自從德國(guó)和日本分別成功研制出了高效減水劑后，各種礦物摻合料和高效添加劑的使用就彌補(bǔ)了水泥凝膠體在微觀尺度的很多缺陷。目前，礦物摻合料也幾乎成了混凝土必不可少的功能性組分材料。粉煤灰作為活性礦物摻合料的代表，受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的青睞，對(duì)其摻加到混凝土的耐久性做了大量試驗(yàn)研究。雖然由于試驗(yàn)材料、方法等的不同，試驗(yàn)結(jié)論雖然有所差異，但在粉煤灰的摻量對(duì)于混凝土耐久性的影響方面卻得出了一致的結(jié)論。因此文章將從抗氯離子滲透性、抗碳化性能和抗凍性三個(gè)方面來(lái)綜述粉煤灰摻量對(duì)混凝土耐久性的影響。

    1 粉煤灰對(duì)混凝土的貢獻(xiàn)

    煤灰可以與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)形成與C-S-H凝膠具有相似組成和力學(xué)性能的產(chǎn)物，而且可以降低毛細(xì)孔體積和孔徑，提高混凝土強(qiáng)度。并且在澆注大體積混凝土?xí)r，用粉煤灰部分代替水泥，可以降低混凝土的水化熱，減少溫度裂縫的產(chǎn)生。粉煤灰對(duì)混凝土的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在三大效應(yīng)，即火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)。①火山灰效應(yīng)指的是粉煤灰中的活性SiO2與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成難溶的水化硅酸鹽C-S-H凝膠沉積在骨料與水泥石界面的孔隙內(nèi)，水化硅酸鹽C-S-H凝膠呈纖維狀，具有很大的剛性和比表面積，凝膠粒子間存在著范德華力和化學(xué)鍵力，提高了混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；②形態(tài)效應(yīng)是指粉煤灰顆粒呈大小不等的球狀玻璃體，表面致密光滑，在表面負(fù)電性的作用下，可以有效地分散水泥顆粒，使?jié){體充分包裹骨料顆粒，在塌落度和和易性不變的情況下降低用水量，起到減水作用；③微細(xì)集料效應(yīng)是指按照Aim和Goff模型理論，當(dāng)把揍有超細(xì)礦物摻合料的水泥基材料系統(tǒng)看作多元系統(tǒng)，則在該系統(tǒng)中存在著一個(gè)最緊密堆積，其值取決于超細(xì)礦物接合料顆粒與水泥顆粒的直徑比，該比值越小，最緊密堆積值越大。粉煤灰顆粒的平均粒徑比水泥顆粒小約一個(gè)數(shù)量級(jí)，粉煤灰細(xì)微顆粒均勻分散到水泥漿體中，填充水泥水化后的孔隙或與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，使混凝土更加密實(shí)。

    2 粉煤灰摻量對(duì)混凝土耐久性的影響

    2.1 對(duì)抗?jié)B性能的影響

    粉煤灰的加入會(huì)增加混凝土硬化前期的孔隙率，降低前期混凝土的抗?jié)B性能。但隨著水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2的增多，粉煤灰的活性被激發(fā)，與Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)生成水化硅酸鹽凝膠，填充細(xì)化反應(yīng)前期產(chǎn)生的孔隙。在這期間，微集料效應(yīng)也發(fā)揮作用，混凝土的孔隙率降低，大孔孔徑減小，密實(shí)度增大。但粉煤灰摻量過(guò)大也會(huì)因?yàn)槲此w粒過(guò)多沉積在膠凝材料與骨料的界面處，影響混凝土的黏聚性，降低混凝土的密實(shí)度。混凝土的密實(shí)度不僅影響到抗氯離子滲透性，還關(guān)系到混凝土的抗碳化、抗凍和耐腐蝕性能。因此混凝土的抗?jié)B性能是衡量混凝土耐久性的重要指標(biāo)。

    謝友均等人在C40高性能混凝土中摻入0，10%，20%，30%，40%的粉煤灰的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的電通量降低。在粉煤灰摻量20%左右時(shí)，電通量值降低幅度減小，曲線(xiàn)趨于平緩（見(jiàn)圖1），當(dāng)強(qiáng)度變化時(shí)這個(gè)摻量范圍不發(fā)生變化。

    王稷良等人在C60高強(qiáng)混凝土中用粉煤灰取代水泥，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的氯離子滲透系數(shù)逐漸減小，粉煤灰摻量由25%到36%時(shí)，氯離子滲透系數(shù)減小幅度會(huì)變的十分微小。

    湯文秀以再生混凝土材料為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，摻入不同摻量的粉煤灰后，測(cè)定混凝土的孔隙率指標(biāo)、自由氯離子指標(biāo)、導(dǎo)電量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)，得出結(jié)論：粉煤灰可以明顯提高再生混凝土的抗氯離子滲透性能。隨著粉煤灰摻量的增加，再生混凝土的孔隙率、導(dǎo)電量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均逐漸降低。在粉煤灰摻量20%時(shí)，再生混凝土的大孔占總孔隙的比率最低，自由氯離子指標(biāo)最佳。

    Faiz等人的試驗(yàn)研究得出的最佳摻量范圍又有所增加，粉煤灰摻量在32%時(shí)表現(xiàn)出比其他摻量更好地抗?jié)B、耐腐蝕性。并且硬化后期孔隙總體積也較小，而若采用超細(xì)粉煤灰則在摻量8%時(shí)耐久性最佳。

    但趙年全的試驗(yàn)結(jié)果與以上結(jié)論并不相同，最佳摻量范圍有所升高，而且粉煤灰的摻加降低了電通量值。趙年全在C60高性能混凝土中分別摻入0，10%，20%，30%，40%，50%，60%的粉煤灰，進(jìn)行試驗(yàn)，電通量法測(cè)混凝土的抗氯離子滲透性。結(jié)果顯示：摻加粉煤灰的混凝土電通量值明顯降低，且在30%～40%有一個(gè)低谷。在此摻量間，混凝土的抗氯離子滲透性有最佳值（見(jiàn)圖2）。這可能是所采用的粉煤灰質(zhì)量和測(cè)試齡期的不同造成的。

    張嘉新等人在混凝土中分別摻入0，10%，20%，30%的粉煤灰，通過(guò)測(cè)定不同齡期混凝土的總孔隙率、最可幾孔徑、比孔容積和RCM法測(cè)抗?jié)B性。得出結(jié)論：28d齡期以前，混凝土的抗?jié)B性隨著粉煤灰摻量的增加而降低，隨著齡期的延長(zhǎng)，盡管總孔隙率未有明顯降低，但孔徑明顯細(xì)化，有害孔數(shù)量明顯減少；90d齡期時(shí)，摻20%粉煤灰的混凝土抗?jié)B性最好，并且隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土的抗?jié)B性有隨粉煤灰摻量的增加而提高的趨勢(shì)（見(jiàn)圖3）。

    2.2 對(duì)抗碳化性能的影響

    粉煤灰對(duì)混凝土抗碳化性能的改善作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①粉煤灰中的活性成分與氫氧化鈣二次反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H類(lèi)凝膠阻斷或減小了毛細(xì)孔徑，使混凝土微觀結(jié)構(gòu)致密，CO2分子難以侵入；② C-S-H類(lèi)凝膠可以吸附部分CO2，阻止其繼續(xù)侵入。但是粉煤灰中的活性成分與Ca（OH）2反應(yīng)，使混凝土孔溶液的PH值由原來(lái)的13降低到9左右。實(shí)際上，在CO2和水的作用下，當(dāng)PH值降低到11左右時(shí)，鋼筋表面的鈍化膜就會(huì)破壞。粉煤灰對(duì)混凝土抗碳化性能的影響就是在這正負(fù)兩個(gè)方面的作用下形成的。

    Sulapha 等人對(duì)礦物摻合料混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)摻加粉煤灰的混凝土比起未摻礦物摻合料的混凝土碳化更深。由于摻合料的加入引起的火山灰效應(yīng)，混凝土中Ca（OH）2量減少，導(dǎo)致碳化速度加快。彭波等人的研究表明：粉煤灰的摻入會(huì)加速混凝土的碳化，并且摻量越大，速度越快。劉斌與Michael對(duì)碳化速度描述的更為細(xì)致。劉斌在不同水灰比的普通強(qiáng)度混凝土中分別摻入0，20%，40%，60%的粉煤灰進(jìn)行抗碳化實(shí)驗(yàn)。研究表明：隨著水灰比的增大，混凝土抗碳化能力下降，在不同的水灰比下，混凝土的抗碳化性能均隨著粉煤灰摻量的增加而降低。當(dāng)摻量為20%和40%時(shí)，碳化深度隨時(shí)間的增長(zhǎng)變得緩慢（見(jiàn)圖4）；Michael試驗(yàn)研究認(rèn)為粉煤灰摻量在15%～30%時(shí)其抗碳化性能與不摻粉煤灰的混凝土相近，但摻量為50%以上時(shí)其抗碳化性能急劇下降。這兩者在摻量范圍上的差異可能與水灰比和所選用的粉煤灰質(zhì)量不同有關(guān)。高英力等人通過(guò)測(cè)定28d和56d齡期混凝土的碳化深度和內(nèi)部孔溶液的PH值研究表明，Ⅱ級(jí)粉煤灰的摻入可以顯著降低輕骨料混凝土的抗碳化性能，而超細(xì)粉煤灰對(duì)輕骨料混凝土堿度的影響不大， 但當(dāng)粉煤灰摻量大于20% 時(shí)，混凝土內(nèi)部孔溶液堿度會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加逐漸降低，混凝土的抗碳化能力也減弱。于光林考慮對(duì)鋼筋的影響，他通過(guò)試驗(yàn)研究認(rèn)為粉煤灰與混凝土中Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，降低了混凝土中的堿性，對(duì)鋼筋銹蝕不利，特別是摻量超過(guò)30%時(shí)對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋明顯不利。

    2.3 對(duì)抗凍性能的影響

    混凝土的凍融破壞與本身的強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，受溫濕度環(huán)境的影響。當(dāng)水泥水化產(chǎn)生Ca（OH）2后，粉煤灰與其進(jìn)行二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生的水化硅酸鈣凝膠使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，有害孔的數(shù)量減少。但混凝土硬化前期，二次水化反應(yīng)進(jìn)行較慢，粉煤灰混凝土的抗凍性能較差。粉煤灰摻量越多，水化反應(yīng)越慢，越不利于消除有害孔，混凝土的抗凍性能越差；粉煤灰摻量過(guò)少又不足以降低水化熱，減少溫縮裂縫，起到改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)的作用。因此合適的粉煤灰摻量對(duì)混凝土的抗凍性能有重要的影響。

    劉數(shù)華等人在普通強(qiáng)度的混凝土中分別摻加0，15%，30%，45%的粉煤灰，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：90d齡期內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的變化值不太大，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都最大；經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后混凝土的強(qiáng)度和重量損失均隨著粉煤灰摻量的增加而減小，粉煤灰摻量從0提高到15%時(shí)，混凝土的300次凍融后強(qiáng)度和重量損失急劇降低，當(dāng)摻量繼續(xù)增大時(shí)，強(qiáng)度和質(zhì)量損失基本不變。即粉煤灰摻量15%時(shí)對(duì)抗凍性的提高達(dá)到最佳。當(dāng)采用不同等級(jí)的粉煤灰時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的性質(zhì)。任建章等人在混凝土中分別摻入0，15%，25%，35%的Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)粉煤灰，在試件連續(xù)凍融100次后，摻加Ⅰ級(jí)粉煤灰的混凝土抗凍性比未摻加粉煤灰的試件好，且有一個(gè)最佳摻量15%。在此之后隨摻量的增加，抗凍性下降。而摻加Ⅱ級(jí)灰的混凝土抗凍性比未摻加粉煤灰的試件要差，但在15%以后相對(duì)動(dòng)彈模量加速下降（見(jiàn)圖5、圖6）。在高強(qiáng)混凝土中，最佳摻量又有所變化。王稷良等人在高強(qiáng)混凝土中分別摻入0，14%，25%，36%的粉煤灰進(jìn)行試驗(yàn)。研究表明：摻加粉煤灰的混凝土與基準(zhǔn)混凝土的抗凍性均很好，當(dāng)粉煤灰摻量摻量為14% 和25%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降幅度不明顯，在粉煤灰摻量達(dá)到36%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降幅度較大。這主要是因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土本身強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)致密所致，因而也具有較好的抗凍性。大體積混凝土對(duì)強(qiáng)度要求不高，往往通過(guò)摻入大量粉煤灰來(lái)減少水化熱，這對(duì)混凝土的抗凍性非常不利。王述銀等人試驗(yàn)研究表明，在摻量一定時(shí)，粉煤灰的摻加可以提高混凝土的抗凍性。但摻量超過(guò)40%時(shí)，在達(dá)到破壞指標(biāo)之前，混凝土表面就出現(xiàn)較嚴(yán)重的剝蝕，質(zhì)量損失率已超過(guò)5%。

    3 結(jié)論

    粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響隨粉煤灰的質(zhì)量，混凝土的水灰比、齡期，復(fù)摻礦物摻合料的種類(lèi)，添加劑的摻量和其他材料的用量等的變化而有所不同。這些研究結(jié)論或者針對(duì)某一類(lèi)混凝土，或者針對(duì)耐久性的某一指標(biāo)，但粉煤灰對(duì)于混凝土的影響規(guī)律不應(yīng)止于此。粉煤灰的摻入對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性并不是完全有利的。粉煤灰對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度不利，各項(xiàng)耐久性指標(biāo)也較差，但對(duì)硬化后期混凝土的耐久性有明顯改善。隨著粉煤灰摻量的變化，混凝土各項(xiàng)耐久性指標(biāo)也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在齡期一定時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗氯離子滲透性逐漸降低，在摻量20%～30%，會(huì)取得一個(gè)最佳值；隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗碳化性能降低，摻量在20%～35%時(shí)，碳化速率會(huì)較其他摻量的速率減慢；優(yōu)質(zhì)的粉煤灰可以提高混凝土的抗凍性能，且摻量在15%～25%時(shí)，混凝土的相對(duì)凍融破壞較小，摻量過(guò)大對(duì)混凝土的抗凍性不利。雖然這些摻量數(shù)據(jù)會(huì)隨著所選用粉煤灰的質(zhì)量、細(xì)度的不同而有所差別，也會(huì)因?yàn)榛炷恋膹?qiáng)度、水灰比、添加劑種類(lèi)的不同有所改變，但是不能否認(rèn)25%左右的一個(gè)摻量范圍內(nèi)無(wú)論是在普通混凝土、高強(qiáng)混凝土、輕骨料混凝土還是再生混凝土中都表現(xiàn)出較其它摻量?jī)?yōu)異的性質(zhì)，出現(xiàn)最佳值或分界點(diǎn)。因此粉煤灰對(duì)混凝土耐久性影響最佳摻量是一個(gè)值得研究的課題。（張明，李敏）

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責(zé)任編輯：劉洋

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