簡述粉煤灰摻量對(duì)混凝土耐久性的影響

徐曉蕾

（鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院 224001）

1 混凝土中粉煤灰的作用

在混凝土材料中，煤灰與水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣反應(yīng)，生成與C-S-H凝膠擁有相似組合和力學(xué)性能的產(chǎn)物，這一產(chǎn)物可以降低毛細(xì)孔的體積，進(jìn)而有效增強(qiáng)混凝土的輕度。同時(shí)在大面積的混凝土澆筑時(shí)，用粉煤灰取代水泥，還可以降低水化熱，避免溫度裂縫的生成。

粉煤灰對(duì)混凝土的作用主要體現(xiàn)在三方面：

（1）火山灰效應(yīng)。其主要是指粉煤灰中的二氧化硅同水泥水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣反應(yīng)，生成一種較難溶解的水化硅酸鹽C-S-H凝膠，堆積在骨料和水泥石界面的縫隙之中。該產(chǎn)物存在范德華力和化學(xué)鍵，可以有效的提升混凝土的粘結(jié)性和穩(wěn)定性。

（2）形態(tài)效應(yīng)。粉煤灰顆粒是一種不均勻的球狀玻璃體，表面比較致密光滑，在負(fù)電性的作用下，可以將水泥顆粒進(jìn)行分散，使?jié){體有效的包裹骨料顆粒，進(jìn)而在坍落度和和易性不變的情況下，減少用水量。

（3）微細(xì)集料效應(yīng)。如果按照Aim和Goff模型理論將摻有超細(xì)礦物摻合料的水泥及材料看做是多元系統(tǒng)，那么其內(nèi)部就存在一個(gè)最緊密的堆積，堆積值將取決于超細(xì)礦物結(jié)合料顆粒和水泥顆粒的直徑比值，比值越小，緊密堆積值越大。而粉煤灰顆粒的平均粒徑本就比水泥顆粒小一個(gè)數(shù)量級(jí)，將粉煤灰的細(xì)微顆粒均勻的分布到水泥漿中，進(jìn)行縫隙填充或與水化產(chǎn)物反應(yīng)，可有效增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性。

2 粉煤灰摻量對(duì)混凝土耐久性的影響

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

2.1.1 原材料

本次試驗(yàn)選取的凝膠材料為P·Ⅱ42.5硅酸鹽水泥，其粉煤灰比為二級(jí)，凝膠材料中的化學(xué)組成元素有二氧化硅、氧化鎂、氧化鈉、氧化鈣、三氧化二鐵、氧化鉀、氧化錳、二氧化鈦等；細(xì)骨料則是選用了細(xì)度模數(shù)在3.0左右、表觀密度在2640kg/m2，含沙量在1.5%以內(nèi)的河砂；而粗骨料則使用了粒徑在25mm以下的連續(xù)級(jí)配的破碎石灰石，其表觀密度約為2660kg/m2，含泥量在0.8%以下；而減水劑采用了萘系高效減水劑（詳見表 1）。

2.1.2 調(diào)配比例

為了掌握水膠比和粉煤灰摻量對(duì)混凝土碳化的影響，本次試驗(yàn)配置的水膠比分別為0.36、0.43和0.50，粉煤灰摻入量為0%、20%、40%以及60%的混凝土，其水膠比為0.6，對(duì)粉煤灰摻量為0%的混凝土進(jìn)行快速碳化試驗(yàn)，并調(diào)整其減水劑用量，控制坍落度在180mm左右。且隨著粉煤灰摻量的增加，水泥比例逐倍遞減，水、砂石以及粗骨料的比例均保持不變（詳見表2）。

2.2 試驗(yàn)方法

先將已經(jīng)成型的混凝土試件放置在標(biāo)準(zhǔn)室養(yǎng)護(hù)24h，再在外界自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7d，之后放置在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)到28d。然后根據(jù)混凝土耐久性試驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行加速碳化試驗(yàn)。主要步驟為，將混凝土試件放置在二氧化碳體積為20%，溫度在20℃左右的環(huán)境中進(jìn)行加速碳化處理直到28d后，試驗(yàn)完成，將試件取出，利用試驗(yàn)機(jī)將其劈裂，之后再進(jìn)行酚酞指示劑滴定、游標(biāo)尺測量，取最終平均值。由此試驗(yàn)可知，混凝土在加速碳化過程中的碳化深度與自然環(huán)境下碳化50d左右的碳化深度相同。

表2 混凝土配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 粉煤灰摻量與水膠比對(duì)碳化的影響

通過本次試驗(yàn)可以看出，水膠比中粉煤灰摻和量越多，相應(yīng)的混凝土的碳化深度就越深。在各種水膠比中，混凝土中摻和20%粉煤灰的碳化深度與未摻和粉煤灰的混凝土碳化數(shù)值相同，超出20%摻和量，相應(yīng)的混凝土的碳化深度逐漸增加，并隨著摻量的增加，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。另外，在粉煤灰摻量超過20%后，0.36、0.43和0.50水膠比下，混凝土碳化速率增加的倍數(shù)分別為8.7、6.8和2.8，且當(dāng)粉煤灰摻量超過六成以上，混凝土碳化深度的數(shù)值均在未摻和粉煤灰混凝土碳化深度的三倍以上，這足以說明，粉煤灰摻量越高，混凝土的抗碳化性就越低。當(dāng)水膠比從0.36增加到0.43時(shí)，粉煤灰摻量下的混凝土碳化深度變化較小，但當(dāng)水膠比從0.43上升到0.50時(shí)，粉煤灰摻量下的混凝土碳化深度呈增長趨勢。由此可見較低水膠比對(duì)粉煤灰摻量下混凝土的碳化耐久性有較強(qiáng)作用。

3.2 不同水膠比下混凝土的臨界粉煤灰摻量

本次試驗(yàn)中，使用擬合函數(shù)X=a+m（?ΓA）n來表示混凝土碳化深度與粉煤灰摻量之間的關(guān)系，a、m、n均為擬合參數(shù)，其中A為7.022，1.884和1.578，m 值為 0.091、0.010和 0.006，n值為 1.413、1.850和 1.882。將這些對(duì)應(yīng)的擬合數(shù)值帶入到公式中，即可得出不同水膠比下，混凝土碳化深度同粉煤灰摻量的關(guān)系。另外，為了保證混凝土的耐久性，應(yīng)將混凝土碳化深度控制在保護(hù)層厚度以內(nèi)。通常情況下，混凝土保護(hù)層的厚度控制在25mm左右，因考慮到不利因素的影響，本此實(shí)驗(yàn)將混凝土厚度控制在20mm左右，通過計(jì)算得出混凝土臨界粉煤灰摻量數(shù)值為33.46、54.66和 71.27（詳見表 3）。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成和比表面積

3.3 水膠比對(duì)未摻粉煤灰混凝土碳化深度的影響

表3 擬合參數(shù)

為了將未摻粉煤灰混凝土的碳化深度與水膠比之間的關(guān)系展示出來，選用X=-1.03+0.11e8.52mw/mb的指數(shù)函數(shù)公式進(jìn)行擬合計(jì)算，同樣將混凝土厚度控制在20mm，帶入公式中計(jì)算可得水膠比為0.62。

3.4 臨界粉煤灰摻量同水膠比之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型

在計(jì)算臨界粉煤灰摻量同水膠比之間的擬合關(guān)系時(shí)，通常采用公式?ΓA.c=174.8-280.9mw/mB。在實(shí)際工程中，可以結(jié)合實(shí)際水膠比計(jì)算臨界粉煤灰摻量。

4 結(jié)語

（1）粉煤灰摻量在20%以下時(shí)，對(duì)混凝土碳化性影響較小，高于20%則影響較大。在低水膠比高粉煤灰摻量下，混凝土的碳化會(huì)受到單位粉煤灰摻量的影響，但仍可滿足標(biāo)準(zhǔn)混凝土的耐久性要求。

（2）在水膠比的三個(gè)階段中，第一階段對(duì)混凝土碳化深度影響較小，到第二階段影響程度逐漸增加。

（3）本實(shí)驗(yàn)是制作20mm條件下，混凝土臨界粉煤灰摻量和水膠比之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際工程中可結(jié)合具體情況，建立不同的規(guī)格的數(shù)學(xué)模型。