3714819538.043.256.0 F11600.4016017038.342.753.0 F12600.4518019530.237.650.7 混凝土的抗壓強(qiáng)度性能混凝土的抗壓強(qiáng)度性能 F13400.34 163 23059.5 66.7 81.6 F

15、14400.37 178 23558.7 65.8 73.5 F15400.40 192 20048.0 56.1 71.6 F16400.45 216 21542.9 52.8 65.5 F17500.34 163 21051.0 59.8 71.6 F18500.37 178 18046.7 51.5 70.8 F19500.40 192 21540.0 49.5 64.4 F20500.45 216 20031.2 40.0 54.9 F21600.34 163 23547.3 57.8 72.5 F22600.37 178 24039.0 43.7 62.7 F23600.40 192

16、 23534.7 41.1 58.6 F24600.45 216 16029.3 39.9 55.2 混凝土的抗壓強(qiáng)度性能混凝土的抗壓強(qiáng)度性能 組號(hào)F%W/B 碳化深度 (mm)組號(hào)F%W/B 碳化深度 (mm) F140 0.34 1.1F2540 0.34 6.2 F240 0.37 4.6F2640 0.37 7.8 F340 0.40 4.2F2740 0.40 8.1 F440 0.45 10.4F2840 0.45 9.1 F550 0.34 2.4F2950 0.34 4.9 F650 0.37 4.4F3050 0.37 7.3 F750 0.40 5.9F3150 0.40

17、9.2 F850 0.45 11.9F3250 0.45 14.0 F960 0.34 7.5F3360 0.34 6.2 F1060 0.37 8.1F3460 0.37 7.9 F1160 0.40 9.5F3560 0.40 10.3 F1260 0.45 13.3F3660 0.45 12.9 大 摻 量 粉 煤 灰 混 凝 土 碳 化 性 能 水膠比在水膠比在0.340.40，粉煤灰摻量在，粉煤灰摻量在 40% 60%的大摻量粉煤灰混凝土的大摻量粉煤灰混凝土28天抗碳天抗碳 化能力基本良好，化能力基本良好，碳化深度低碳化深度低10mm 。膠凝材料膠凝材料 用量為用量為400kg/m3

18、，粉煤灰摻量不超過，粉煤灰摻量不超過50%，水，水 膠比不大于膠比不大于0.40時(shí)，大摻量粉煤灰混凝土?xí)r，大摻量粉煤灰混凝土28天天 最大碳化深度為最大碳化深度為5.9mm，最小碳化深度為最小碳化深度為 1.1mm。 (a) W/B為為0.34 (F1) (b) W/B為為0.37 (F2) (c) W/B為為0.40(F3) 圖圖15 混凝土的混凝土的28天碳化天碳化(粉煤灰摻量粉煤灰摻量40%) (a) W/B為為0.34 (F5) (b) W/B為為0.37 (F6) (c) W/B為為0.40 (F7) 圖圖16混凝土的混凝土的28天碳化天碳化(粉煤灰摻量粉煤灰摻量50%) l活性粉末

19、混凝土抗碳化性能試驗(yàn)活性粉末混凝土抗碳化性能試驗(yàn) 圖圖17 膠凝材料為膠凝材料為400kg/m3 時(shí)混凝土的碳化性能時(shí)混凝土的碳化性能 大 摻 量 粉 煤 灰 高 性 能 混 凝 土 研 究 碳化深度減小碳化深度減小 粉煤灰摻量減少粉煤灰摻量減少 水膠比降低水膠比降低 無銹蝕無銹蝕 失重率失重率0.25圖18 混凝土中無銹蝕鋼筋 大摻量粉煤灰混凝土鋼筋銹蝕試驗(yàn)大摻量粉煤灰混凝土鋼筋銹蝕試驗(yàn) 銹蝕 弱 強(qiáng) 7mm 12mm 0.250.40 0.41 (F4) 0.45 (F28) 0.79 (F28) 鋼筋失重率 圖19 混凝土中銹蝕鋼筋 試驗(yàn)結(jié)論試驗(yàn)結(jié)論 v鋼筋保護(hù)層厚度為鋼筋保護(hù)層厚度為20mm20mm時(shí)，時(shí)，水膠比在水膠比在 0.340.340.450.45，粉煤灰摻量在，粉煤灰摻量在40% 40% 60%60%， 膠凝材料用量為膠凝材料用量為400 400 480kg/m480kg/m3 3的大摻的大摻 量粉煤灰混凝土可以保證鋼筋不銹蝕。量粉煤灰混凝土可以保證鋼筋不銹蝕。 (a) 保護(hù)層為12mm (b) 保護(hù)層為7mm 圖20 膠凝材料為400kg/m3時(shí)的鋼筋銹蝕失重率 大 摻 量 粉 煤 灰 高 性 能 混 凝 土 研 究 鋼 筋 銹 蝕 試 驗(yàn) (a) 保護(hù)層為12mm (b) 保護(hù)層為7mm 圖21 膠凝材料為480kg/m3時(shí)的鋼筋銹蝕失重率 大 摻 量