摻入粉煤灰對(duì)混凝土性能影響研究綜述

劉曉峰 王維紅 滕 玲 康 宵 劉玉憲 劉沈豐

北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院

正文：

前言：

隨著我國(guó)工程建設(shè)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，混凝土的應(yīng)用及種類也越來(lái)越多，但還是有一些缺陷，如我國(guó)北方地區(qū)的凍融循環(huán)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成的嚴(yán)重破壞，沿海地區(qū)及在鹽堿地區(qū)域的混凝土建筑物被氯離子的侵蝕的問(wèn)題，以及在大體積混凝土澆筑工程中產(chǎn)生損壞，但是加入各種礦物摻合料和高效添加劑則可以彌補(bǔ)水泥凝膠體在微觀上的很多缺陷。而且在目前，礦物摻合料也幾乎成為了混凝土中必不可少的功能性組成材料。粉煤灰是一種具有潛在活性的人工火山灰質(zhì)材料，作為混凝土摻合料，粉煤灰的摻入能夠有效的節(jié)省能源，并能夠解決工程領(lǐng)域中的很多實(shí)際問(wèn)題。可以改善新拌混凝土的和易性，減少混凝土用水量，抑制堿骨料反應(yīng)等，本文闡述了粉煤灰改善混凝土抗凍性及抗氯離子侵蝕性能及凍融破壞及氯離子侵蝕機(jī)理的研究。

1.對(duì)粉煤灰研究的意義

國(guó)內(nèi)外粉煤灰應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史。美國(guó)加洲理工學(xué)院的R.E.Davis在1993年首次發(fā)表了關(guān)于粉煤灰在混凝土上的應(yīng)用研究報(bào)告。而到本世紀(jì)五、六十年代，粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，其活性性能會(huì)被進(jìn)一步研究和推廣，不僅是會(huì)節(jié)約水泥與處理工業(yè)廢料——粉煤灰，其更主要是為了提高和改善混凝土的性能。而大摻量粉煤灰的應(yīng)用，也是今后混凝土技術(shù)進(jìn)展最有效、也是最經(jīng)濟(jì)的途徑。

2.氯離子侵蝕對(duì)混凝土性能影響

影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性其中最重要因素是鋼筋的銹蝕。同時(shí)由于鋼筋是金屬，它本身的特性就是不耐酸。而氯離子侵蝕作用引起的鋼筋銹蝕影響尤為明顯。在鹽堿地中含有大量氯離子，中國(guó)是鹽堿地大國(guó)，在全球位居第三。中國(guó)鹽堿地主要分布在西北、東北、華北及濱海地區(qū)在內(nèi)的17個(gè)省區(qū)。 正是由于氯離子分布廣泛所以對(duì)混凝土的侵蝕必須重視。

氯離子主要通過(guò)以下幾種方式進(jìn)入混凝土：（1）混凝土本身有許多微觀缺陷，通過(guò)毛細(xì)管作用向內(nèi)部移動(dòng)。（2）在水壓力下，氯離子通過(guò)滲透作用向壓力低的地方移動(dòng)。（3）通過(guò)擴(kuò)散作用向濃度低的地方移動(dòng)。（4）吸附作用，在各種化學(xué)物理作用下吸附到鋼筋表面。通常情況下CI-在混凝土中的侵入過(guò)程是幾種作用共同存在的。混凝土原本是呈弱堿性的，對(duì)鋼筋有保護(hù)作用，但當(dāng)腐蝕介質(zhì)的累計(jì)累積量達(dá)到臨界值后鋼筋鈍化膜被破壞。

氯離子對(duì)鋼筋的腐蝕化學(xué)方程式如下：

2Cl-+Fe2++2H2O+2Fe=Fe(OH)2+2H++2Cl-

4Fe(OH)2;+O2+2H2O=4Fe(OH)3

由方程式可以看出Cl-在化學(xué)過(guò)程中并沒(méi)有被消耗掉，而是被反復(fù)利用，不斷腐蝕。表現(xiàn)在宏觀上就是被腐蝕的混凝土越來(lái)越脆弱。

3.凍融循環(huán)對(duì)混凝土性能影響

所謂破壞凍結(jié)融化，就是由于溫度轉(zhuǎn)換使水位上升或下降，水工建筑物硬化的混凝土在濕潤(rùn)或浸水的狀態(tài)下，內(nèi)部的孔隙水形成凍結(jié)膨脹壓、滲透壓及結(jié)晶壓力，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，混凝土被破壞這樣的現(xiàn)象。

混凝土的早期凍害和那個(gè)機(jī)制(混凝土凝固之前凍)混凝土還沒(méi)參加水化反應(yīng)的時(shí)候，混凝土的凍結(jié)作用與飽和粘土的凍膨狀況相似。由于合水凍結(jié)混凝土的凝結(jié)被中斷，溫度上升混凝土的攪拌水溶化為止。再振動(dòng)重新好好地附著的話，在混凝土中殘留的水凍結(jié)很多的孔，使之大幅度降低那個(gè)強(qiáng)度。重新站起來(lái)打是不得已錄用的。一般情況下還是要注意初期的護(hù)理，不要讓混凝土快結(jié)冰?；炷聊塘耍菦](méi)有達(dá)到足夠的強(qiáng)度就會(huì)凍結(jié)，這時(shí)凍結(jié)混凝土的強(qiáng)度損失最大。硬化初期對(duì)混凝土凍結(jié)的阻力，不是單純的機(jī)械舉動(dòng)，而是與水泥石的微細(xì)結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程有關(guān)。

4.摻入粉煤灰后氯離子侵蝕對(duì)混凝土性能影響

混凝土被氯離子侵蝕的原因主要是混凝土中孔隙的大小和數(shù)量，摻入粉煤灰能夠使混凝土中氯離子濃度降低的原因是隨著粉煤灰的摻入混凝土中的孔隙數(shù)量逐漸減少，孔徑逐漸變小，可以使混凝土的密度增加，從而使?jié)B入混凝土中的氯離子減少，混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力增強(qiáng)。從微觀方面講，一是粉煤灰的摻入減少了水泥用量，水泥在第一次水化反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氧化鈣減少，同時(shí)粉煤灰的二次水化反應(yīng)與水泥的水化反應(yīng)產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)也減少了混凝土中的氫氧化鈣含量。二是孔的細(xì)化，更多的低堿度的C——S——H凝膠，增加了混凝土(物理和化學(xué))固化能力，有利于降低Cl一在混凝土中的滲透速度，從而提高了混凝土的抗氯離子滲透能力。

5.摻入粉煤灰后凍融循環(huán)對(duì)混凝土性能影響

其實(shí)，在一定程度上，在混凝土中摻入粉煤灰而代替水泥后，可以使水泥在早期水化和中期水化中產(chǎn)生相對(duì)較少的產(chǎn)物，雖然此時(shí)強(qiáng)度會(huì)偏低，毛細(xì)孔也會(huì)增多。然而在后期，隨著粉煤灰中活性物質(zhì)的二次水化熱出現(xiàn)，混凝土中的中的毛細(xì)孔隙會(huì)被二次水化熱中出現(xiàn)的新生成物質(zhì)填充，從而促使混凝土強(qiáng)度再次增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)強(qiáng)度較大，混凝土抗凍耐久性提高，張?jiān)粕彽热说难芯勘砻鳎邠搅糠勖夯一炷恋臐B透系數(shù)可低至 1.6×10-14m/s。同時(shí)，在摻入粉煤灰時(shí)，可以摻加適量引氣劑，引氣劑是具有增水作用的表面活性物質(zhì)，它可以明顯的降低混凝土拌合水的表面張力和表面能，可以使混凝土拌合物在拌和過(guò)程中引入大量均勻分布的閉合而穩(wěn)定的微小氣泡，所以當(dāng)孔隙內(nèi)的水結(jié)冰出現(xiàn)水壓時(shí)，未結(jié)冰的水會(huì)因?yàn)樗畨旱淖饔孟露驓馀輧?nèi)緩慢滲透，這在一定的程度上可以使膨脹壓力因冰凍而緩解，從而提高混凝土的抗凍性。

6.結(jié)論

在混凝土當(dāng)中摻入一定量的粉煤灰，可以減少用水量，提高混凝土抗壓強(qiáng)度和抵抗氯離子侵蝕的能力。但是粉煤灰摻量過(guò)多或過(guò)少，都會(huì)使混凝土的強(qiáng)度受到影響，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。因此，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定出一個(gè)最佳范圍，建議粉煤灰摻量在10%～20%為最佳。通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，混凝土表面出現(xiàn)裂紋并不斷增加，強(qiáng)度也不斷降低，質(zhì)量損失率不斷增大。摻入適量粉煤灰，可以降低混凝土水化熱，提升混凝土流動(dòng)性、塌落度，并且和易性也有明顯改善。但是因?yàn)榉勖夯业膿饺耄瑢?dǎo)致水泥漿的顆粒濃度降低，水化速度延緩，冷卻凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，而且隨著摻量的增加，濃度不斷降低，冷卻凝結(jié)需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。摻入適量粉煤灰能夠提高混凝土后期強(qiáng)度，但早期強(qiáng)度降低。因?yàn)榻缑嫘?yīng)、微骨料效應(yīng)和活性效應(yīng)產(chǎn)生的效果，導(dǎo)致混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更密實(shí)，表面強(qiáng)度更高，二次水化反應(yīng)能夠提高混凝土的后期強(qiáng)度。因?yàn)榉勖夯掖媪瞬糠炙嗟挠昧?，反?yīng)產(chǎn)生的膠凝材料減少，二次水化反應(yīng)時(shí)間未達(dá)到，導(dǎo)致混凝土的早期強(qiáng)度有所降低。