淺談粉煤灰對混凝土耐久性能的影響

淺談粉煤灰對混凝土耐久性能的影響內(nèi)容提要：本文闡述了粉煤灰對混凝土性能的影響,介紹了實際工程中大摻量粉煤灰混凝土取得的效果，討論了粉煤灰混凝土的應(yīng)用問題.粉煤灰在混凝土中的作用,不僅僅是一種經(jīng)濟(jì)的摻合料,而且是混凝土中的一種功能性材料.它可以改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高混凝土的耐久性.關(guān)鍵詞：粉煤灰耐久性電通量引言：混凝土作為最大宗的建筑材料用于工程建設(shè)迄今已有150年之久。在混凝土技術(shù)發(fā)展初期，人們把主要精力集中在如何提高混凝土強(qiáng)度方面。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，混凝土的強(qiáng)度不斷得以提高，混凝土脆性也在不斷增大。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，一些有遠(yuǎn)見卓識的建筑師和工程技術(shù)人員在提出混凝土強(qiáng)度指標(biāo)的同時，也相應(yīng)提出了混凝土的耐久性指標(biāo)。因此，以耐久性為目標(biāo)，兼顧高強(qiáng)度、高工作性和高耐久性的高性能混凝土就應(yīng)運而生了。粉煤灰是目前應(yīng)用廣泛的混凝土摻和料，對混凝土耐久性的提高有很大作用。本文闡述了粉煤灰對混凝土耐久性的影響及機(jī)理，并介紹了粉煤灰在工程應(yīng)用中取得的一些實際效果。1．抗?jié)B透性向混凝土中摻入粉煤灰能大幅度提高混凝土的抗?jié)B性主要原因有以下兩點：（1）溫峰削減和形貌效應(yīng)粉煤灰能顯著的降低水泥水化產(chǎn)生的溫升。因為，在保持混凝土的膠結(jié)材總量不變的條件下，它的摻入能相應(yīng)地降低了混凝土中水泥的用量。因而，水泥的水化熱量降低，摻量增大時，降低更多。盡管其本身在混凝土中將產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，要放出水化熱，但是，這種反應(yīng)滯后于水泥水化反應(yīng)，而且時間也拉得很長，其反應(yīng)熱可以忽略。所以，粉煤灰有良好的溫峰削減效應(yīng)，能減少因溫升過大造成的混凝土開裂，提高混凝土的體積穩(wěn)定性。粉煤灰顆粒絕大多數(shù)為玻璃球體，摻入混凝土中可減小內(nèi)摩擦力，從而減少混凝土中用水量，并使混凝土孔結(jié)構(gòu)得到改善，孔徑不斷細(xì)化，孔道曲折程度增大，因此，摻粉煤灰混凝土具有良好的抗?jié)B透能力。（2）火山灰活性效應(yīng)和吸附作用

粉煤灰顆粒含有活性Si02和AL2O3，它們不斷吸收水泥水化生成Ca(OH)2，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，填充水泥石毛細(xì)孔。水泥粒子之間填充性并不好，通常其平均粒徑為20-30μm，而粉煤灰(I,Ⅱ,Ⅲ級)的平均粒徑比水泥小，超細(xì)粉煤灰更小，平均粒徑3-6μm。因此，如果在水泥中摻入粉煤灰，則可大幅度改善膠凝材料顆粒的填充性，提高水泥石的致密度。純粉煤灰的相對密度比水泥的相對密度要小，在取代重量相當(dāng)?shù)乃鄷r，可使細(xì)顆粒含量增多，這些顆粒填充在水泥粒子之間和界面的空隙中，使水泥石結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)更為致密。同時，粉煤灰中活性成分火山灰反應(yīng)生成的水化硅酸鈣（C-S-H）能填塞水泥石中毛細(xì)孔隙，堵塞滲透通道，從而使混凝土的抗?jié)B性大幅提高。這樣，水和侵蝕介質(zhì)難以進(jìn)入混凝土的內(nèi)部，因而極大的提高了混凝土的耐久性。以上效應(yīng)協(xié)同發(fā)揮，極大的提高了混凝土的耐久性。2．抗凍融性摻粉煤灰混凝土具有良好的抗凍融性能。其對混凝土抗凍融性的影響有以下三個方面：（1）它們活性效應(yīng)固定了氫氧化鈣，使之不致于因浸析而擴(kuò)大冰凍劣化所產(chǎn)生的孔隙。（2）形態(tài)效應(yīng)能使混凝土用水量減少，明顯有利于減少孔隙和毛細(xì)孔。（3）填充效應(yīng)可使截留空氣量和泌水量減少，并使孔隙細(xì)化，有助于使引氣劑產(chǎn)生的微細(xì)氣孔分布均勻，從而大大改善了混凝土的抗凍性能。有試驗表明采用I級粉煤灰和低引氣型高效減水劑雙摻技術(shù)，所制備的C50粉煤灰混凝土具有良好的抗凍性，能經(jīng)受300次(慢凍法)凍融循環(huán)。加拿大的MalhotraV.M.etal通過試驗發(fā)現(xiàn)，50次凍融循環(huán)后，高摻量粉煤灰混凝土有輕微的表面剝落，經(jīng)300次凍融循環(huán)后，其出現(xiàn)的膨脹不會對混凝土造成危害，經(jīng)1000次凍融循環(huán)后，試件內(nèi)芯仍處于完好狀態(tài)。還有研究發(fā)現(xiàn)，混凝土的抗凍性隨粉煤灰摻量的增加而提高。如果在粉煤灰混凝土中加入引氣劑，其抗凍性會大幅提高。3.抗碳化性對混凝土的碳化作用有兩方面的影響。（1）如用粉煤灰取代部分水泥，使得混凝土中水泥熟料的含量降低，析出的氫氧化鈣數(shù)量必然減少，同時粉煤灰二次水化反應(yīng)（主要吸收Ca(OH)2）生成水化硅酸鈣，均導(dǎo)致混凝土堿度降低，亦即混凝土抗碳化性能降低，這是不利的一方面。（2）粉煤灰的微集料填充效應(yīng)，能使混凝土孔隙細(xì)化，結(jié)構(gòu)致密，在一定程度上能延緩碳化的程度，但是對防碳化擴(kuò)散來說，是達(dá)不到混凝土的要求的。對于粉煤灰的不利影響，現(xiàn)在已有相應(yīng)的措施加以改善。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰摻量等于或小于40、復(fù)摻礦渣粉至總量為60%,70%和80%時，混凝土碳化深度均比單摻60%粉煤灰混凝土的要低;粉煤灰摻量為50%、礦渣粉摻量為10%時，混凝土的碳化深度也比單摻60%粉煤灰的要低得多。即使用粉煤灰與礦渣粉的復(fù)摻技術(shù)可顯著緩和單摻粉煤灰混凝土抗碳化能力的下降，或在保持抗碳化性能不下降的情況下，可提高混凝土中摻合料的總量，降低水泥用量。4.抗氯離子滲透能力摻粉煤灰混凝土有較強(qiáng)的抗氯離子滲透能力?；炷林袚饺敕勖夯?，能夠改善水泥石的界面結(jié)構(gòu)，粉煤灰中活性成分火山灰反應(yīng)生成的水化硅酸鈣（C-S-H）填塞了水泥石中毛細(xì)孔隙，堵塞滲透通道，增強(qiáng)了混凝土的密實度，且C-S-H凝膠會吸附氯化物于其中，因而提高了混凝土的抗氯離子滲透能力。大連理工大學(xué)通過摻有礦物摻和料的混凝土擴(kuò)散性能試驗發(fā)現(xiàn)，在相同水膠比條件下，添加30%-45%的粉煤灰后，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯低于基準(zhǔn)混凝土，說明摻粉煤灰可以明顯的提高混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透能力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，同時摻粉煤灰和硅灰的混凝土抗氯離子滲透能力優(yōu)于單摻粉煤灰混凝土，在硅灰摻量為3%的情況下，雙摻粉煤灰和硅灰比單摻硅灰時的混凝土抗氯離子滲透能力更強(qiáng)，而硅灰摻量在4%和5%時，單摻硅灰比雙摻時好。5．抗硫酸鹽能力美國工程實踐表明，抗壓強(qiáng)度或其它情況相同時，混凝土的粉煤灰含量越高，其抗硫鹽的能力越強(qiáng)。英國建筑物科學(xué)研究院也建議用粉煤灰提高混凝土的抗硫酸鹽能力。研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻入粉煤灰，能減少水泥用量即減少了由水泥帶入的C3A含量，也減少了水泥水化生成的Ca(OH)2量，從而減少了與侵蝕溶液中侵蝕介質(zhì)反應(yīng)的Ca(OH)2量;粉煤灰中活性成分的火山灰反應(yīng)，減少了混凝土水化物中的游離Ca(OH):量，使得形成具有膨脹破壞作用的鈣磯石反應(yīng)也相應(yīng)減少，同時反應(yīng)生成的水化硅酸鈣填塞了水泥石中毛細(xì)孔隙，增強(qiáng)了混凝土的密實度，也降低了硫酸鹽侵蝕介質(zhì)的侵入與腐蝕速度6．抗堿一集料反應(yīng)能力摻粉煤灰能降低混凝土的堿性，有效抑制堿一集料反應(yīng)。有關(guān)試驗研究表明，高摻量粉煤灰混凝土浸泡在1當(dāng)量濃度的NaOH溶液中的膨脹量比相同條件下普通混凝土明顯要低。加拿大學(xué)者用粉煤灰等量替代高堿水泥，測試混凝土7d,28d,84d,364d,545d,3270d的膨脹量及相應(yīng)凈漿孔溶液中堿濃度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻合料能顯著抑制堿集料反應(yīng)，其機(jī)理不僅是對混凝土中堿的稀釋作用減少了水泥水化生成的Ca(OH)2量，摻合料的存在促使了堿固定于C-S-H中。中鐵隧道集團(tuán)承建甬臺溫鐵路三標(biāo)項目工程，其中隧道三座，分別為九牛山隧道（DK220+878~DK224+339），鳳凰山隧道（DK224+426~DK232+405），凰岙隧道（DK237+360~DK239+120）；大橋一座（新河浹大橋DK235+123），中橋5座（黃良中橋DK220+666.2，翠云中橋DK220+811，浴絲潭中橋DK224+378.79，白石1號中橋DK234+730.3，白石2號中橋DK235+700）；小橋涵洞共6座；樂清車站一座；。該項目所有工程所處環(huán)境為炭化環(huán)境（T2）,設(shè)計使用年限為100年,要求混凝土都為耐久性混凝土。混凝土電通量要求如下表：混凝土的電通量電通量（56d），C＜C30＜2000C30~C45＜1500≥C50＜1000在該工程中采用了大摻量粉煤灰混凝土，耐久性指標(biāo)方面取得了明顯的效果。材料情況如下表：配合比原材料一覽表材料名稱規(guī)格種類產(chǎn)地水泥浙江紅獅水泥有限限公司煤灰I級樂清市粉煤灰有限限公司砂子中砂福建閩江石子5-31.5mm樂清市趙家峒外加劑HT-HPC山西黃騰外加劑廠廠注：外加劑為聚羧酸高效減水劑C25配合比如下表：C25配合比水泥（Kg）砂（Kg）石子（Kg）水（Kg）外加劑（Kg）煤灰（Kg）煤灰摻量（%）56d電通量(C）26072511351504.6813033692C25混凝土電通量曲線圖C30配合比如下表：C30配合比水泥（Kg）砂（Kg）石子（Kg）水（Kg）外加劑（Kg）煤灰（Kg）煤灰摻量（%）56d電通量(C）28070211461524.80120301087C30混凝土電通量曲C40配合比如下表：C40配合比水泥（Kg）砂（Kg）石子（Kg）水（Kg）外加劑（Kg）煤灰（Kg）煤灰摻量（%）56d電通量(C）32068311621555.85130291268C40混凝土電通量曲線圖綜上可以看出，摻粉煤灰能大幅提高混凝土的耐久性。但應(yīng)用中有幾點需要認(rèn)真研究:1.摻粉煤灰混凝土的抗碳化性需要改善。措施包括:適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度。在粉煤灰混凝土中摻入耐久性改善劑。2.粉煤灰混凝土攪拌時，由于粉煤灰