粉煤灰混凝土碳化性能研究

张东生 周世腾

（宁夏大学土木与水利工程学院 宁夏银川 750021）

引言

自20世纪上半叶以来，混凝土组成成分经历了很大变革，其中一个最为显著的是向其中添加矿物掺合料。目前，粉煤灰已经成为混凝土中最常用的掺合料。然而，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土碳化现象加剧并可能使得大量使用矿物掺合料优势不再凸显。因此粉煤灰混凝土的碳化问题应当引起学者们的广泛关注。

1 粉煤灰混凝土的碳化机理

碳化机理可归结为空气中的CO2扩散到混凝土结构内部，然后和水泥中的碱性物质发生反应形成H2CO3，再与Ca（OH）2反应，硬化水泥浆中的CSH相也可能与CO2反应。而在混凝土中掺入粉煤灰后，首先水泥水化生成Ca（OH）2，而后与粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3产生二次反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，从而填充于毛细孔隙内，使混凝土变得更加致密。

2 影响因素

混凝土的碳化是在固相、液相和气相中进行的一个复杂的物理和化学过程[1]。从其过程来看，C02通过混凝土的固有缺陷渗透到混凝土的孔隙中，溶解于孔隙内的水形成H2CO3后发生的碳化反应。碳化速度主要取决于CO2扩散速度和混凝土孔隙液相中的含碱量。而CO2的扩散速度受密实度、相对湿度、CO2浓度和施工质量等因素的影响[2]。这些因素大致可以分为三大方面：环境因素如水泥用量、水胶比、水泥品种、掺合料等；材料因素如温度、湿度、压力和CO2浓度等；施工因素如浇筑、搅拌、振捣和养护条件等[1]。本文对其总结分析，就粉煤灰混凝土抗碳化性能主要影响因素进行阐述：

（1）水胶比：水胶比对抗碳化性能具有重要影响，水胶比的大小决定了混凝土内部微观结构与强度，而强度又影响混凝土抗碳化性能。前人的研究表明碳化深度与水胶比有直接关联，当水泥含量恒定时，水胶比越大，结构中的孔隙率越大，导致混凝土越不密实，从而加快了碳化速度以及增大了碳化深度，即混凝土碳化深度随水胶比增大而增加。陈金平[3]通过试验研究表明大掺量粉煤灰混凝土抗碳化能力与其抗压强度有密切关联。降低水胶比、提高粉煤灰混凝土抗压强度可以有效提高粉煤灰混凝土抗碳化能力。

（2）水泥用量：混凝土中可碳化物质的含量取决于水泥用量[4]。水泥用量既可以改变混凝土的工作性，提高其密实性，还可以增加混凝土中的碱性物质的储量，增加其抗碳化性能。张扬[5]等人试验结果表明：水泥用量对粉煤灰混凝土碳化深度的影响趋势大致是先增大后减小，并且碳化时间越长，碳化深度越大，但碳化速度随着水泥用量的增大略有减小。

（3）粉煤灰掺量：在混凝土中掺入粉煤灰具有正负两种效应。一方面可以使混凝土碱度降低，从而使其抗碳化能力下降。另一方面粉煤灰中的活性成分和水泥水化产物Ca（OH）2发生二次反应，使混凝土的孔隙率降低，从而混凝土将变得更加密实，有利于粉煤灰混凝土抗碳化能力[6]。陈金平[3]的试验结果表明：在早期，随着粉煤灰掺量增加，与基准混凝土相比，粉煤灰混凝土的孔隙率及透气率都明显增大，使空气中CO2的扩散速度加快，从而龄期的碳化深度增大。

（4）养护条件：养护条件对水泥水化程度有着重要的影响，前人就养护条件对混凝土抗碳化性能的影响进行了大量的研究。混凝土早期在高湿度养护条件下有利于形成更致密的微观结构，有效地提高其抗碳化性能[7]。此外，养护龄期越长，抗碳化性能越好。Sisomphon[8]研究得出缩短养护龄期将加速粉煤灰混凝土抗碳化性能劣化，粉煤灰掺量50%的混凝土经养护7d与3d的碳化深度与28d养护龄期的混凝土相比分别增长59%与94%。

3 结论与展望

由于试验采用的混凝土材料本身以及环境因素的差异性，国内外不同学者提出的规律及趋势也存在着很大差异，但大体相同。当下，随着粉煤灰混凝土应用领域的扩大，特别是粉煤灰混凝土所具有的的很多优异性能不能因抗碳化性能的不足而不能在一些工程实际中发挥作用[9]。此外，对劣化因素的考虑，应由单一因素影响向多重因素藕合影响转变，使试验条件更加真实反映混凝土的实际工作环境。