大掺量粉煤灰混凝土抵抗碳化与钢筋锈蚀研究

1、大掺量粉煤灰混大掺量粉煤灰混 凝土抵抗碳化与凝土抵抗碳化与 钢筋锈蚀研究钢筋锈蚀研究 北京建筑工程学院北京建筑工程学院 宋少民宋少民 粉煤灰在混凝土中广泛应用的背景粉煤灰在混凝土中广泛应用的背景 v以高效减水剂为主的混凝土外加剂是现代混 凝土重要的物质基础之一，是混凝土技术发 挥的重要里程碑。 v同时，也给混凝土带来了一些问题，主要是 在大流态下对混凝土体积稳定性的影响。 一、一、 外加剂与泵送混凝土外加剂与泵送混凝土 减水剂对混凝土体积稳定性的影响减水剂对混凝土体积稳定性的影响 v但对掺减水剂的混凝土，早期收缩的影响但对掺减水剂的混凝土，早期收缩的影响 非常显著。非常显著。从裂缝产生的时间来

2、分析，从裂缝产生的时间来分析，1d1d 之内的早期收缩增大，可能是混凝土开裂之内的早期收缩增大，可能是混凝土开裂 的关键因素。的关键因素。 v因此目前的化学外加剂收缩率比试验方法，因此目前的化学外加剂收缩率比试验方法， 并没有完全反映减水剂对混凝土收缩的并没有完全反映减水剂对混凝土收缩的影影 响程度。响程度。 v大量的实验结果表明：大量的实验结果表明：从初凝至从初凝至24h24h，掺，掺 减水剂混凝土的收缩率比要大得多减水剂混凝土的收缩率比要大得多。 二、追求混凝土的高强度二、追求混凝土的高强度 v在大流态的同时，混凝土不断追求高强在大流态的同时，混凝土不断追求高强 度。度。这样混凝土在这样混

3、凝土在早期收缩明显增大的早期收缩明显增大的 同时同时，由于水泥用量多，温度变形、干由于水泥用量多，温度变形、干 缩和自收缩也随之增加。缩和自收缩也随之增加。 这样，泵送混凝土出现频繁的这样，泵送混凝土出现频繁的 开裂，尤其在高强度时开裂，尤其在高强度时, ,采用高水泥采用高水泥 用量用量, ,解决了强度和泵送施工的要求，解决了强度和泵送施工的要求， 但是但是工程病害和耐久性问题十分突工程病害和耐久性问题十分突 出。出。 v在这样的大背景下，高性能混凝土技术开始 出现。其技术核心是在高效减水剂和矿物细 粉掺和料两大物质基石上实现实现低水胶比低水胶比、低、低 水泥用量、低单位体积用水量等技术路线水

4、泥用量、低单位体积用水量等技术路线。 v其中其中矿物细粉掺和料在低胶比条件下可以达 到密实凝胶结构、改善界面、优化水化产物 的技术目标。 粉煤灰在混凝土中广泛应用的理由粉煤灰在混凝土中广泛应用的理由 v充填行为和致密作用。充填行为和致密作用。粉煤灰是高温煅粉煤灰是高温煅 烧的产物，其颗粒本身很小，且强度很烧的产物，其颗粒本身很小，且强度很 高。高。优质粉煤灰微细颗粒分布于水泥浆优质粉煤灰微细颗粒分布于水泥浆 体中水泥颗粒之间时，提高混凝土胶凝体中水泥颗粒之间时，提高混凝土胶凝 体系的密实性体系的密实性。 v需水行为和减水作用。需水行为和减水作用。由于粉煤灰的的由于粉煤灰的的 颗粒大多是球形的玻

5、璃珠，优质粉煤灰颗粒大多是球形的玻璃珠，优质粉煤灰 由于其由于其“滚珠轴承滚珠轴承”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, ,减少混凝土单减少混凝土单 位体积用水量，硬化后水泥浆体干缩小，位体积用水量，硬化后水泥浆体干缩小， 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应活性低，降低了混凝土早期 温升，抑制开裂。大掺量粉煤灰混凝土特别适合大 体积混凝土。 v活性行为和胶凝作用。粉煤灰的活性来源于它所含 的玻璃体，在28天以后他逐渐与水泥水化生成的 Ca(OH)2发生二次水化反应，生成低C/S的C-S-H和 C-A-H、水化硫铝酸钙，强化了

6、混凝土界面过渡区， 同时提高混凝土的后期强度。 v二次水化和较低的水泥熟料量使最终混凝土 中的Ca(OH)2大为减少，C-S-H品质提高，更 加密实。可以有效提高混凝土抵抗化学侵蚀 的能力。 v尤其是粉煤灰的低反应活性、比水泥更细的 微集料效应和低需水量比使得大掺量粉煤灰 混凝土逐渐被接受。 未来的混凝土必须未来的混凝土必须从根本上减少水泥熟从根本上减少水泥熟 料用量，必须更多地利用多种工业废料作为料用量，必须更多地利用多种工业废料作为 其原材料；其原材料；未来的混凝土又必须是未来的混凝土又必须是高性能的，高性能的， 尤其是耐久的。尤其是耐久的。大掺量粉煤灰混凝土就是在大掺量粉煤灰混凝土就是在

7、 这种背景下出现的。这种背景下出现的。 作为发展基础设施最重要的参与者以及作为发展基础设施最重要的参与者以及 地球天然资源的主要消费者，地球天然资源的主要消费者，混凝土工业需混凝土工业需 要重新定向，接受有利于环境的工艺技术。要重新定向，接受有利于环境的工艺技术。 加拿大大掺量粉煤灰混凝土经典试验加拿大大掺量粉煤灰混凝土经典试验 强度与耐久性强度与耐久性 抗 压 强 度 （ M Pa） 1d7d28d90d1n4n10n 10n 后 Cl- 渗 透 性 (库 仑 ) 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 大掺量粉煤灰混凝土对钢筋锈蚀的担忧大掺量粉煤灰混凝土对钢筋锈蚀的担忧 v传统观念认为传统观念认为掺矿物掺和料加重混凝土碳化；掺矿物掺和料加重混凝土碳化； v传统认为，传统认为，碳化会降低混凝土的碱度，加速碳化会降低混凝土的碱度，加速 钢筋锈蚀，钢筋锈蚀，涉及混凝土结构耐久性；涉及混凝土结构耐久性； v对于碳化和钢筋锈蚀的担忧对于碳化和钢筋锈蚀的担忧成为大掺量矿物成为大掺量矿物 掺和料的推广使用的障碍。掺和料的推广使用的障碍。 试验用原材料试验用原材料 水泥：三河市燕郊新型

9、建材有限公司生产的钻牌水泥：三河市燕郊新型建材有限公司生产的钻牌 42.5#普通硅酸盐水泥普通硅酸盐水泥 。 粉煤灰：粉煤灰：粉煤灰粉煤灰 。 砂：细度模数为砂：细度模数为2.4的天然中砂。的天然中砂。 石：石：525mm连续级配的天然石子。连续级配的天然石子。 减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为减水剂：聚羧酸高效减水剂，减水率为28%。 大掺量粉煤灰混凝土的配合比大掺量粉煤灰混凝土的配合比(kg/m3) 编号编号BF%W/BCFSpSGW外加剂外加剂 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% 大掺量粉煤灰混凝土的配合比大掺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% 编号编号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 混凝土的抗压强度性能混凝土的抗压强度性能 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 混凝土的抗压强度性能混凝土的抗压强度性能 组号F%W/B 碳化深度 (mm)组号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 掺 量 粉 煤 灰 混 凝 土 碳 化 性 能 水胶比在水胶比在0.340.40，粉煤灰掺量在，粉煤灰掺量在 40% 60%的大掺量粉煤灰混凝土的大掺量粉煤灰混凝土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 。胶凝材料胶凝材料 用量为用量为400kg/m3

18、，粉煤灰掺量不超过，粉煤灰掺量不超过50%，水，水 胶比不大于胶比不大于0.40时，大掺量粉煤灰混凝土时，大掺量粉煤灰混凝土28天天 最大碳化深度为最大碳化深度为5.9mm，最小碳化深度为最小碳化深度为 1.1mm。 (a) W/B为为0.34 (F1) (b) W/B为为0.37 (F2) (c) W/B为为0.40(F3) 图图15 混凝土的混凝土的28天碳化天碳化(粉煤灰掺量粉煤灰掺量40%) (a) W/B为为0.34 (F5) (b) W/B为为0.37 (F6) (c) W/B为为0.40 (F7) 图图16混凝土的混凝土的28天碳化天碳化(粉煤灰掺量粉煤灰掺量50%) l活性粉末

19、混凝土抗碳化性能试验活性粉末混凝土抗碳化性能试验 图图17 胶凝材料为胶凝材料为400kg/m3 时混凝土的碳化性能时混凝土的碳化性能 大 掺 量 粉 煤 灰 高 性 能 混 凝 土 研 究 碳化深度减小碳化深度减小 粉煤灰掺量减少粉煤灰掺量减少 水胶比降低水胶比降低 无锈蚀无锈蚀 失重率失重率0.25图18 混凝土中无锈蚀钢筋 大掺量粉煤灰混凝土钢筋锈蚀试验大掺量粉煤灰混凝土钢筋锈蚀试验 锈蚀 弱 强 7mm 12mm 0.250.40 0.41 (F4) 0.45 (F28) 0.79 (F28) 钢筋失重率 图19 混凝土中锈蚀钢筋 试验结论试验结论 v钢筋保护层厚度为钢筋保护层厚度为20mm20mm时，时，水胶比在水胶比在 0.340.340.450.45，粉煤灰掺量在，粉煤灰掺量在40% 40% 60%60%， 胶凝材料用量为胶凝材料用量为400 400 480kg/m480kg/m3 3的大掺的大掺 量粉煤灰混凝土可以保证钢筋不锈蚀。量粉煤灰混凝土可以保证钢筋不锈蚀。 (a) 保护层为12mm (b) 保护层为7mm 图20 胶凝材料为400kg/m3时的钢筋锈蚀失重率 大 掺 量 粉 煤 灰 高 性 能 混 凝 土 研 究 钢 筋 锈 蚀 试 验 (a) 保护层为12mm (b) 保护层为7mm 图21 胶凝材料为480kg/m3时的钢筋锈蚀失重率 大 掺 量