掺合料对混凝土早期碳化深度影响的试验研究

掺合料对混凝土早期碳化深度影响的试验研究

张成中，孙广帅，胡晓鹏，张永利

(

西安建筑科技大学土木工程学院，西安

710055)

摘要:通过自然暴露环境条件下掺合料混凝土的早期碳化试验，分析了粉煤灰掺量、矿渣掺量、煤矸石掺量对单掺 混凝土碳化深度的影响规律，探讨了双掺掺合料对混凝土碳化深度发展规律的交互作用，并基于试验数据建立了 掺合料碳化速度影响系数的表达式。结果表明:单掺粉煤灰掺量小于15%时混凝土的碳化深度略有减小但掺量超 过15%后碳化深度随粉煤灰掺量的增加而增加，单掺矿渣混凝土的碳化深度随矿渣掺量的增加而增加，单掺小于 20%的煤矸石使混凝土早期抗碳化性能提高但掺入超过30%的煤矸石后混凝土碳化深度明显增加;随着粉煤灰掺

量的增加，双掺粉煤灰和矿渣、双掺粉煤灰和煤矸石的混凝土碳化深度增加，在粉煤灰混凝土中掺入25%矿渣或 20%煤矸石后混凝土的碳化深度变化较小;在煤矸石混凝土中掺入25%〜40%的矿渣时混凝土的碳化深度无明显

变化但再掺入超过40%的矿渣时碳化深度明显增大，在矿渣混凝土中掺入20%煤矸石后混凝土的碳化深度增长 约 40%。

关键词:混凝土；掺合料；碳化深度；掺合料碳化速度影响系数中图分类号:TU528. 37

文献标识码:A

文章编号:1001-1625 (2017)01-0282-06

Experimental Research on Influence of Concrete

Early Carbonation Depth by Admixture

ZHANG Cheng-zhong，SUN Guang-shuai，HU Xiao-peng，ZHANG Yong-li

(School of Civil Engineering, Xian University of Architecture and Technology, Xian 710055 , China)

Abstract： Through the carbonation test of admixture concrete under natural exposure condition, the influence laws of fly ash content, slag content, coal gangue content on the carbonation depth of concrete were analyzed, and the interaction of double-mixed admixtures on the concrete carbonation depth was also discussed. On basis of experimental data, an expression of the influence coefficient of mineral admixture on carbonation speed was established. The results show that the carbonation depth of concrete decreases slightly when the content of single mixing fly ash is less than 15% , and concrete carbonation depth increases with the increase of fly ash content after its content is more than 15%. The carbonation depth of slag powder concrete increases with the increase of slag content. The anti-carbonation performance of concrete increases when the content of single mixing coal gangue is less than 20% , while mixed with more than 30% of coal gangue, the concrete carbonation depth increases significantly. Along with the increase of fly ash content, the carbonation depth of both concrete mixed with fly ash and slag powder and concrete mixed with fly ash and coal gangue increases, concrete carbonation depth changes smaller after

基金项目：国家自然科学基金（51308441，51678473);陕西省自然科学基础研究计划（2016JM5073);陕西省教育厅专项科研计划项目

(2013JK0951)

作者简介:张成中（1974-)男，博士，副教授.主要从事混凝土结构耐久性方面的研究.通讯作者:胡晓鹏，博士，副教授.

第1期张成中等:掺合料对混凝土早期碳化深度影响的试验研究

283

in the fly ash concrete adding 25% slag or 20% coal gangue. In the coal gangue concrete adding 25 % - 40% slag powder, the concrete carbonation depth has no obvious change, while the carbonation depth increases obviously when it mixed with more than 40% of slag powder. In the slag powder concrete adding 20% coal gangue, the concrete carbonation depth will increase by about 40%.

Key words： concrete； admixture； carbonation depth； influence coefficient of mineral admixture on carbonation speed

1引言

碳化会降低混凝土材料的碱性，减弱混凝土结构的耐久性，减少混凝土结构的使用寿命。与传统混凝土

相比，掺合料混凝土的碳化过程表现出巨大的差异，尤其是早期碳化速度极快，掺合料混凝土的早期碳化问 题已引起诸多学者和工程界专业人士的普遍关注[1_2]。对于掺合料混凝土在正常使用阶段的碳化性能，国内 外学者通过试验研究、理论分析、实际工程调查等多种方法研究了掺合料对混凝土碳化机理和发展规律的影 响[3_7]，这些研究均基于掺合料混凝土材料早期没有碳化深度这一假定，与商品混凝土早期碳化发展极快这 一事实明显不符。文献[8]通过现场暴露试验建立了粉煤灰混凝土浇筑后300 d内的碳化发展规律，分析了 养护时间对其发展规律的影响及不同浇筑面早期碳化深度发展的差异。文献[9-10]通过自然暴露试验研究 了掺粉煤灰和矿渣的混凝土早期碳化发展规律，建立了混凝土强度、渗透性和孔结构与碳化深度间的关系。 目前掺合料在混凝土中的使用越来越广泛，新型掺合料种类（如煤矸石粉等)不断涌现[11]，大掺量混凝土、复 合掺合料混凝土被应用于实际工程。然而，多种掺合料混合掺入对混凝土早期碳化发展规律的交互影响方 面的研究较少，煤矸石粉这种新型掺合料对早期碳化性能的影响尚不清楚。

本文通过自然暴露条件下单掺或复掺粉煤灰、矿渣、煤矸石混凝土的早期碳化试验，分析粉煤灰掺量、矿 渣掺量、煤矸石掺量对单掺混凝土碳化深度发展规律的影响，以及双掺、三掺矿物掺合料对混凝土碳化深度 发展的交互作用。本文的研究成果对于掺合料混凝土的早期碳化控制、煤矸石混凝土的合理使用具有重要 的理论依据。

2

2.1

试验

原材料

水泥:中国建筑材料科学研究总院生产的基准水泥，其物理性能指标见表1。掺合料:粉煤灰为n级灰， 细度模数、烧失量分别为〇. 18、5% ;矿渣为S105级矿渣;煤矸石粉为秦岭水泥集团燃烧活化过的自然矸石; 水泥及掺合料X射线荧光光谱(XRF)分析结果见表2。细骨料:沣河河沙，细度模数2.9,堆积密度1450 kg/ m3。粗骨料:粒径为5〜16 mm的碎石，压碎指标为12%，堆积密度为1400〜1700 kg/m3。高效减水剂:聚羧 酸高性能减水剂，减水效果在20%左右，1 h内无塌落度损失，掺入量为胶凝材料质量的1%。

表1基准水泥物理性能

Tab. 1 Physical performance of reference cement

Fineness0.08/%0.3

Density/(g/cm3)

3.14

Specific surfacearea/( m2/kg)

351

Normalconsistency/ %25.0

Soundness/mm0.5

Setting time/min

Initial setting

170

Final setting

220

Flexural strengthof 3 d/MPa

5.5

Compreeive strength

of 3 d/MPa

28.2

表2

MaterialCementFly ashSlagCoal gangue

Si0221.1947.5529.7335.83

A12034.7226.2913.1121.36

水泥与掺合料XRF分析结果

CaO62.397.3936.14.14

Fe2033.424.0.273.82

MgO2.510.767.333.86

S032.810.821.222.77

Na200.550.610.560.13

CL\"0.010/0.0490.015

Tab. 2 XRF analysis results of cement and admixture

284 试验与技术

硅酸盐通报

第36卷

12混凝土配合比及强度

本次试验掺合料混凝土分单掺混凝土和双掺混凝土两种。其中，单掺掺合料分单掺粉煤灰、单掺矿渣、 单掺煤矸石，粉煤灰掺量（掺合料质量占胶凝材料质量的百分比，下同）为15%、30%和45%，矿渣掺量为 25%、40%和55%，煤矸石掺量为10%、20%和30% ;双掺混凝土分双掺粉煤灰和矿渣、双掺粉煤灰和煤矸 石、双掺矿渣和煤矸石，双掺粉煤灰和矿渣时矿渣掺量为25%不变而调整粉煤灰掺量，双掺粉煤灰和煤矸石 时煤矸石掺量为20%不变而调整粉煤灰掺量，双掺矿渣和煤矸石时煤矸石掺量为20%不变而调整矿渣掺 量。各种掺合料混凝土的配合比及其在标准养护条件下的立方体抗压强度见表3,表中F、S、G分别代表粉 煤灰、矿渣、煤矸石。

表3

掺合料混凝土的配合比及强度

Strength of concrete/MPa

Coalgangue

Tab. 3 Mix proportions and strength of mineral admixture concrete

Quality of differentcomposition/ ( kg/m3 )

Admixture content

No.

Water

Cement

Sand

Aggregate

Water

reducingagent

Normal concrete

F15%F30%F45%S25%S40%S55%G10%G20%G30%F15%，S25%F30%，S25%F45%，S25%F15%，G20%F30%，G20%F45%，G20%S25%，G20%S40% ,G20%S55% ,G20%

OCFC1FC2FC3SCISC2SC3GC1GC2GC3FSC1FSC2FSC3FGC1FGC2FGC3SGC1SGC2SGC3

3202722241762401921442882562241921449620816011217612880

725725725725725725725725725725725725725725725725725725725

1185118511851185118511851185118511851185118511851185118511851185118511851185

170170170170170170170170170170170170170170170170170170170

3.23.23.23.23.23.23.23.23.23.23.23.23.23.23.23.23.23.23.2

4614446144

80128176808080

46144

80128176

3296

Fly ash

Slag

7 d28 d

25.423.320.010.425.025.123.522.521.820.122.419.318.915.414.411.124.921.218.3

34.631.028.513.029.031.231.124.023.923.930.329.529.422.522.319.731.830.324.5

2.3试件制备与养护方法

混凝土按试验配合比拌制完成后，用强制式搅拌机搅拌2 min再振动成型，采用100 mm X 100 mm X 400

mm

的试件，试件于24 h后脱模;在标准养护室内养护1 d后放置于室内自然环境(温度:（25 ±3) 湿度:

59% ± 10% )养护至180 d，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009)的技术要求进行混凝土碳化深度测试[12]。

3结果与讨论

不同粉煤灰掺量、矿渣掺量、煤矸石掺量混凝土的碳化深度试验结果见图1。从图中可以看出：

(1)当粉煤灰掺量小于15%时，粉煤灰的掺入使混凝土碳化深度略有减小;当粉煤灰掺量超过15%后，

3.1单掺掺合料混凝土早期碳化规律分析

粉煤灰混凝土的碳化深度随着粉煤灰掺量的增加而增加，且其碳化深度的增长幅度与粉煤灰掺量的增加近 似呈线性关系。掺量15%的粉煤灰混凝土的碳化深度为普通混凝土碳化深度的0. 95倍;粉煤灰掺量为 30%、45%的混凝土 180 d时的碳化深度为普通混凝土的1.45倍、1.80倍。

第1期张成中等:掺合料对混凝土早期碳化深度影响的试验研究

285

(2) 矿渣掺量不超过25%时，矿渣掺量对混凝土的碳化深度影响并不明显;矿渣掺量超过25%后，矿渣

混凝土的碳化深度随矿渣掺量的增加而增大，且碳化深度增大幅度随矿渣掺量的增加而近似线性增大。掺

量为25%的矿渣混凝土的碳化深度是普通混凝土碳化深度的1.08倍;掺量为40%、55%的矿渣混凝土的碳 化深度分别是普通混凝土碳化深度的1.19倍、1.48倍。

(3)

当煤矸石掺量不超过20%时，煤矸石的掺入使混凝土的早期碳化深度减小，且掺量10%、20%的混

凝土碳化深度接近;煤矸石掺量超过30%时，混凝土的碳化深度明显增加。掺量为10%和20%的煤矸石混 凝土碳化深度分别是普通混凝土碳化深度的〇• 倍、0• 65倍;掺量为30%的煤矸石混凝土碳化深度是普通 混凝土碳化深度的1.35倍。因此，掺入不超过20%的煤矸石将会使混凝土的早期抗碳化性能提高。

这是因为:当掺合料掺量较小时，随着掺合料掺量的增大，试件内部毛细孔被细化，曲折度增大，(：02渗 透系数减小，碳化速度减慢，碳化产物量降低，碳化速度减慢;但当掺合料掺量较大时，掺合料颗粒堆积效应 减弱，试件毛细孔含量增大，碳化速度加快。

Ss/qjd3psla/q.9

3.2双掺掺合料混凝土早期碳化规律分析

图2给出了双掺掺合料混凝土碳化深度的变化情况。从图中可以看出：

9

s

tK^E,!Dpc}.2l«noqiBu

m.si3u8 7 6 5 4 3 12 o

加而增加，且其增加幅度在粉煤灰掺量超过30%后明显增大;与混凝土 SCI相比，在

15%、30%、45%的粉煤灰，其180〇1的混凝土碳化深度分别增加了16%、45%、103%。对比图2(3)与图1 (a)可知，与单掺粉煤灰混凝土的碳化深度相比，在粉煤灰混凝土中再掺入25%矿渣后混凝土的碳化深度不 同程度增大;再掺入25%矿渣后，掺15%、30%、45%粉煤灰的混凝土碳化深度分别增加了 31%、8%、22%。

(2)

从图2(b)中可知，在煤矸石混凝土 GC2中再掺入粉煤灰，则混凝土碳化深度随着粉煤灰掺量的增

GC2

加而线性增加;与混凝土 GC2相比，在

luuf/lqid^MIsuoq.J3ffiJ

Ir'^oBaoqiBu

备 —

Pli^eod

OC FCl FC2 FC3OC SCI SC2 SC3OC GC1 GC2 GC3

图1单掺掺合料混凝土的早期碳化深度(a)单掺粉煤灰;（b)单掺矿渣;（c)单掺煤矸石

Fig. 1 Early carbonation depth of single-mix admixture concrete

SCI FSCi FSC2 FSC3 GC2 FGC\\ FGC2 FGC3 GC2 SGC1 SGC2 FGC3

图2双掺掺合料混凝土的早期碳化深度(a)双掺粉煤灰和矿渣;（b)双掺粉煤灰和煤矸石;（c)双掺矿渣和煤矸石

Fig. 2 Early carbonation depth of double-mix admixture concrete

(1) 从图2(a)中可知，在矿渣混凝土 SCI中再掺入粉煤灰，则混凝土的碳化深度随着粉煤灰掺量的增

SCI混凝土中再掺入

混凝土中再掺入15%、30%、45%的粉煤灰，其碳化深度分别增

286 试验与技术硅酸盐通报

第36卷

加了 85%、149%、211%。对比图2(b)与图1 (b)可知，与单掺粉煤灰的混凝土碳化深度相比，在粉煤灰混凝 土中再掺入20%煤矸石对混凝土的碳化深度的影响较小;再掺入20%煤矸石后，掺15%、30%、45%粉煤灰 的混凝土碳化深度分别增加了 26%、12%、13%。

(3)从图2(c)中可知，在煤矸石混凝土 GC2中再掺入25%〜40%的矿渣时，混凝土碳化深度增加了 127%〜151%;但再掺入55%矿渣后，其碳化深度增长了 228%。对比图2(c)与图1(c)可知，与单掺矿渣的 混凝土碳化深度相比，掺25%、40%、55%矿渣的混凝土再掺入20%煤矸石后的碳化深度均增加了 40%左 右。

原因分析:与单掺混凝土相比，双掺混凝土随着总掺合量的增加，掺合料混凝土的可碳化物质减少明显， 碳化速度加快;但由于各掺合料的颗粒大小、分布不同，各种掺合料颗粒互相填充、堆积，导致混凝土的毛细 孔隙发生不同程度的变化，C02和水分的渗透性发生变化，碳化速度变化程度差异较大。3.3掺合料碳化速度影响系数

把掺合料混凝土的的碳化深度与不掺掺合料的普通混凝土的碳化深度相比，将其比值定义为掺合料碳 化速度影响系数在对本试验大量数据的分析整理基础上，参考文献[13-14]的研究成果，采用回归拟合 得到掺合料碳化速度影响系数L的表达式为

km = (l +1.7/?f)(1 +0.768/?s)(1 +9. 0/?2g-1.52/?g)

(1)

式中为掺合料碳化速度影响系数;'为粉煤灰质量、矿渣质量、煤矸石质量占胶凝材料质量的百 分比。

将计算模型（1)的计算结果与本文的试验结果进行对比发现，与试验数据的相关系数为0. 915，误差在 15%以内。将计算模型（1)的计算结果与课题组前期试验结果[8]进行对比发现，试验值与公式（1)的计算值 的比值的平均值为1.005、标准差为0.388、变异系数为0.386。选取与本试验条件相近的北京地区187组自 然碳化试验数据(文献[9-10])，与公式（1)的计算结果对比发现，文献[11 ]试验值与计算值的比值的平均值 为1 • 012、标准差为0• 394、变异系数为0• 301;文献[12 ]试验值与计算值的比值的平均值为1 • 048、标准差为 0.474、变异系数为0.380。综上可以看出，本文的计算模型与课题组的两次试验结果、文献[9-10]的试验结 果接近。

4结论

(1)

当粉煤灰掺量小于15%时，粉煤灰的掺入使混凝土的碳化深度略有减小，粉煤灰掺量超过15%后，

粉煤灰混凝土的碳化深度随着粉煤灰掺量的增加而增加，且两者呈线性关系;矿渣混凝土的碳化深度随着矿 渣掺量的增加而增加，且碳化深度的增加幅度随矿渣掺量的增加而不断增大;掺入不超过20%的煤矸石使 混凝土的早期抗碳化性能有所提高，掺入超过30%的煤矸石时，混凝土的碳化深度明显增加；

(2)

在双掺粉煤灰和矿渣的混凝土中，混凝土的碳化深度随着粉煤灰掺量的增加而增加，其增加幅度在

粉煤灰掺量超过30%时明显增大;与单掺粉煤灰混凝土相比，在其中再掺入25%矿渣后，混凝土的碳化深度 并无太大变化；

(3)

在双掺粉煤灰和煤矸石的混凝土中，混凝土的碳化深度随着粉煤灰掺量的增加而增加，且粉煤灰掺

量对混凝土碳化深度的增加呈线性影响;与单掺粉煤灰混凝土相比，在其中再掺入20%煤矸石后，混凝土的 碳化深度变化较小；

(4) 在双掺矿渣和煤矸石的混凝土中，煤矸石混凝土再掺入25%〜40%的矿渣时，混凝土的碳化深度随 着矿渣掺量的增加并无太大变化，在煤矸石混凝土中再掺入超过40%的矿渣时，混凝土的碳化深度明显加 大;与单掺矿渣的混凝土相比，在其中再掺入20%煤矸石后的碳化深度均增长了约40%。

参考文献

[1 ]

Atis C D. Accelerated carbonation and testing of concrete made with fly ash[ J]. Constr. Build Mater. ,2003 ,17(3) ： 147-152.

第1期

[2] [3]

张成中等:掺合料对混凝土早期碳化深度影响的试验研究

287

Khana M I,Lynsdale C J. Strength,permeability and carbonation of high-performance concrete[ J]. Cem. Conor. Res. ,2002,32( 1) ：123-131.Sisomphon K,Franke L. Carbonation rates of concretes containing high volume of pozzolanic materials [ J]. Cem. Conor. Res. ,2007,37 ( 12)： 17-1653.

[4[5]

] 王培铭，朱艳芳，计亦奇，等.掺粉煤灰和矿渣粉大流动度混凝土的碳化性能[J].建筑材料学报，2001，4(4) :305-310.

Jones M R,Dhir R K,Magee B J. Concrete containing ternary blended binders：resistance to chloride ingress and carbonation[ J]. Cem. Conor.

Res. ,1997,27(6) ：825-831.

[6]

Sulaphal P,Wong S F,Wee T H,et al. Carbonation of concrete containing mineral admixtures [ J ]. Jour. Mater. Civil Eng. ,2003,15(2) ：134- 143.

[7] 宋华，牛荻涛，李春晖.矿物掺合料混凝土碳化性能试验研究[J].硅酸盐学报，2009，37(12) :2066-2070.

[8] 胡晓鹏，牛荻涛，张永利.粉煤灰混凝土早期碳化规律研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2012,44(6) :805-810.[9] 胡建军.掺粉煤灰和矿渣粉混凝土的碳化行为及其影响因素的研究[D].北京:清华大学，2010.[10] [11]

[12] [13][14]

贾耀东.大掺量矿物掺合料混凝土的碳化特性研究[D].北京:清华大学，2010.张世诚.加快推进煤矸石资源化综合利用的步伐[J].煤炭技术，2009，28( 1) :191-192.

GB/T50082-2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S]. 2009.

王崇革，李强.基于扩散理论的双掺混凝土碳化模型转换研究[J].混凝土，2013,（1) :55-57.

Chang C F,Chen J W. The experimental investigation of concrete carbonation depth[ J]. Cem. Conor. Res. ,2006 ,36(9) ： 1760-1767.

(上接第281页）

[2[3 ]

]

杜荣归，刘玉，林昌健.氯离子对钢筋腐蚀机理的影响及其研究进展[J

].

材料保护，2006,06:45-50 +83.

Nilsson L 0,Massat M,Tang L. The effect of non-linear chloride binding on the prediction of chloride penetration into concrete structures[ A]. In： Malhotra V M ed. Durability of Concrete[C]. Detroit ： American Concrete Institute, ACI SP-145,1994 ：469486.

[4[5

] 郭亚楠，勾密峰，李晓帆，等.粉煤灰对混凝土中氯离子扩散与固化性能的影响[J].混凝土，2014,06:6244.] 曾俊杰，王胜年，范志宏，等.偏高岭土改善海工混凝土抗氯离子侵蚀性的效果及机理[J].

武汉理工大学学报，2015，04:22-28.

[6] 陈友治，殷伟淞，孙涛，等.高掺量矿物掺合料对水泥基材料固化氯离子能力的影响[>1].硅酸盐通报，2016,35(06):16-1668.

[7[8]

] 史才军，P. V. Krivenko，DellaRo.碱-激发水泥和混凝土[M].

北京:化学工业出版社，2008:5-24.

Jin F,Gu K,Abdollahzadeh A,A1-Tabbaa A. Effect of different reactive MgOs on the hydration of MgO-activated ground granulated blastfurnace slag paste. J Mater Civ Eng 2014.

[9] [10]

Yi Y,Liska M,A1-Tabbaa A. Properties and microstructure of GGBS-magnesia pastes[ J]. Advances in Cement Research,2014,26(2) ： 114-122.Wang S D, Scrivener K L, Pratt P L. Factors affecting the strength of alkali-activated slag[ J]. Cement and Concrete Research ,1994,24(6) ：1033-1043.

[11 ] [12]

Bakharev T,Sanjayan J G, Cheng Y B. Alkali activation of Australian slag cements [J]. Cement and Concrete Research ,1999,29(1) ： 113-120.Song S,Sohn D, Jennings H M,et al. Hydration of alkali-activated ground granulated blast furnace slag[ J]. Journal of Materials -Science, 2000,35 (1) ：249-257.

[13] Gu K,Jin F,A1-Tabbaa A,et al. Mechanical and hydration properties of ground granulated blastfurnace slag pastes activated with MgO-CaO mixtures[ J]. Construction and Building Materials ,2014,69 ：101-10S.[14] Suryavanshi A K, Scantlebury J D,Lyon S B. The binding of chlorideions by sulphate resistan portland cement [J]. Cementand Concrete Research, 1995,25(3) :581-592.

[15]

Bellmann F,Stark J. Activation of blast furnace slag by a new method[ J]. Cement and Concrete Research,2009 ,39(S) ：4-650.

[16] [17]

廉慧珍，童良，陈思义.建筑材料物相研究基础[

M].

北京:清华大学出版社，1996.

D].

张程浩.含A1203掺合料对水泥浆C1 _固定能力的影响及其机理[北京:北京工业大学，2015.