粉煤灰对钢筋混凝土耐久性能的影响及其应用研究_粉煤灰对混凝土的影响

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粉煤灰对钢筋混凝土耐久性能的影响及其应用研究

粉煤灰在国内已经应用多年。但一般只把它当作一种 *S 济”的掺合料，试验方法、使用规定均以代替”为出发点，以适应于水泥的条件来检验粉煤灰的效应，所以得出的结论总是掺量有限，多了不利。泵送混凝土使粉煤灰从 *S 济”掺合料走向了幼能”材料，但离充分发挥粉煤灰作用还有一定的距离。随着国内外对粉煤灰的大量研究及工程应用实践，结果表明，在钢筋混凝土中掺入粉煤灰能改善混凝土内部结构、大幅提高混凝土的耐久性，其有着良好的技术性、经济性与社会意义之统一’ 11 已不仅只是经济”掺和料)。正是基于粉煤灰对提高混凝土耐久性的良好应用前景，本文根据国内外研究情况，阐述粉煤灰对钢筋混凝土耐久性的影响及机理，并对其应用进行探讨。抗渗透性

向混凝土中掺入粉煤灰，能够改善混凝土界面结构，使其渗透通道比基准混凝土的弯曲;粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙 C-S-日凝胶)能填塞水泥石中的毛细孔隙，堵塞渗透通道，增强了混凝土的密实度，增大了渗透阻力;同时其孔径分布与基准混凝土也不同，掺粉煤灰混凝土大孔数量较少，其渗透系数也较小，具有良好的抗渗能力。有文献报道’刁，高掺量粉煤灰混凝土的渗透系数可低至 1.6x10-’45.7x10-13m/s。随着混凝土龄期增长，粉煤灰的火山灰活性进一步发挥，粉煤灰混凝土的抗渗性能提高更大。

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 3 个方面，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。6)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’ 31，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 M alh otra V.M.etal 通过试验 141 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’ 5] 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。口)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): 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，是达不到钢筋混凝土的要求的。对于粉煤灰的不利影响，现在已有相应的措施加以改善。如研究’ 6] 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，降低水泥用月巨。

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 凝胶)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’ 71 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，其抗硫酸盐的能力越强。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’ 81。研究发现，在混凝土中掺入粉煤灰，口)能减少水泥用量即减少了由水泥带入的 C,A 含量，也减少了水泥水化生成的 Ca(0 H)2 量，从而减少了与侵蚀溶液中侵蚀介质反应的 Ca(OH): 量;2)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’ 91 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碱少了水泥水化生成的 Ca(0 H): 量)，掺合料的存在促使了碱固定于 C-S-H 中 1101抗钢筋锈蚀能力

掺加粉煤灰，能提高混凝土中钢筋的抗锈蚀能力。对大掺量粉煤灰混凝土的碱度研究发现，粉煤灰掺量为 0% ,30% ,40% ,50% ,60%, 70% 时，其 pH 值分别为 12.56,12.50,12.46,12.24,12.15,12.06，即粉煤灰掺量即使达到 70%, 混凝土的 pH 值仍在 12 以上，仍高于钢筋混凝土结构允许的碱度(11.50)值，高于钢筋表面钝化膜破坏的临界值 户 H=11.50)，说明掺粉煤灰混凝土中的钢筋仍能形成致密的钝化膜。同剂大学的贺鸿珠、陈志源等人在青岛小麦岛试验区海水中混凝土构件长达 11 年的暴露实验发现，掺粉煤灰后混凝土的抗钢筋锈蚀能力明显提高。这与先前普遍认为在混凝土中掺加粉煤灰会对钢筋造成不良影响锈蚀)刚好相反。

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。因为它的掺入，在保持混凝土的胶结材总量不变的条件下，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，这种反应滞后于主体对混凝土的水泥水化反应，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。火山灰活性效应和吸附作用

粉煤灰颗粒含有活性 Si0: 和 AI203，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，并和游离石灰以及高碱度水化硅酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱度水化硅酸钙，改善水化胶凝物质的组成，并减少或消除了游

离石灰，且粉煤灰混凝土水化时产生的大量 C-S-H 凝胶会吸收和固定大量 Na’, Ka’ 和氯化物，使混凝土孔溶液中的有效碱和氯离子含量大大减少，因而有效抑制碱一集料反应，减少氯离子的侵蚀。

3.填充作用

水泥粒子之间填充性并不好，通常其平均粒径为 20-30Rm，而粉煤灰(I ,11,m 级)的平均粒径比水泥小超细粉煤灰更小，平均粒径 3-6Rm>。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，在取代细度相近、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 凝胶)能填塞了水泥石中毛细孔隙，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。以上效应或作用)协同发挥，极大的提高了混凝土的耐久性。

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 : 口)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。据研究，掺入耐久性改善剂，可提高混凝土的抗碳化性能。例如掺入耐久性改善剂的钢筋混凝土结构(水灰比为 05，保护层 40mm)，其碳化速度极慢，碳化至钢筋表面需 800 年’ 121 混凝土的表面作防护处理，采用双掺技术等，以减少和防止掺粉煤灰混凝土的过早碳化。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。8)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。

4)粉煤灰中的粗颗粒可在混凝土中起稳定体积的作用，故不必追求细度。碳会降低粉煤灰的抗裂性，故对粉煤灰重点应控制烧失量。