浅谈粉煤灰对高性能混凝土耐久性的影响

2015-05-09吕娜杨毅

四川水泥 2015年3期

吕娜杨毅

（1.辽宁鑫圣达建筑材料有限公司； 2.辽宁鑫圣达建筑材料有限公司）

0引言

粉煤灰也叫飞灰（fly ash），简称 FA，不仅价廉，而且使用效果好，完全可以满足高性能混凝土的性能要求，粉煤灰等量或超量取代水泥，可以大大降低混凝土生产成本。高性能混凝土具有工作性高、强度高、耐久性高的特点，为达到这种性能，往往采用矿物掺合料和化学外加剂，如:硅灰、沸石，但硅灰的价格太高，沸石的应用受到地域的限制，相比之下，选用粉煤灰作为掺合料是理想的选择。

1、FA 对混凝土耐久性的影响

1.1 对抗渗性的影响

影响混凝土抗渗性的主要因素是混凝土的孔结构，包括孔的大小、数量、曲折度以及分布状况等。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，发生火山灰反应生成二次C-S-H 凝胶，可以填充其中的孔隙，改善混凝上中水泥石的孔结构，使总的孔隙率降低，大孔数量减少，小孔数量增多，孔结构进一步细化，分布更为合理，混凝上更加密实，抗渗性能得以提高。粉煤灰混凝土抗渗性能比基准混凝上有所提高，这在于火山灰反应，使普通混凝土内性能小稳定的氢氧化钙转为结构上致密、性能上稳定的胶凝物质，使其提高了混凝土的抗渗性。粉煤灰的火山灰反应是一个长期进行的过程，不断进行的火山灰反应，使粉煤灰混凝上的孔结构进一步优化，混凝上的抗渗性也进一步改善。粉煤灰混凝上的抗渗性能与粉煤灰的掺量和混凝土的龄期有关。当粉煤灰的掺量为 30%时，其渗透系数仅为纯水泥混凝土的 38.5%；65d龄期的渗透系数可比 28d 时提高一个数量级。

1.2 对抗冻性的影响

粉煤灰混凝土 28d 以前龄期，混凝土的孔结构较纯水泥混凝土的大，故粉煤灰混凝土的早期抗冻性要下降。随着粉煤灰掺量的增加，抗冻性下降的幅度也越大。但随着龄期的增长，其抗冻性下降的幅度大大缩小。在等强超量取代的条件下，则对抗冻性的影响不大。在混凝土中以 15%的粉煤灰代替相应的水泥，其抗冻性超过基准混凝土，但掺量太高(50%)时，经过 150-200 次冻融，混凝土出现明显破坏。粉煤灰的掺入量与混凝土抗冻性能的关系，如图一所示。混凝土的含气量也是影响混凝土抗冻能力的重要因素。对处于严寒地区的粉煤灰混凝土工程，掺入适量的引气剂，可提高其抗冻性能。粉煤灰的含碳量、烧失量、碳化性质、细度以及粉煤灰的掺量等会影响混凝土的含气量。随粉煤灰掺量的增加，在相同引气剂掺量下，混凝土的含气量呈下降趋势，影响混凝土的抗冻性。一般认为这是由于引气剂引入的气泡被粉煤灰中的细微颗粒吸附成的。对引气量小于 3.5%的粉煤灰混凝土，其水灰比对抗冻性有显著的影响，水灰比越小，抗冻性能越好，如果混凝土中有足够的含气量，则其水灰比对混凝土的抗冻性能影响不大。

图一：粉煤灰掺量与混凝土抗冻性

1.3 对混凝土碳化性能的影响

粉煤灰混凝土的抗碳化性能较差。粉煤灰混凝土中，由于的水泥用量的减少，水泥水化析出的 Ca(OH)2 数量也相应减少，而且，火山灰反应也消耗了一定量的Ca(OH)2，使混凝土的 PH 值降低，会增加混凝土的碳化速度。特别在水化早期，粉煤灰火山灰反应程度低，粉煤灰、水泥体系孔结构疏松，CO2、O2、水分等入侵阻力小，因此碳化深度较大。随着龄期的增长和粉煤灰火山灰效应的逐渐发挥，碳化速度将逐渐降低。研究中发现，粉煤灰混凝土的碳化深度随水灰比及粉煤灰掺量的增加而有所增加。在水灰比为 0.5～0. 55，粉煤灰掺量不大于 30%和一般施工水平的情况下，15～17 年混凝土的碳化深度可达 20mm 左右。因此，对高性能混凝土的材料选择中，要考虑 FA 混凝土的碳化问题，国家标准 GBJ146-90中规定了粉煤灰在混凝土中取代水泥的限量，见图二。

碳化反应在一定的相对湿度范围内进行最快，否则，反应较慢。当相对湿度在 25%以下或者接近 100%，即混凝土在充分干燥或水饱和的场合，混凝土都不易产生碳化收缩。在基础工程等不与大气接触的混凝土工程中，由于与 CO2隔绝，不会发生碳化反应，因此可较多地掺加粉煤灰，以充分降低混凝土的水化热，提高混凝土的耐久性。采用超量取代法，较低的水胶比，同时掺加以减水剂为主的外加剂进行配合比设计，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。

图二： FA 取代水泥最大限量单位：%

1.4 FA 对混凝土强度的影响

粉煤灰对混凝土强度的改善作用有:

1)物理作用:粉煤灰掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高了水泥浆的密实度，降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料——水泥浆界面强度的提高。

2)化学火山灰作用:粉煤灰颗粒与 Ca(OH)2反应生成水化硅酸盐水泥最终产物中，Ca(OH)2的体积占整个水泥石的25%，而且它的结晶强度最低，仅是托勃莫来石强度的1%～2%。粉煤灰对Ca(OH)2有吸收作用，大概能吸收总量的15%～30%。研究表明，用等同重量的低钙粉煤灰取代水泥后，前28 d的强度有可能降低。但随着龄期的增长，粉煤灰与 Ca(OH)2反应生成的水化硅酸钙不断增多，使混凝土后期强度有所增长。所以在工程设计和施工中利用后期强度，则更为有利。

1.5 FA 对混凝土抗腐蚀性的影响

粉煤灰混凝上抗硫酸盐侵蚀的能力有所提高。一方而，由于减少了水泥用量，也就减少了混凝上受腐蚀的内部因素；另一方而，粉煤灰的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中，会成为大量水化物沉积的核心，随着水化龄期的发展，这些细微颗粒及其水化反应产物填充水泥石孔隙，改善了混凝上的孔结构(“微集料效应”)，逐渐降低混凝上的渗透性，阻碍侵蚀性介质侵入。氯盐是促使钢筋锈蚀，威胁钢筋混凝上建筑物耐久性的最危险物质，是促使混凝上中钢筋去钝化的无可匹敌的杀手。在施工现场必须控制矿物掺合料与配合比选择时所采用的材料相同，现场应按施工配合比用量通过计量加入。配制高性能混凝土的矿物掺合料（Ⅰ级粉煤灰、磨细矿粉）应符合GB1596-2005和 GB/T18046-2008 的规定。Ⅰ级粉煤灰需水量比不应大于 95%，磨细矿粉比表面积应大于 350m2/kg。渗入的引气剂、保坍剂及其他改善混凝土性能的外加剂应符合 GB8076 的规定，其品种及数量由试验确定。