探究掺陶瓷粉混凝土有何碳化性能

　　下面文章主要对陶瓷粉混凝土进行基本力学性能试验和碳化试验，分析掺陶瓷粉混凝土的碳化性能，之后发现陶瓷粉混凝土龄期强度高于普通混凝土和粉煤灰混凝土，但是在不考虑掺和料影响系数的情况下掺入陶瓷粉会降低混凝土的强度，陶瓷粉的掺入对混凝土的抗碳化性能没有不良影响，且设计配合比时考虑掺和料影响系数，混凝土的抗碳化性能明显得到改善，其28d碳化深度仅为普通混凝土的31.5%。

　　关键词：陶瓷粉,掺和料,力学性能,抗碳化性能,影响系数

　　废弃陶瓷为工程界新兴的建筑再生材料，因其质轻、价廉、火山活性高、富含SiO2等优点，广泛应用于混凝土中。很多学者对陶瓷在混凝土中的应用进行研究，将废弃陶瓷制品作为粗骨料、细骨料或者掺和料来配制混凝土[1-3]。已有的研究表明，破碎陶瓷作为粗骨料对再生混凝土的性能有一定影响，经过改性处理后强度方可满足要求[4]。

　　废弃陶瓷研磨后作为陶瓷再生砂配置的混凝土，力学性能优良，可以应用于实际工程中。而将废弃陶瓷球磨后作为水泥掺和料的研究却不多。综合所有陶瓷作为再生骨料配置再生混凝土的试验现象表明陶瓷更适宜作为细骨料进行推广，鉴于有学者利用陶瓷抛光砖粉制备蒸压硅酸盐制品，经实验对比发现其火山灰活性较高，且同等条件下陶瓷抛光粉中参与反应的活性SiO2远多于粉煤灰[5]。将废弃陶瓷球磨后作为水泥掺和料使用更能发挥其性能。

　　新型混凝土材料的试验研究中，多数学者都致力于强度的保证而忽视了混凝土耐久性的影响。而新型混凝土的微观结构相较于普通混凝土更为复杂，为分析新型混凝土的耐久性机理带来了困难，已有的研究结果可比性较差，没有整体性的让人信服的结论[6]。混凝土的碳化是影响混凝土耐久性的重要指标，建筑结构在使用过程中外部混凝土的水化产物与空气中酸性CO2气体发生反应，使混凝土的成分、组织以及性能发生改变，机能下降，从而失去对钢筋的保护作用，减少钢筋混凝土结构的使用寿命[7-8]。

　　而全球气候变暖，大气中的CO2气体含量越来越高的地球现状，决定了抗碳化性能一直都会是混凝土耐久性研究的主导方向[9-10]。笔者早期水泥胶砂试验结果表明，陶瓷粉的最优掺量为25%，水泥胶砂的龄期强度增长曲线与粉煤灰相似。在此基础上，本文沿用25%的最优掺量，对陶瓷粉混凝土的基本力学性能及碳化性能进行研究，为合理开发推广陶瓷粉混凝土提供理论依据。

　　1材料与方法

　　陶瓷选用江西景德镇产的各类废弃陶瓷，表观密度为2.375kg/m3。经清洗、机械破碎后研磨成粉末，形成陶瓷掺合料。陶瓷粉比表面积为458m2/kg。80μm方孔筛筛余量<5%。混凝土共分为5组，混凝土设计强度值为C40。其中PC是普通混凝土，TC-1和FA-1组是在普通混凝土配合比的基础上以陶瓷粉和粉煤灰按照25%的比例替代水泥，TC-2和FA-2组是考虑掺和料影响系数计算出的配合比，所有试件中陶瓷粉和粉煤灰的掺量均取25%。

　　2试验结果与分析

　　2.1混凝土的龄期强度

　　试验加载过程中，5组混凝土试块最终破坏形态相似。沿平行于加载方向产生几条贯穿的裂缝而破坏。试块外表面部分脱落。陶瓷粉混凝土破坏的同时偶伴有闷响声，这是因为混凝土属于脆性材料，强度越高脆性越突出，当抗拉强度和抗压强度不能同步成比例增长，抗压破坏时HSC共价键突然崩裂，会伴有巨响。

　　可以考虑掺入纤维或者高分子材料等途径改性解决。分别测试五组混凝土试件的3d、7d、14d、28d和56d抗压强度，对比分析陶瓷粉混凝土的抗压强度随养护龄期的增长规律。TC-2的龄期强度最高，其28d抗压强度达到47.45Mpa，较普通混凝土增长6.9%，比FA-2增长17.5%，说明陶瓷微粉具有较高的水化活性。

　　TC-1组混凝土的龄期强度最低，其前期强度增长速度略低于其它几组混凝土，后期增长速度缓慢，远远低于其它几组混凝土。粉煤灰混凝土的两种配合比对其龄期强度的影响不是很大。根据其曲线的走势可以发现，FA-1后期强度增长较快，其56d抗压强度已经跟FA-2非常接近;这点与陶瓷粉混凝土正好相反。对比分析粉煤灰和陶瓷粉掺入混凝土中对混凝土强度的影响可知，进行陶瓷粉混凝土配合比设计时，可以参考规范中粉煤灰混凝土的设计方法，但有必要进行修正，即适当降低影响系数值。具体数值的确定，有待进一步试验加以研究。

　　2.2陶瓷粉混凝土的抗碳化性能

　　2.2.1质量变化

　　在进行碳化后的第三天，其质量有明显增加。这是因为在碳化试验前需对试件进行干燥处理，在60±2℃的烘箱中烘干48小时，干燥导致毛细孔与环境之间湿度梯度发生变化，混凝土内部水分减少。随着碳化的进行，碳化箱内相对湿度为70±5%，试件质量的增加主要是因为水分的吸收，但是这种情况只出现在碳化初始阶段。碳化后期质量的变化曲线较为平缓，此时的试块处于吸水类饱和状态，同时二氧化碳入侵，形成碳酸后与混凝土中的碱性介质发生反应生成碳酸钙填充在毛细孔中，使凝土试件吸收水分更为困难，所以碳化后期试件质量只有微小增加。

　　2.2.2动弹性模量变化

　　对于每一个混凝土试块，都存在一个固有的谐振频率。在其它参数一定的情况下，试块的谐振频率只和密度有关，因此混凝土试块的固有振动频率可以反映其强度。混凝土的动弹性模量就是根据其质量和谐振频率计算所得，所以动弹性模量在一定程度上可以反应混凝土内部密实度，分析动弹性模量的变化曲线可以看出，碳化前期，普通混凝土和陶瓷粉混凝土的动弹性模量略有增加然后才开始降低，当其碳化至28d后又开始回升。

　　在进行碳化的初期，混凝土试件的龄期强度仍在增长，由于水化反应的继续发展以及碳化作用使得混凝土更加致密，所以其动弹性模量均有一定程度的增长。随着碳化的进行，混凝土基体以及孔溶液在与CO2持续反应中碱度逐渐下降，导致混凝土收缩，宏观表现为其动弹性模量的降低。三组混凝土在碳化试验的整个过程中动弹性模量的变化规律一致;碳化至28d动弹性模量再次升高，根据动弹性模量的测定原理可知，应为混凝土表面进入完全碳化阶段，生成的化合物使其表面一定深度的混凝土更加密实，试验测得其动弹性模量增大。

　　2.2.3碳化深度

　　TC-2的碳化深度最小，抗碳化性能最强，TC-1和PC混凝土的碳化深度相差不多，碳化初期PC的碳化深度较高，随着碳化时间的增加，TC-2的碳化深度增大。直至28d时，TC-2和PC的碳化深度仅相差0.3mm。两者的抗碳化性能相似。可以看出TC-2组混凝土具有良好的抗碳化性能，其28d碳化深度仅为3.6mm。而同样进行碳化试验的普通混凝土试块碳化深度已达11.4mm。

　　究其原因，掺入陶瓷粉有微集料效应和火山灰效应，使得陶瓷粉混凝土内部结构更加致密，二氧化碳气体难以侵入混凝土的内部，仅在表面发生较缓慢的碳化反应;随着碳化反应的进行生成的碳酸钙填充在毛细孔中，进一步阻碍了二氧化碳气体向混凝土内部的扩散，随着碳化时间的增长，混凝土碳化速度越来越慢。有相关研究也得出相同的结论[11]认为废陶瓷破碎产生的石粉填充于混凝土的空隙，提高混凝土微结构的密实度，从而提高了混凝土强度与耐久性能。另外也有学者对陶瓷的火山灰活性进行测试，得出结论为其火山灰活性高于粉煤灰[3,5]。

　　3结论

　　(1)陶瓷粉作为掺和料可以有效提高混凝土的抗压强度。同等条件下的陶瓷粉混凝土的基本力学性能要优于粉煤灰混凝土。进行陶瓷粉混凝土配合比设计时，可以参考规范中粉煤灰混凝土设计方法。

　　(2)陶瓷粉能够有效提高混凝土的抗碳化性能，在碳化过程中陶瓷粉混凝土的碳化深度增长缓慢。碳化后期甚至出现零增长的现象。

　　参考文献：

　　[1]陈梦成,丁小蒙,王凯,等.废建筑陶瓷再生混凝土研究现状与热点问题分析[J].材料导报,2012,26:303-316.

　　[2]张承志,刘凤利,刘俊华.废陶瓷再生砂对砂浆性能影响的研究[J].混凝土与水泥制品,2011,7:54-57.

　　[3]王功勋.陶瓷抛光砖粉作辅助胶凝材料的火山灰性[J].硅酸盐学报,2010,38(7):1229-1234.

　　[4]许开成,方苇,陈梦成,等.陶瓷再生粗骨料混凝土力学性能研究[J].实验力学,2014,29(4):474-480.

　　[5]王功勋,苏达根,赵一翔.陶瓷抛光砖粉制备蒸压硅酸盐制品[J].华南理工大学学报:自然科学版,2008,36(7):124-127.

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　　[7]元成方,牛荻涛,段付珍,等.碳化过程中混凝土模拟孔溶液pH值变化规律研究[J].硅酸盐通报,2011,30(5):1126-1129.

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　　[9]蒋金洋,孙伟,金祖权,等.疲劳载荷与碳化耦合作用下结构混凝土寿命预测[J].建筑材料学报,2010,13(3):304-309.

　　[10]赵庆新,许宏景,闫国亮.应力损伤对混凝土抗碳化性能的影响[J].建筑材料学报,2013,16(3):503-507.

　　[11]蔡基伟,李北星,周明凯,等.石粉对中低强度机制砂混凝土性能的影响[J].武汉理工大学学报,2006,28(4):27-30.

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