大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究

  摘要：根据影响混凝土碳化的主要因素和粉煤灰混凝土的特点，研究了对粉煤灰进行 磨细和增加适量熟石灰的措施，在不降低粉煤灰混凝土强度前提下，探讨改善大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能的可行性。

  关键词：粉煤灰 混凝土 碳化 石灰

  总的来说，人们希望混凝土有好的抗碳化性能，因为混凝土碳化后收缩将增大，可能形成不可恢复的碳化收缩裂纹，并降低混凝土的强度，特别对于钢筋混凝土碳化最不利的影响就是使碱度降低，使钢筋的钝化膜遭到破坏而引起钢筋锈蚀，最终导致结构破坏。 对于普通混凝土，由于含有一定的碱储备和较小的渗透性，混凝土的碳化很慢，一般不会因保护层碳化而导致钢筋锈蚀。但对于粉煤灰混凝土特别是大掺量粉煤灰混凝土，由于碱储备的大量降低，特别在早期的渗透性较大，碳化速度非常快，很容易因碳化导致钢筋混凝土中钢筋锈蚀，最后造成结构破坏。因此改善大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能是促进粉煤灰类活性掺合料在混凝土中应用的保证。

  1粉煤灰混凝土碳化的特点与改善措施

  混凝土的碳化通常是指空气中二氧化碳与水泥石中氢氧化钙作用在有水存在的条件下生成碳酸钙与水。随碳化过程，混凝土中Ca⁺²的浓度降低，为了维持平衡，氢氧化钙就会不断溶解，上述过程反复进行，结果使液相碱度及碱储备降低。当pH值或Ca(OH)₂降低到一定程度时，周围其它含钙水化产物还会分解、碳化而影响混凝土的性能。

  粉煤灰取代部分水泥后，首先水泥熟料水化，生成Ca(OH)₂，pH值到达一定值后(pH=12.2、12.3)，Ca(OH)₂将与粉煤灰玻璃体中的活性SiO₂、Al₂O₃反应生成水化硅酸钙及水化铝酸钙。因此粉煤灰混凝土特别是大掺量粉煤灰混凝土的二次反应将消耗大量的Ca(OH)₂，将使碱储备、液相碱度降低。很显然，粉煤灰混凝土的碱储备减少^[2] ，碳化中和作用的过程缩短，也就导致粉煤灰混凝土抗碳化性能的降低^[3]。Thomas等试验表明^[4]，随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰混凝土碳化速度增加，当粉煤灰掺量高于50%时，碳化速度迅速增加。

  从二氧化碳的扩散及水分渗透来看，其速度取决于孔隙结构及孔隙率。若想使粉煤灰混凝土和普通混凝土具有相同强度及渗透性，需要较长的养护期。试验结果表明，28天等强度的粉煤灰混凝土与普通混凝土相比，掺粉煤灰混凝土的试样较粗孔隙数量及透气率比普通混凝土的试样增加明显^[3] 。随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰混凝土总孔隙体积是增加的，特别是粉煤灰掺量超过50%渗透性能迅速增加^[5] 。

  从内部化学因素来看，能与CO₂反应的物质主要是氢氧化钙。由于粉煤灰混凝土中粉煤灰的二次水化，混凝土中氢氧化钙的数量是很少的，NaOH、KOH等碱性物质也相应较少。如果在混凝土中这些碱性物质的浓度特别是氢氧化钙的浓度越少，混凝土碳化越快。试验表明^[4]，在相同透氧率的条件下，掺50%粉煤灰混凝土的碳化深度比普通混凝土高出5mm左右。因此，在粉煤灰混凝土中适量增加碱储备，在不影响粉煤灰混凝土的强度条件下，应该说对抗碳化性能是有利的。

  适当的提高碱储备，一方面可增加CO₂的反应物，另一方面可以补充后期粉煤灰的火山灰反应而造成的氢氧化钙不足，提高混凝土的密实性，是能够有效的降低碳化速度的。但是，大气中的CO₂是无限的，而混凝土中的碱储备是有限的，如果只提高混凝土的碱储备，而混凝土扩散性能较差，将不能很好的改善粉煤灰混凝土的抗碳化性能。因此，从内部的物理及物理化学因素来看，如果能阻止或延缓CO₂等介质在混凝土中由表及里扩散过程，就能更有效提高混凝土抗碳化性能，也只有在改善粉煤灰混凝土的扩散及抗渗性能的基础上，才能较长期提高混凝土抗碳化性能。可以说所有提高混凝土抗渗性能的途径也能提高粉煤灰的抗碳化能力。

  Powers早就论证了初始水灰比对毛细孔的影响，认为混凝土中连续惯通的毛细孔，在硬化过程中，可以自行封闭起来，降低水灰比，可以将毛细孔封闭的时间提前。将粉煤灰磨细，也可降低粉煤灰的需水量，因此降低粉煤灰混凝土的水灰比，使粉煤灰混凝土中的连通孔隙封闭的时间提前，从而达到提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能的目的。国内有研究者^[1]认为粉煤灰混凝土的碳化是受扩散控制的化学反应，存在一个临界孔隙即为rc=320!，如毛细孔隙的孔径小于rc时，则扩散系数有较大降低。如果其它条件不变，只要能减小总的孔隙率及细化孔隙，就利于抗碳化性能的提高。在水泥混凝土中掺入磨细粉煤灰，即促进粉煤灰的二次反应，又可以提高水泥的水化反应。这样可以提高水化产物及二次反应的产物，来弥补由于水泥用量的减少而减少水化产物的数量，增大胶空比，提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

  综上所述，适当提高碱储备，再利用磨细粉煤灰的减水、活性、微集料效应的优势，提高粉煤灰混凝土特别是大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能是比较可行的。

  2 大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能的试验

  提高粉煤灰混凝土的碱储备，最为经济的是掺加石灰，从粉煤灰的水化来看，掺加石灰也有利于粉煤灰的水化和混凝土的强度发展。本文试验首先确定在不影响混凝土强度指标的前提下掺加石灰的可行性以及种类与掺量，然后考察粉煤灰的细度和水泥品种对碳化性能的影响。

  试验中采用重庆山洞水泥厂的425号普通硅酸盐水泥与重庆水泥厂的525号普通硅酸盐水泥。粉煤灰采用原状灰、磨细灰、超细灰三种类型，密度分别为2.33、2.56和2.70g/cm³，比表面积分别为440、690和1210m²/kg。石灰为重庆歌乐山山洞石灰厂的中速石灰，实验中采用的生石灰磨细60min，消石灰是自然熟化后过0.08mm方孔筛。混凝土的粗集料采用5~20mm石灰石碎石，细集料采用细度模数0.9的特细砂。

  2.1石灰的掺量及类型

  国内一些研究者从粉煤灰活性激发角度对粉煤灰吸收氢氧化钙的量进行了分析，认为粉煤灰吸收氢氧化钙的最大量约为粉煤灰重的15%~30%。因最终参与火山灰反应的是氢氧化钙，本文试验中采用生石灰与熟石灰等当量对比，掺量为粉煤灰的25%。有关强度试验结果见表1。

      2.2粉煤灰混凝土抗碳化性能的测定

  混凝土的抗碳化性能以碳化深度来表示。同样条件下，碳化深度越小，则抗碳化性能越好。

  试验还考虑到水泥品种、粉煤灰类型和熟石灰掺量等因素的影响。石灰掺量分别为0%、5%、10%(占胶凝材料重量)。粗集料采用5~10mm单粒级石灰石碎石。由于只作为对比试验，碳化箱内的CO₂浓度、温度、湿度均未恒定控制，但CO2的浓度抽检均大于20%，超过(GBJ82-85)的规定。

      碳化试件尺寸为4cm@4cm@16cm，当碳化深度达到20mm，即认为试件完全碳化。碳化试件要经过28d标准养护。

  2.3粉煤灰混凝土碳化深度测试结果

  表2试验结果规律性非常明显。随石灰掺量增加，粉煤灰混凝土抗碳化性能得到明显改善。熟石灰掺量10%时，抗碳化能力比未掺石灰的粉煤灰混凝土可提高一倍以上。采用525号的水泥粉煤灰混凝土的抗碳化性能明显比采用425号水泥的粉煤灰混凝土要好，随粉煤灰细度增加，粉煤灰混凝土的抗碳化性能也有比较大的提高，这表明提高混凝土的密实性也是改善粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响措施。

[Page]

  图1、2和3更为直观显示粉煤灰混凝土的抗碳化性能。不论是否掺加石灰以及采用磨细灰或超细灰，粉煤灰混凝土相比于普通混凝土其抗碳化性能仍比较差。在不掺石灰的情况下，粉煤灰磨细的细度对碳化深度影响较大，但掺加石灰后粉煤灰磨细的细度对粉煤灰混凝土碳化深度影响不煤灰混凝土的抗碳化性能明显比采用425号水泥的粉煤灰混凝土要好，随粉煤灰细度增加，粉煤灰混凝土的抗碳化性能也有比较大的提高，这表明提高混凝土的密实性也是改善粉煤灰混凝土抗碳化性能的影响措施。

  加速碳化一定程度上只能说明混凝土的抗碳化能力，实际情况下混凝土的碳化与加速碳化有一定的差异。我们的试验结果显示，加速碳化试验时粉煤灰混凝土碳化在早期相比普通混凝土就达到很大的深度，后期增加比较缓慢。实际情况下要达到加速碳化试验中早期的碳化程度就需要很长时间，而混凝土的密实性也在同步增加，特别对于大掺量粉煤灰混凝土其密实性增加更为明显，这种意义上说，粉煤灰混凝土加速碳化试验结果只能作为参考。表3是对养护200d的粉煤灰混凝土和普通混凝土后加速碳化试验对比。粉煤灰为超细灰，粉煤灰混凝土和普通混凝土配合比相同。结果显示经过长时间养护的粉煤灰混凝土在掺加石灰后的抗碳化能力是比较高的。

  3 结论

  1)补充石灰可以比较显著提高大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能，在适当的掺量范围内，对混凝土强度有所提高。

  2)采用磨细粉煤灰，也可提高大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

  3)就补充石灰和采用磨细粉煤灰两种措施而言，掺加石灰对大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能的提高更为明显和实用，但不论哪种措施或同时采用这两种措施，大掺量粉煤灰混凝土抗碳化性能仍明显低于普通混凝土，因此，大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能改善研究还应深入。

  参考文献

  1KazusukeKobayashiandYuichiUno.CementandConcreteResearchVol.20，No.4

      2 刘伯，沈旦申，等.上海市粉煤灰应用技术手册.上海:同济大学出版社，1995

  3 沈旦申.粉煤灰混凝土.北京:中国铁道出版社，1989

  4 M.D.A.Thomas，BSc，PhD，andJ.D.Matthews，BSc，PhD.Magazine of Concrete Research，1992，Vo1.44，No.160，Sept:217-228

  5 K.Torii，K.TaniguchiandM.Kawamura.Cement and Concrete Research Vol.25，No.4