粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的推進(jìn)，道路、橋梁、地鐵等基礎(chǔ)設(shè)施的大力興建，混凝土用量劇增，混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境也越來(lái)越嚴(yán)苛，大量混凝土耐久性問(wèn)題層出不窮，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)如何提高混凝土結(jié)構(gòu)耐久性做了大量研究，并獲得了諸多成果。研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰作為礦物摻合料添加入混凝土中可以有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。粉煤灰是從煙氣中收集的細(xì)粉末，主要礦物組成為直徑以微米計(jì)的實(shí)心微珠和空心微珠等，顆粒表面光滑，呈球形，顏色為灰色或深灰色，主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3。目前，粉煤灰在我國(guó)的年排放量約為3億t，但利用率只有42%左右，其主要應(yīng)用于建材、建工、筑路、回填等領(lǐng)域[1]。粉煤灰的大量排放，不僅占用了大面積的土地和能源，而且容易形成粉塵影響環(huán)境衛(wèi)生。在混凝土中摻入部分粉煤灰，不僅使混凝土生產(chǎn)成本降低，而且可以減少水化熱，使混凝土內(nèi)部溫度降低，減少孔隙率，抑制堿-骨料反應(yīng)，提高抗?jié)B性，從而延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，提高混凝土耐久性。摻加粉煤灰已成為混凝土改性的重要方法，粉煤灰也成為了制備高性能混凝土不可或缺的組分之一，在配制混凝土?xí)r，粉煤灰可以取代混凝土中水泥用量的20%～40%。由于粉煤灰的良好的活性，粉煤灰在混凝土中的直接應(yīng)用技術(shù)有了新進(jìn)展，一方面實(shí)現(xiàn)了廢物利用，響應(yīng)了國(guó)家節(jié)能減排、減少環(huán)境污染的要求，取得了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，另一方面極大地改善了混凝土性能、擴(kuò)增了混凝土的品種。文章從粉煤灰效應(yīng)出發(fā)，闡述了粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響。1粉煤灰在混凝土中的作用機(jī)理粉煤灰是一種人工的火山灰質(zhì)礦物類(lèi)產(chǎn)品，細(xì)度與水泥細(xì)度相同或比水泥更細(xì)，本身并不具備膠凝能力，但其參與水泥的水化過(guò)程，對(duì)水化產(chǎn)物有貢獻(xiàn)，因此被稱(chēng)為輔助膠凝材料。在堿性環(huán)境下，粉煤灰摻入混凝土中，粉煤灰中的SiO2和Al2O3可以與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成難溶性水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣。粉煤灰具有潛在的化學(xué)活性，只有在較長(zhǎng)齡期才能顯現(xiàn)出來(lái)，可以顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，粉煤灰在混凝土結(jié)構(gòu)中的主要作用集中體現(xiàn)在以下幾方面：（1）粉煤灰多呈球形，優(yōu)質(zhì)粉煤灰中的玻璃微珠含量較高，可以填充骨料顆粒之間的空隙，形成潤(rùn)滑層，對(duì)混凝土和砂漿起到“滾珠軸承”作用，可以提高流動(dòng)性，具有減水作用，因此有學(xué)者稱(chēng)之為“礦物減水劑”；（2）粉煤灰可以使水泥分布均勻，在配制較低水膠比的混凝土?xí)r，由于粉煤灰水化較慢，未水化的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化得更完全；（3）粉煤灰的顆粒較細(xì)，可以填充水泥顆粒之間的孔隙，改善混凝土的結(jié)構(gòu)，提高致密性[2]，從而提高強(qiáng)度和耐久性；（4）粉煤灰具有火山灰效應(yīng)，可以與富集在骨料顆粒周?chē)臍溲趸}結(jié)晶發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物，可以填充混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙改善微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)改善界面缺陷，加強(qiáng)薄弱的過(guò)渡區(qū)，對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)性能有明顯的作用；（5）粉煤灰密度較小，當(dāng)其等質(zhì)量代替水泥時(shí)，可以改善混凝土的和易性，而且可以延緩水泥的水化速度，降低水化熱，防止混凝土開(kāi)裂，延長(zhǎng)使用年限。粉煤灰的效應(yīng)與自身品質(zhì)有關(guān)，品質(zhì)越好，其活性越高。粉煤灰可以采取三種方式摻入混凝土中，分別為等量取代法、超量取代法和外摻法。從有利于發(fā)揮粉煤灰活性以及粉煤灰在工程應(yīng)用等角度出發(fā)，今后粉煤灰應(yīng)作為混凝土的單獨(dú)組分來(lái)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。2粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響2.1抗凍融性混凝土結(jié)構(gòu)的凍融破壞是指在低溫條件下，混凝土中凝膠孔和毛細(xì)孔道之間存在滲透壓和膨脹力，當(dāng)其超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使混凝土產(chǎn)生微細(xì)裂縫，在反復(fù)凍融作用下，會(huì)使微細(xì)裂縫不斷增多和擴(kuò)大，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度逐漸降低，甚至產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。在嚴(yán)寒地區(qū)，凍融循環(huán)嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。大量研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰混凝土的抗凍性相對(duì)于基準(zhǔn)混凝土來(lái)說(shuō)有很大的改善。其主要機(jī)理是隨著水泥水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，自由水的含量逐漸減少，水泥的水化不可能完全，因而混凝土內(nèi)部一定存在未水化凝膠材料。粉煤灰高性能混凝土的抗凍性能之所以得到了提高，也是混凝土內(nèi)部孔隙率減少和剩余孔徑變小所致。摻加一定量粉煤灰部分替換水泥后，由于減少了水泥用量，水化產(chǎn)物中Ca(OH)2量也隨之下降，但粉煤灰的二次水化產(chǎn)物C-S-H和Aft的量有所增加，使混凝土與集料界面過(guò)渡層的孔隙率下降[3]；此外，粉煤灰的細(xì)微顆粒在水泥顆粒中均勻分散，成為水化產(chǎn)物積聚的中心。隨著混凝土齡期的延長(zhǎng)，這些細(xì)微顆粒和水化產(chǎn)物使水泥石孔隙率下降，改善了混凝土的耐久性。粉煤灰的等級(jí)與粒度或比表面積有很大聯(lián)系，粉煤灰質(zhì)量較高時(shí)，微細(xì)顆粒能充分均勻地分散在水泥顆粒之間，而且由于直徑比毛細(xì)孔直徑大的硬質(zhì)空心玻璃體的存在會(huì)切斷毛細(xì)孔滲水的通道，減少泌水，可提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，從而使得混凝土的抗凍性大大提高。2.2抗?jié)B透性抗?jié)B透性是評(píng)價(jià)混凝土的重要指標(biāo)之一，很大程度上決定著混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性?；炷潦堑湫偷拿?xì)孔多孔體，內(nèi)部存在大量孔隙。粉煤灰由于具有微集料效應(yīng)，摻入粉煤灰后的混凝土大孔數(shù)量較少，其滲透系數(shù)也較小，具有良好的抗?jié)B能力[2]。粉煤可以改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而在抗?jié)B混凝土中得到了應(yīng)用。粉煤灰的摻加可以改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)與和易性，提高致密性和耐久性。其還具有火山灰效應(yīng)，能與水泥的水化產(chǎn)物生成C-S-H凝膠，填塞混凝土結(jié)構(gòu)中的存在的孔隙和滲透通道，使密實(shí)度和滲透阻力增大。張?jiān)粕彽热说难芯勘砻?，高摻量粉煤灰混凝土的滲透系數(shù)可低至1.6×10-14m/s[4]。隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，粉煤灰的潛在活性得到進(jìn)一步發(fā)揮并使粉煤灰混凝土的抗?jié)B性能更好。2.3抑制堿-骨料反應(yīng)由于堿-骨料反應(yīng)進(jìn)行緩慢，很難發(fā)現(xiàn)及發(fā)現(xiàn)時(shí)難以修復(fù)等特點(diǎn)，此反應(yīng)被人們稱(chēng)為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的“癌癥”。因?yàn)榉勖夯覍?duì)堿-骨料反應(yīng)具有抑制作用，故引起了人們的廣泛重視。周軍等人的研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)中水泥的含堿量越高，膨脹率就越大，而膨脹率與骨料的活性大小無(wú)關(guān)，與粉煤灰的取代量、粉煤灰的等級(jí)和含堿量也無(wú)關(guān)[5]。在大多數(shù)情況下，同基準(zhǔn)拌合物相比，加入粉煤灰可減少堿-骨料反應(yīng)引起的體積膨脹，用粉煤灰取代一部分水泥是抑制堿-骨料反應(yīng)的有效措施。摻入粉煤灰不僅能使水泥水化生成的Ca(OH)2量減少，而且可以促使堿被固定在C-S-H中，使堿含量下降95%，堿-骨料反應(yīng)發(fā)生的條件遭到了破壞，有效地抑制了反應(yīng)的發(fā)生。吳定燕等人的研究表明[6]，粉煤灰摻量在30%時(shí)，對(duì)堿-骨料反應(yīng)的抑制效果更為顯著，可以更為有效地緩解由于堿集料反應(yīng)而引起的耐久性下降問(wèn)題。3結(jié)語(yǔ)粉煤灰由于具有良好的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，可以有效地改善混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，而且粉煤灰混凝土的生產(chǎn)初步實(shí)現(xiàn)了粉煤灰的綜合利用，既減少了環(huán)境污染又提高了經(jīng)濟(jì)效益，