粉煤灰对钢筋混凝土耐久性能的影响及其应用研究.doc

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浅谈粉煤灰对混凝土耐久性能的影响

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内容提要：

本文阐述了粉煤灰对混凝土性能的影响,介绍了实际工程中大掺量粉煤灰混凝土取得的效果，讨论了粉煤灰混凝土的应用问题.粉煤灰在混凝土中的作用,不仅仅是一种经济的掺合料,而且是混凝土中的一种功能性材料.它可以改善混凝土内部结构,提高混凝土的耐久性.

关键词：

粉煤灰耐久性电通量

引言：

混凝土作为最大宗的建筑材料用于工程建设迄今已有150年之久。

在混凝土技术发展初期，人们把主要精力集中在如何提高混凝土强度方面。

随着科学技术的不断进步，混凝土的强度不断得以提高，混凝土脆性也在不断增大。

进入20世纪90年代，一些有远见卓识的建筑师和工程技术人员在提出混凝土强度指标的同时，也相应提出了混凝土的耐久性指标。

因此，以耐久性为目标，兼顾高强度、高工作性和高耐久性的高性能混凝土就应运而生了。

粉煤灰是目前应用广泛的混凝土掺和料，对混凝土耐久性的提高有很大作用。

本文阐述了粉煤灰对混凝土耐久性的影响及机理，并介绍了粉煤灰在工程应用中取得的一些实际效果。

1．抗渗透性

向混凝土中掺入粉煤灰能大幅度提高混凝土的抗渗性主要原因有以下两点：

（1）温峰削减和形貌效应

  粉煤灰能显著的降低水泥水化产生的温升。

因为，在保持混凝土的胶结材总量不变的条件下，它的掺入能相应地降低了混凝土中水泥的用量。

因而，水泥的水化热量降低，掺量增大时，降低更多。

尽管其本身在混凝土中将产生火山灰反应，要放出水化热，但是，这种反应滞后于水泥水化反应，而且时间也拉得很长，其反应热可以忽略。

所以，粉煤灰有良好的温峰削减效应，能减少因温升过大造成的混凝土开裂，提高混凝土的体积稳定性。

粉煤灰颗粒绝大多数为玻璃球体，掺入混凝土中可减小内摩擦力，从而减少混凝土中用水量，并使混凝土孔结构得到改善，孔径不断细化，孔道曲折程度增大，因此，掺粉煤灰混凝土具有良好的抗渗透能力。

（2）火山灰活性效应和吸附作用

  粉煤灰颗粒含有活性Si02和AL2O3，它们不断吸收水泥水化生成Ca（OH）2，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，填充水泥石毛细孔。

水泥粒子之间填充性并不好，通常其平均粒径为20-30μm，而粉煤灰（I,Ⅱ,Ⅲ级）的平均粒径比水泥小，超细粉煤灰更小，平均粒径3-6μm。

因此，如果在水泥中掺入粉煤灰，则可大幅度改善胶凝材料颗粒的填充性，提高水泥石的致密度。

纯粉煤灰的相对密度比水泥的相对密度要小，在取代重量相当的水泥时，可使细颗粒含量增多，这些颗粒填充在水泥粒子之间和界面的空隙中，使水泥石结构和界面结构更为致密。

同时，粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙（C-S-H）能填塞水泥石中毛细孔隙，堵塞渗透通道，从而使混凝土的抗渗性大幅提高。

这样，水和侵蚀介质难以进入混凝土的内部，因而极大的提高了混凝土的耐久性。

以上效应协同发挥，极大的提高了混凝土的耐久性。

2．抗冻融性

掺粉煤灰混凝土具有良好的抗冻融性能。

其对混凝土抗冻融性的影响有以下三个方面：

（1）它们活性效应固定了氢氧化钙，使之不致于因浸析而扩大冰冻劣化所产生的孔隙。

（2）形态效应能使混凝土用水量减少，明显有利于减少孔隙和毛细孔。

（3）填充效应可使截留空气量和泌水量减少，并使孔隙细化，有助于使引气剂产生的微细气孔分布均匀，从而大大改善了混凝土的抗冻性能。

有试验表明采用I级粉煤灰和低引气型高效减水剂双掺技术，所制备的C50粉煤灰混凝土具有良好的抗冻性，能经受300次（慢冻法）冻融循环。

加拿大的MalhotraV.M.etal通过试验发现，50次冻融循环后，高掺量粉煤灰混凝土有轻微的表面剥落，经300次冻融循环后，其出现的膨胀不会对混凝土造成危害，经1000次冻融循环后，试件内芯仍处于完好状态。

还有研究发现，混凝土的抗冻性随粉煤灰掺量的增加而提高。

如果在粉煤灰混凝土中加入引气剂，其抗冻性会大幅提高。

3.抗碳化性

  对混凝土的碳化作用有两方面的影响。

（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，析出的氢氧化钙数量必然减少，同时粉煤灰二次水化反应（主要吸收Ca（OH）2）生成水化硅酸钙，均导致混凝土碱度降低，亦即混凝土抗碳化性能降低，这是不利的一方面。

（2）粉煤灰的微集料填充效应，能使混凝土孔隙细化，结构致密，在一定程度上能延缓碳化的程度，但是对防碳化扩散来说，是达不到混凝土的要求的。

对于粉煤灰的不利影响，现在已有相应的措施加以改善。

研究发现，当粉煤灰掺量等于或小于40、复掺矿渣粉至总量为60%,70%和80%时，混凝土碳化深度均比单掺60%粉煤灰混凝土的要低;粉煤灰掺量为50%、矿渣粉掺量为10%时，混凝土的碳化深度也比单掺60%粉煤灰的要低得多。

即使用粉煤灰与矿渣粉的复掺技术可显著缓和单掺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况下，可提高混凝土中掺合料的总量，降低水泥用量。

4.抗氯离子渗透能力

掺粉煤灰混凝土有较强的抗氯离子渗透能力。

混凝土中掺入粉煤灰，能够改善水泥石的界面结构，粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙（C-S-H）填塞了水泥石中毛细孔隙，堵塞渗透通道，增强了混凝土的密实度，且C-S-H凝胶会吸附氯化物于其中，因而提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。

大连理工大学通过掺有矿物掺和料的混凝土扩散性能试验发现，在相同水胶比条件下，添加30%-45%的粉煤灰后，混凝土的氯离子扩散系数明显低于基准混凝土，说明掺粉煤灰可以明显的提高混凝土结构抗氯离子渗透能力。

进一步研究发现，同时掺粉煤灰和硅灰的混凝土抗氯离子渗透能力优于单掺粉煤灰混凝土，在硅灰掺量为3%的情况下，双掺粉煤灰和硅灰比单掺硅灰时的混凝土抗氯离子渗透能力更强，而硅灰掺量在4%和5%时，单掺硅灰比双掺时好。

5．抗硫酸盐能力

美国工程实践表明，抗压强度或其它情况相同时，混凝土的粉煤灰含量越高，其抗硫盐的能力越强。

英国建筑物科学研究院也建议用粉煤灰提高混凝土的抗硫酸盐能力。

研究发现，在混凝土中掺入粉煤灰，能减少水泥用量即减少了由水泥带入的C3A含量，也减少了水泥水化生成的Ca（OH）2量，从而减少了与侵蚀溶液中侵蚀介质反应的Ca（OH）2量;粉煤灰中活性成分的火山灰反应，减少了混凝土水化物中的游离Ca（OH）:

量，使得形成具有膨胀破坏作用的钙矶石反应也相应减少，同时反应生成的水化硅酸钙填塞了水泥石中毛细孔隙，增强了混凝土的密实度，也降低了硫酸盐侵蚀介质的侵入与腐蚀速度

6．抗碱一集料反应能力

掺粉煤灰能降低混凝土的碱性，有效抑制碱一集料反应。

有关试验研究表明，高掺量粉煤灰混凝土浸泡在1当量浓度的NaOH溶液中的膨胀量比相同条件下普通混凝土明显要低。

加拿大学者用粉煤灰等量替代高碱水泥，测试混凝土7d,28d,84d,364d,545d,3270d的膨胀量及相应净浆孔溶液中碱浓度。

结果发现，掺合料能显著抑制碱集料反应，其机理不仅是对混凝土中碱的稀释作用减少了水泥水化生成的Ca（OH）2量，掺合料的存在促使了碱固定于C-S-H中。

中铁隧道集团承建甬台温铁路三标项目工程，其中隧道三座，分别为九牛山隧道（DK220+878~DK224+339），凤凰山隧道（DK224+426~DK232+405），凰岙隧道（DK237+360~DK239+120）；大桥一座（新河浃大桥DK235+123），中桥5座（黄良中桥DK220+666.2，翠云中桥DK220+811，浴丝潭中桥DK224+378.79，白石1号中桥DK234+730.3，白石2号中桥DK235+700）；小桥涵洞共6座；乐清车站一座；。

该项目所有工程所处环境为炭化环境（T2）,设计使用年限为100年,要求混凝土都为耐久性混凝土。

混凝土电通量要求如下表：

混凝土的电通量

电通量（56d），C

＜C30

＜2000

C30~C45

＜1500

≥C50

＜1000

在该工程中采用了大掺量粉煤灰混凝土，耐久性指标方面取得了明显的效果。

材料情况如下表：

配合比原材料一览表

材料名称

规格种类

产地

水泥

P.O42.5

浙江红狮水泥有限公司

煤灰

I级

乐清市粉煤灰有限公司

砂子

中砂

福建闽江

石子

5-31.5mm

乐清市赵家峒

外加剂

HT-HPC

山西黄腾外加剂厂

注：

外加剂为聚羧酸高效减水剂

C25配合比如下表：

C25配合比

水泥

（Kg）

砂

（Kg）

石子

（Kg）

水

（Kg）

外加剂

（Kg）

煤灰

（Kg）

煤灰掺量

（%）

56d电通量

（C）

260

725

1135

150

4.68

130

33

692

C25混凝土电通量曲线图

C30配合比如下表：

C30配合比

水泥

（Kg）

砂

（Kg）

石子

（Kg）

水

（Kg）

外加剂

（Kg）

煤灰

（Kg）

煤灰掺量

（%）

56d电通量

（C）

280

702

1146

152

4.80

120

30

1087

C30混凝土电通量曲

C40配合比如下表：

C40配合比

水泥

（Kg）

砂

（Kg）

石子

（Kg）

水

（Kg）

外加剂

（Kg）

煤灰

（Kg）

煤灰掺量

（%）

56d电通量

（C）

320

683

1162

155

5.85

130

29

1268

C40混凝土电通量曲线图

综上可以看出，掺粉煤灰能大幅提高混凝土的耐久性。

但应用中有几点需要认真研究:

1.掺粉煤灰混凝土的抗碳化性需要改善。

措施包括:

适当增加混凝土保护层厚度。

在粉煤灰混凝土中掺入耐久性改善剂。

2.粉煤灰混凝土搅拌时，由于粉煤灰遇水易粘结成团，因此应与水泥同时投料并拌匀，然后再加水搅拌，搅拌时间宜延长，其潮湿养护时间也应适当延长。

3.复掺即粉煤灰、硅粉和矿渣粉等复合使用，能补偿单掺之不足，使单组分充分发挥各自的效应。

并由于各组分颗粒形态、细度、化学组成均有不同，有可能相互激发，相互补充，对水泥石的孔结构产生复合效应，这种复合效应有待于作进一步的深入研究。

参考文献：

[1]张云连，粉煤灰与混凝土结构耐久性，混凝土，2005.4