1、高温后粉煤灰混凝土抗碳化性能的研究王伟 ,文天禹，王然，阴悦（中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116）摘要:本文主要通过快速碳化试验，对高温后混凝土的抗碳化性能进行了试验研究，试验中考虑了粉煤灰掺量、高温温度、碳化时间三个因素对粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响。研究结果表明：粉煤灰掺量的增加及温度的升高都会降低混凝土的抗碳化性能，两因素共同作用时起叠加的效果；当粉煤灰掺量为 30%时，粉煤灰加速碳化的作用尤其明显，混凝土抗碳化性能急剧下降；当温度较高（达到 600）时，即使没有掺入粉煤灰，混凝土也完全丧失抗碳化性能。粉煤灰掺量越低，高温加速碳化作用越显著。关键词:高温；粉煤灰混
2、凝土；碳化中图分类号： TU528.041 文献标志码：AStudy on carbonization performance of fly ash concrete after high temperatureWang Wei, Wen Tian-yu, Wang Ran, Yin Yue (School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xu Zhou, Jiang Su 221116,China)Abstract: In this paper the anti-ca
3、rbonization performance of fly ash concrete after high temperature was investigated experimentally through fast carbonization test, considering the influence of fly ash content, high temperature and carbonation time. The research results show that both increasing fly ash replacement and high tempera
4、ture can weaken the anti-carbonization capability of fly ash concrete. When the two factors are working together, the effect is superposed. When fly ash replacement is 30 percents , the effect of accelerating carbonation is particularly obvious, and the anti-carbonization capability of concrete is s
5、harply weakened. When the temperature is rising up to 600, the concrete even if without fly ash completely loses the anti-carbonization capability. Less the fly ash is added, the more obvious the effect of high temperature accelerating carbonation is.Keywords: high temperature ; fly ash concrete; ca
6、rbonation收稿日期：2014-07-31基金项目：国家级大学生创新训练项目（201310290013）；第一作者：王伟（1993），男，江苏盐城人，中国矿业大学土木工程专业,本科。E-mail: 0 引言近年来，我国城市建筑物火灾频发，给国家带来了巨大的经济损失，同时威胁着人民的生命财产安全。据统计，2012 年全国共发生火灾 11 万起，死亡 1123 人，受伤 582 人，直接财产损失达12.5 亿元。火灾对建筑物的危害是显而易见的，火灾一旦发生，必将恶化建筑物的材料性能，从而影响建筑物的正常使用。因此，研究混凝土的火灾高温性能极为迫切。国外自 20 世纪 50 年代就在此方面开展
7、了大量的试验研究，国内自 20 世纪 80 年代也开始了这方面的试验研究，并取得了许多研究成果。目前，国内外学者对混凝土经受高温后的力学性能进行了大量的试验研究，而火灾后建筑物的修复加固也一般是基于对强度的评价。实际上，混凝土材料在高温下耐久性能的降低比力学性能的衰减更加显著。火灾引起的中性化降低混凝土的碱度，影响混凝土的抗碳化性能。混凝土的抗碳化性能是耐久性研究中的一个极其重要的组成部分。火灾发生时，空气中大量的 与水泥的2CO水化产物在高温环境下加快发生中和反应从而降低了混凝土的 pH 值，使得内部的钢筋失去了碱性保护而更容易受到锈蚀。近年来，火灾后混凝土的耐久性问题逐渐得到了业界的关注，
8、但关于其抗碳化性能这方面的试验资料尚为少见。粉煤灰做为一种工业废料，应用到混凝土工程中，不仅减少了环境污染、节约了水泥熟料、降低了生产成本，还改善了混凝土的性能，提高了混凝土的流动性、和易性以及泌水性，因此在混凝土工程中得到了广泛的应用。粉煤灰混凝土的密实性比普通混凝土高，具体表现为：粉煤灰颗粒较致密，吸水少，减少用水量，降低孔隙率；填充于水泥颗粒间，提高混凝土的密实度；火山灰生成物填充于原有孔隙，起到进一步密实作用；多种微小颗粒的叠加效应，更好的改善了胶凝材料的级配，增加反应表面积，有利于水化反应。在共同作用下，混凝土孔隙率大幅度降低，结构更均匀、密实，浆体与骨料之间有更强的黏结力。混凝土内
9、部的密实化、均质化改善了混凝土受力时的应力分布状况，提高了混凝土的强度和高温下的抗裂性，使高温下的混凝土裂缝开展得以减少，对混凝土抗碳化性能的降低起到一定回升作用。本文通过试验研究了粉煤灰混凝土经历不同高温后的抗碳化性能变化规律，并分析了粉煤灰掺量、温度、碳化时间对混凝土抗碳化性能的影响，得出相应结论。1 原材料及实验方法1.1 原材料及配合比试验需要的原材料有水泥、砂、石子、水、粉煤灰。本试验所用水泥：淮海水泥厂生产的 42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用徐州柳新彭城电厂排出的粉煤灰（干排灰）： I 级；水泥和粉煤灰化学组成见表 1，砂采用本地产中砂，石子为本地产碎石，粒径 10 到 15m
10、m，级配良好，水用普通自来水。粉煤灰掺量分别为 0、30%，采用超量取代法，超量系数取 1.2。另外，为了保证混凝土的和易性，试验中还使用了聚羧酸型高效减水剂。表1 水泥及粉煤灰成分表 Table 1 Composition of cement and fly ash table试件采用当前普遍使用的 C35 强度混凝土，由于粉煤灰掺量的不同使得各组混凝土试件的配合比也不同，具体配合比见表 2。表2 C35混凝土的材料配合比Table 2 C35 concrete mix化合物 ONa2Mg32Al2SiOKCa32OFeMn2Ti5OP3S粉煤灰 0.51 0.75 32.8 54.5 1.
11、4 2.7 4.1 0.02 1.3 0.15 0.4水 泥 0.17 2.5 7.0 22.5 0.78 59 3.3 0.03 0.31 0.1 1.8注：表 2 中 FA0、FA30 分别代表粉煤灰的掺量为 0%、30%，砂的比重取 2.6，粉煤灰的比重取 2.2，超量系数取 1.21.2 试验过程及方法根据确定的配合比分别制备试件，试件为100mm100mm300mm 的长方体，在标准条件下养护至 90 天左右取出。通过对混凝土试块的高温处理模拟火灾对混凝土的破坏作用。混凝土试件加热方法参考 GB/T 99781999 建筑构件耐火试验方法并根据本试验实际情况，采用线性升温方式，设定加
12、热速率为 10/min。加热到相应温度要持续加热 1h，与真实火灾燃烧时间相近。试验采用中国矿业大学自主研发的 GWD-05 型不加载梁节能试验电炉，其功率为 30 kW，最高温度可达 1100 ，内部净空间尺寸为 2000mm600mm400mm，温度由配套使用的温度控制柜进行控制。高温结束后采用自然方式冷却。自然冷却 7 天后，按照 GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，对高温处理后的试块采用人工加速碳化试验法。为研究对比高温前后粉煤灰混凝土的碳化规律，分别对常温（22 ）、150、250、350、450、600的试块进行 7、14、28 d 的碳化，但试块
13、在 14d 后已基本被碳化，所以 28d 后试块肯定已完全被碳化。根据粉煤灰掺量及温度高低的不同，分成以下几组，具体情况如表 3 所示。表 3 试件分组情况Table 3 Specimen groups分组 粉煤灰掺量 温度（） 编号 数量（块）0% 常温 FA0常温 40% 150 FA0150 40% 250 FA0250 40% 350 FA0350 40% 450 FA0450 410% 600 FA0600 430% 常温 FA30常温 430% 150 FA30150 430% 250 FA30250 430% 350 FA30350 430% 450 FA30450 4230%
14、600 FA30600 42 试验结果及分析2.1 温度对粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响图 1 温度对混凝土碳化深度的影响Figure 1 Effect of temperature on concrete carbonation depth 温度达到 450 后，混凝土完全碳化。此时粉煤灰对裂缝开展的补偿作用虽已发挥至极致，但强烈的高温作用使水化产物大量分解，内部结构受到严重损害，混凝土完全丧失抗碳化能力。据图 1 分析：粉煤灰掺量为 30%时，250 及 450 高温后的碳化深度与常温相比分别增加 11.4倍、16.5 倍；粉煤灰掺量为 30%时，相应高温后的碳化深度增长 6.5 倍、8.3
15、 倍；粉煤灰掺量越低，高温加速碳化作用越显著。温度越高混凝土的碳化深度越深，高温使得混凝土材料用量（kg/m）砼种类 配合比（水泥：粉煤灰：水：砂：石） 水泥 粉煤灰 水 砂 石子 外加剂 水胶比FA0 1：0：0.56：1.85：2.78 376 0 210 696 1044 0.5% 0.56FA30 0.7：0.5：0.49：1.67：2.78 263 169 210 630 1044 0.5% 0.49混凝土中的自由水、结合水相继被蒸发，混凝土中水分减少，水泥的水化反应及粉煤灰的火山灰反应不能正常进行，生成的 及 等可2)(OHCaS碳化物质减少。随温度的进一步升高，水化产物逐渐脱水分
16、解。温度越高，混凝土中脱水分解的物质越多，分解的数量越大，对混凝土结构的损伤越大。水化产物的分解使水泥中的可碳化物质大量减少，碳化中和作用的过程缩短，混凝土抗碳化性能降低。同时 CSH 凝胶体在高温下由均匀致密变得疏松多孔，网状结构中的连结点大量减少，整个结构酥松，孔隙增大，界面临界力被大大削弱，导致细微裂缝的产生。此外，水化水泥的多相化学组分在高温下表现出的变形性能有很大的差别，这些差别很大的不协调的变形使混凝土内部产生内应力，当应力达到一定程度时，导致裂缝的产生。高温下，水泥石收缩而骨料膨胀，水泥石层受到拉应力，骨料受到压应力，这种反差将产生很多的界面裂缝。由此可知，高温不仅使粉煤灰混凝土
17、中水分、可碳化物质减少，同时使结构的孔隙、裂缝增多，结构疏松多孔，渗透阻力减小，渗透速度增加，从而使高温2CO后的混凝土抗碳化能力显著降低。不同粉煤灰掺量下，高温加速碳化的程度有所不同。2.2 碳化时间对粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响由试验数据和图 2 可以看出，随着时间的延长，空气中的 逐渐侵入混凝土，混凝土的碳C化越来越严重，碳化深度逐渐加深。当混凝土中没有掺入粉煤灰时，混凝土的碳化深度随碳化时间的增长逐渐加深，同时增长速率随着时间的推移而渐渐变缓。当混凝土中掺入 30%的粉煤灰时，粉煤灰的火山灰效应随着时间的增长而充分发挥，混凝土内部结构变得致密， 入侵阻力增大，2CO混凝土后期碳化深度增
18、长速率的降低。14d 之后增长缓慢，28d 之后已完全碳化。图 2 碳化时间对粉煤灰混凝土碳化深度的影响Figure 2 Effect of time on concrete carbonation depth2.3 粉煤灰掺量对混凝土抗碳化性能的影响在普通混凝土中掺入粉煤灰后，由于粉煤灰的固有火山灰活性，其中活性成分 、2SiO分别与水泥的水化产物 发生火32OAl )(HCa山灰反应，即 SAlHCal 2432232 149)(4 iaSi由此可知粉煤灰的掺入会消耗混凝土中的可碳化物质，由图 2 可知，在其它条件相同的情况下，无论是 7d 之后还是 14d 之后，粉煤灰的掺量越大，混凝土
19、的碳化深度就会越深。当粉煤灰掺量为 30%时，混凝土 7 d 的碳化深度为比不掺粉煤灰的混凝土有所增长。由图 2 分析可知，粉煤灰掺量为 0%30%时，粉煤灰混凝土与普通混凝土相比碳化深度只是稍有增长。粉煤灰掺量超过 30%时，碳化深度增长速率加快，加入粉煤灰对高温后混凝土的加速碳化作用特别明显。混凝土中加入粉煤灰后，一方面混凝土中 减少，可碳化物2)(OHCa质含量降低，促进碳化；另一方面粉煤灰的火山灰反应在一定程度上改善混凝土内部孔结构，提高混凝土的密实性；混凝土抗碳化性能受两方面因素的共同影响。当粉煤灰的掺量较少时，粉煤灰二次水化反应的产物 CSH 胶凝体对毛细孔的填充作用，弥补了粉煤灰
20、水化过程中对 的2)(OHCa消耗作用，导致了混凝土的碳化深度稍有增长。3 结论（1）温度达到 600时，即使没有粉煤灰，混凝土也完全丧失抗碳化性能。（2）粉煤灰的掺入促进了高温加速碳化的作用；随着碳化时间的增长，碳化增长速率逐渐降低。OSAlOl 24317)(（3）温度的升高和粉煤灰的掺入都使得混凝土的抗碳化性能降低，两因素共同努力作用具有叠加的效果。参考文献1鲁彩凤.自然气候环境下粉煤灰混凝土耐久性预计方法D. 徐州: 中国矿业大学力学与建筑工程学院，2012.2LOTY， NADEEMA，TANG W C P.The effect of high temperaturecuring o
21、n the strength and carbonation of pozzolanic structural light-weight concretes J.Construction and Building Materials ，2009（23）：1306-1310.3 金祖权，孙伟，侯保荣，等.混凝土的高温变形与微结构演化J.东南大学学报：自然科学版，2010，40（3）：619-623.4姜福香，于奎峰，赵铁军，等.高温后混凝土耐久性能试验研究J.四川建筑科学研究，2010，36（2）：32-33.5肖佳，勾成福.混凝土碳化研究综述J.混凝土，2010（1）：41-42.6PoonC
22、hiSun，AzharSalman ，AsuonMike ，eta1Sternsth and DurabilityRecoveryofFireDamaged Concrete afterPostFireCuirngCementandConcreteResearch，2001(31)：130713087牛荻涛混凝土结构耐久性与寿命预测 M北京 ：科学 出版社 ，20038柳献，袁勇，叶光高性能混凝土高温爆裂的机理探讨J土木工程学报 ，2008，41(6)：61689贾福萍,李奔奔.高温对粉煤灰混凝土抗碳化性能影响的研究J,混凝土,2011,265(11).10马杰，一般环境作用下的混凝土结构耐久性J,四川建材,2011,37(6).11资伟，余志武.火灾后混凝土结构碳化剩余寿命预测研究C第七届全国混凝土耐久性学术交流会，2008.12钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土M.北京:科学出版社，2002.13牛狄涛,陈亦奇等.混凝土结构的碳化模型与碳化寿命分析J,西安建筑科技大学报,1995,27(4):366.14尤能，陆洲导.高温后混凝土抗剪性能试验研究，结构工程师，2013，29（5）：126.15郑永来，黄继辉，高温下不同等级衬砌混凝土力学性能试验研究，2010,5.16沈德建，贾德庆，魏珍中 混凝土早期导温导热系数高精度测试方法，结构工程师，2011，B01：63.
