粉煤灰摻量對混凝土耐久性的影響

自從德國和日本分別成功研制出了高效減水劑后，各種礦物摻合料和高效添加劑的使用就彌補(bǔ)了水泥凝膠體在微觀尺度的很多缺陷。目前，礦物摻合料也幾乎成了混凝土必不可少的功能性組分材料。粉煤灰作為活性礦物摻合料的代表，受到國內(nèi)外研究學(xué)者的青睞，對其摻加到混凝土的耐久性做了大量試驗(yàn)研究。雖然由于試驗(yàn)材料、方法等的不同，試驗(yàn)結(jié)論雖然有所差異，但在粉煤灰的摻量對于混凝土耐久性的影響方面卻得出了一致的結(jié)論。因此文章將從抗氯離子滲透性、抗碳化性能和抗凍性三個(gè)方面來綜述粉煤灰摻量對混凝土耐久性的影響。1

粉煤灰對混凝土的貢獻(xiàn)煤灰可以與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)形成與C-S-H凝膠具有相似組成和力學(xué)性能的產(chǎn)物，而且可以降低毛細(xì)孔體積和孔徑，提高混凝土強(qiáng)度。并且在澆注大體積混凝土?xí)r，用粉煤灰部分代替水泥，可以降低混凝土的水化熱，減少溫度裂縫的產(chǎn)生。粉煤灰對混凝土的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在三大效應(yīng)，即火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)。①火山灰效應(yīng)指的是粉煤灰中的活性SiO2與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成難溶的水化硅酸鹽C-S-H凝膠沉積在骨料與水泥石界面的孔隙內(nèi)，水化硅酸鹽C-S-H凝膠呈纖維狀，具有很大的剛性和比表面積，凝膠粒子間存在著范德華力和化學(xué)鍵力，提高了混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；②形態(tài)效應(yīng)是指粉煤灰顆粒呈大小不等的球狀玻璃體，表面致密光滑，在表面負(fù)電性的作用下，可以有效地分散水泥顆粒，使?jié){體充分包裹骨料顆粒，在塌落度和和易性不變的情況下降低用水量，起到減水作用；③微細(xì)集料效應(yīng)是指按照Aim和Goff模型理論，當(dāng)把揍有超細(xì)礦物摻合料的水泥基材料系統(tǒng)看作多元系統(tǒng)，則在該系統(tǒng)中存在著一個(gè)最緊密堆積，其值取決于超細(xì)礦物接合料顆粒與水泥顆粒的直徑比，該比值越小，最緊密堆積值越大。粉煤灰顆粒的平均粒徑比水泥顆粒小約一個(gè)數(shù)量級，粉煤灰細(xì)微顆粒均勻分散到水泥漿體中，填充水泥水化后的孔隙或與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使混凝土更加密實(shí)。2粉煤灰摻量對混凝土耐久性的影響2.1對抗?jié)B性能的影響粉煤灰的加入會(huì)增加混凝土硬化前期的孔隙率，降低前期混凝土的抗?jié)B性能。但隨著水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的增多，粉煤灰的活性被激發(fā)，與Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成水化硅酸鹽凝膠，填充細(xì)化反應(yīng)前期產(chǎn)生的孔隙。在這期間，微集料效應(yīng)也發(fā)揮作用，混凝土的孔隙率降低，大孔孔徑減小，密實(shí)度增大。但粉煤灰摻量過大也會(huì)因?yàn)槲此w粒過多沉積在膠凝材料與骨料的界面處，影響混凝土的黏聚性，降低混凝土的密實(shí)度。混凝土的密實(shí)度不僅影響到抗氯離子滲透性，還關(guān)系到混凝土的抗碳化、抗凍和耐腐蝕性能。因此混凝土的抗?jié)B性能是衡量混凝土耐久性的重要指標(biāo)。在C40高性能混凝土中摻入0，10%，20%，30%，40%的粉煤灰的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的電通量降低。在粉煤灰摻量20%左右時(shí)，電通量值降低幅度減小，曲線趨于平緩（見圖1），當(dāng)強(qiáng)度變化時(shí)這個(gè)摻量范圍不發(fā)生變化。

在C60高強(qiáng)混凝土中用粉煤灰取代水泥，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的氯離子滲透系數(shù)逐漸減小，粉煤灰摻量由25%到36%時(shí)，氯離子滲透系數(shù)減小幅度會(huì)變的十分微小。以再生混凝土材料為實(shí)驗(yàn)對象，摻入不同摻量的粉煤灰后，測定混凝土的孔隙率指標(biāo)、自由氯離子指標(biāo)、導(dǎo)電量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)，得出結(jié)論：粉煤灰可以明顯提高再生混凝土的抗氯離子滲透性能。隨著粉煤灰摻量的增加，再生混凝土的孔隙率、導(dǎo)電量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均逐漸降低。在粉煤灰摻量20%時(shí)，再生混凝土的大孔占總孔隙的比率最低，自由氯離子指標(biāo)最佳。試驗(yàn)研究得出的最佳摻量范圍又有所增加，粉煤灰摻量在32%時(shí)表現(xiàn)出比其他摻量更好地抗?jié)B、耐腐蝕性。并且硬化后期孔隙總體積也較小，而若采用超細(xì)粉煤灰則在摻量8%時(shí)耐久性最佳。但試驗(yàn)結(jié)果與以上結(jié)論并不相同，最佳摻量范圍有所升高，而且粉煤灰的摻加降低了電通量值。在C60高性能混凝土中分別摻入0，10%，20%，30%，40%，50%，60%的粉煤灰，進(jìn)行試驗(yàn)，電通量法測混凝土的抗氯離子滲透性。結(jié)果顯示：摻加粉煤灰的混凝土電通量值明顯降低，且在30%～40%有一個(gè)低谷。在此摻量間，混凝土的抗氯離子滲透性有最佳值（見圖2）。這可能是所采用的粉煤灰質(zhì)量和測試齡期的不同造成的。在混凝土中分別摻入0，10%，20%，30%的粉煤灰，通過測定不同齡期混凝土的總孔隙率、最可幾孔徑、比孔容積和RCM法測抗?jié)B性。得出結(jié)論：28d齡期以前，混凝土的抗?jié)B性隨著粉煤灰摻量的增加而降低，隨著齡期的延長，盡管總孔隙率未有明顯降低，但孔徑明顯細(xì)化，有害孔數(shù)量明顯減少；90d齡期時(shí)，摻20%粉煤灰的混凝土抗?jié)B性最好，并且隨著齡期的增長，混凝土的抗?jié)B性有隨粉煤灰摻量的增加而提高的趨勢（見圖3）。2.2對抗碳化性能的影響粉煤灰對混凝土抗碳化性能的改善作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①粉煤灰中的活性成分與氫氧化鈣二次反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H類凝膠阻斷或減小了毛細(xì)孔徑，使混凝土微觀結(jié)構(gòu)致密，CO2分子難以侵入；②C-S-H類凝膠可以吸附部分CO2，阻止其繼續(xù)侵入。但是粉煤灰中的活性成分與Ca(OH)2反應(yīng)，使混凝土孔溶液的PH值由原來的13降低到9左右。實(shí)際上，在CO2和水的作用下，當(dāng)PH值降低到11左右時(shí)，鋼筋表面的鈍化膜就會(huì)破壞。粉煤灰對混凝土抗碳化性能的影響就是在這正負(fù)兩個(gè)方面的作用下形成的。對礦物摻合料混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)摻加粉煤灰的混凝土比起未摻礦物摻合料的混凝土碳化更深。由于摻合料的加入引起的火山灰效應(yīng)，混凝土中Ca(OH)2量減少，導(dǎo)致碳化速度加快。彭波等人的研究表明：粉煤灰的摻入會(huì)加速混凝土的碳化，并且摻量越大，速度越快。對碳化速度描述的更為細(xì)致。劉斌在不同水灰比的普通強(qiáng)度混凝土中分別摻入0，20%，40%，60%的粉煤灰進(jìn)行抗碳化實(shí)驗(yàn)。研究表明：隨著水灰比的增大，混凝土抗碳化能力下降，在不同的水灰比下，混凝土的抗碳化性能均隨著粉煤灰摻量的增加而降低。當(dāng)摻量為20%和40%時(shí)，碳化深度隨時(shí)間的增長變得緩慢（見圖4）；試驗(yàn)研究認(rèn)為粉煤灰摻量在15%～30%時(shí)其抗碳化性能與不摻粉煤灰的混凝土相近，但摻量為50%以上時(shí)其抗碳化性能急劇下降。這兩者在摻量范圍上的差異可能與水灰比和所選用的粉煤灰質(zhì)量不同有關(guān)。通過測定28d和56d齡期混凝土的碳化深度和內(nèi)部孔溶液的PH值研究表明，Ⅱ級粉煤灰的摻入可以顯著降低輕骨料混凝土的抗碳化性能，而超細(xì)粉煤灰對輕骨料混凝土堿度的影響不大，但當(dāng)粉煤灰摻量大于20%時(shí)，混凝土內(nèi)部孔溶液堿度會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加逐漸降低，混凝土的抗碳化能力也減弱?？紤]對鋼筋的影響，他通過試驗(yàn)研究認(rèn)為粉煤灰與混凝土中Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，降低了混凝土中的堿性，對鋼筋銹蝕不利，特別是摻量超過30%時(shí)對鋼筋混凝土中的鋼筋明顯不利。2.3對抗凍性能的影響混凝土的凍融破壞與本身的強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，受溫濕度環(huán)境的影響。當(dāng)水泥水化產(chǎn)生Ca(OH)2后，粉煤灰與其進(jìn)行二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，有害孔的數(shù)量減少。但混凝土硬化前期，二次水化反應(yīng)進(jìn)行較慢，粉煤灰混凝土的抗凍性能較差。粉煤灰摻量越多，水化反應(yīng)越慢，越不利于消除有害孔，混凝土的抗凍性能越差；粉煤灰摻量過少又不足以降低水化熱，減少溫縮裂縫，起到改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)的作用。因此合適的粉煤灰摻量對混凝土的抗凍性能有重要的影響。在普通強(qiáng)度的混凝土中分別摻加0，15%，30%，45%的粉煤灰，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：90d齡期內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化值不太大，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都最大；經(jīng)過300次凍融循環(huán)后混凝土的強(qiáng)度和重量損失均隨著粉煤灰摻量的增加而減小，粉煤灰摻量從0提高到15%時(shí)，混凝土的300次凍融后強(qiáng)度和重量損失急劇降低，當(dāng)摻量繼續(xù)增大時(shí)，強(qiáng)度和質(zhì)量損失基本不變。即粉煤灰摻量15%時(shí)對抗凍性的提高達(dá)到最佳。當(dāng)采用不同等級的粉煤灰時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似的性質(zhì)。在混凝土中分別摻入0，15%，25%，35%的Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰，在試件連續(xù)凍融100次后，摻加Ⅰ級粉煤灰的混凝土抗凍性比未摻加粉煤灰的試件好，且有一個(gè)最佳摻量15%。在此之后隨摻量的增加，抗凍性下降。而摻加Ⅱ級灰的混凝土抗凍性比未摻加粉煤灰的試件要差，但在15%以后相對動(dòng)彈模量加速下降（見圖5、圖6）。在高強(qiáng)混凝土中，最佳摻量又有所變化。王稷良等人在高強(qiáng)混凝土中分別摻入0，14%，25%，36%的粉煤灰進(jìn)行試驗(yàn)。研究表明：摻加粉煤灰的混凝土與基準(zhǔn)混凝土的抗凍性均很好，當(dāng)粉煤灰摻量摻量為14%和25%時(shí)，相對動(dòng)彈性模量下降幅度不明顯，在粉煤灰摻量達(dá)到36%時(shí)，相對動(dòng)彈性模量下降幅度較大。這主要是因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土本身強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)致密所致，因而也具有較好的抗凍性。大體積混凝土對強(qiáng)度要求不高，往往通過摻入大量粉煤灰來減少水化熱，這對混凝土的抗凍性非常不利。試驗(yàn)研究表明，在摻量一定時(shí)，粉煤灰的摻加可以提高混凝土的抗凍性。但摻量超過40%時(shí)，在達(dá)到破壞指標(biāo)之前，混凝土表面就出現(xiàn)較嚴(yán)重的剝蝕，質(zhì)量損失率已超過5%。3結(jié)論粉煤灰對混凝土耐久性的影響隨粉煤灰的質(zhì)量，混凝土的水灰比、齡期，復(fù)摻礦物摻合料的種類，添加劑的摻量和其他材料的用量等的變化而有所不同。這些研究結(jié)論或者針對某一類混凝土，或者針對耐久性的某一指標(biāo)，但粉煤灰對于混凝土的影響規(guī)律不應(yīng)止于此。粉煤灰的摻入對混凝土強(qiáng)度和耐久性并不是完全有利的。粉煤灰對混凝土的早期強(qiáng)度不利，各項(xiàng)耐久性指標(biāo)也較差，但對硬化后期混凝土的耐久性有明顯改善。隨著粉煤灰摻量的變化，混凝土各項(xiàng)耐久性指標(biāo)也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在齡期一定時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗氯離子滲透性逐漸降低，在摻量20%～30%，會(huì)取得一個(gè)最佳值；隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗碳化性能降低，摻量在20%～35%時(shí)，碳化速率會(huì)較其他摻量的速率減慢；優(yōu)質(zhì)的粉煤灰可以