粉煤灰对混凝土碳化的影响

张小伟（新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院，新疆 乌鲁木齐 830011）

引言

混凝土碳化，会引起钢筋锈蚀，导致其体积膨胀，使混凝土保护层开裂，直至使混凝土剥落，严重的影响了混凝土建筑物的耐久性。混凝土的碳化作用是指大气中的二氧化碳在存在水的条件下与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，生成碳酸钙和水。因氢氧化钙是碱性的，而碳酸钙是中性，所以碳化又叫中性化。

碳化过程是二氧化碳由混凝土表面向内部逐渐扩散深入。碳化引起水泥石化学组成及组织结构的变化，二氧化碳的作用不仅对水泥石中的氢氧化钙发生反应，而且由于氢氧化钙浓度的降低，将要侵蚀和分解水泥石中所有的水化产物，生成硅胶和铝胶，从而对混凝土的化学性能和物理力学性能产生明显的影响，主要是对混凝土的碱度、强度和收缩产生影响。

1 粉煤灰在混凝土中的作用机理

粉煤灰由于其内部球形颗粒较多，具有良好的形态效应,可在水泥颗粒间起到一种“滚珠”作用，从而改善混凝土的工作性能（如图1 所示）；另一方面,由于粉煤灰密度较之水泥更小，可获得更多的胶凝材料浆体体积量,增加了混凝土拌合物的浆体体积，增加了混凝土拌合物的流动度以及二次水化的特性使得混凝土的后期强度增加。基于以上性质，粉煤灰在混凝土工程中得到了大量的应用。

图1 粉煤灰颗粒的微观形貌

掺入粉煤灰的混凝土，粉煤灰中的活性SiO2能逐步与水泥石中的Ca(OH)2产生二次反应，即火山灰效应，生成低碱性水化硅酸钙。反应方程式为[1]：

同时，掺加粉煤灰后可提高混凝土的抗渗性，但会使混凝土的抗碳化性能降低[2][3]。由于粉煤灰可以与水泥水化生成的氢氧化钙和水发生水化反应，生成具有水硬性特点的水化硅酸钙、水化铝酸钙等，并填充于毛细孔隙内，使混凝土密实度得到改善。

2 粉煤灰对混凝土碳化的影响

通过研究发现[4][5][6]，用粉煤灰部分取代混凝土中的水泥会引起其抗碳化能力下降。粉煤灰取代量越大，抗碳化能力下降越明显。

董文辰等人认为[1]，当含水量保持不变时，如果额外掺加粉煤灰，加大浆体体积，干缩程度会略有增加。方璟等人通过研究掺粉煤灰对碳化的影响[7]，对粉煤灰以15%和30%的比例等量取代水泥的混凝土进行碳化试验，发现粉煤灰取代水泥越多，混凝土抗碳化能力下降程度越大。但在采用超量取代技术或纯外掺粉煤灰技术时，可以提高混凝土的密实度，并使其影响大于粉煤灰二次反应吸收Ca(OH)2减少混凝土碱贮存的影响，从而使混凝土的抗碳化性能得到提高。

张德成等人研究了掺合料对硫铝酸盐水泥基混凝土碳化深度的影响[8]，发现在20%复掺下其碳化深度最低。一方面由于水泥中的石膏在水化反应过程中并没有完全反应而有富余，而富余的石膏可对矿渣和粉煤灰起到硫酸盐激发剂的作用。另一方面，β-C2S 水化析出Ca(OH)2对矿渣和粉煤灰起到碱性激发剂的作用。而此时矿渣和粉煤灰中可化合的Al2O3可与液相中的Ca(OH)2和CaSO4迅速反应生成钙矾石，同时液相中多余的Ca(OH)2与矿渣和粉煤灰中可化合的SiO2形成C-S-H 凝胶，提高了混凝土的强度和密实度，降低混凝土的空隙率，细化其孔结构，使封闭孔隙增多，从而降低了碳化速度。

M.D.A.Thomas 等人通过研究粉煤灰混凝土的渗透性[9]，发现粉煤灰混凝土的渗透性随着养护龄期和粉煤灰含量的增加而降低。混凝土在20℃，相对湿度为65%的环境下养护3d 后，比1d 后的气体渗透平均值降低3.7%，而在7d 后，降低高达54%。

P.Sulapha 等人分别对掺加矿渣、粉煤灰和硅灰的混凝土进行了实验研究[10]，发现掺加粉煤灰的混凝土比起未掺的混凝土碳化更深。由于掺合料的加入引起的火山灰效应，混凝土中Ca(OH)2量减少，导致碳化速度加快，这在矿渣混凝土和粉煤灰混凝土中尤其明显。而掺加硅灰的混凝土抗碳化能力反而提升，这是由于硅灰对混凝土的孔结构有密实的作用，而这种作用比起Ca(OH)2含量的降低起到了主导的作用。他同时研究了混凝土抗压强度和碳化性能的关系，发现强度越低，混凝土碳化深度越高，并呈线性关系。

一般认为，水灰比越大，混凝土内部结构的孔隙越多，混凝土越不密实，CO2在其中就越易扩散，加快了碳化速度。刘蓝萍等人[6][7]针对混凝土碳化深度随时间和水灰比变化的规律进行了研究，发现不管是否向混凝土中掺加粉煤灰，也不管使用何种水泥，只要水灰比降低，相对应的碳化深度就会降低。

施惠生等人研究了不同水灰比的粉煤灰混凝土的性能[11]，结果表明，粉煤灰对于混凝土的抗压强度、气渗性和碳化程度的影响与水灰比有着很大的关系。当低水灰比时，掺加30%粉煤灰的混凝土可以明显改善混凝土的强度，而对气渗性和抗碳化性能没有太大的影响。而当水灰比较高时，粉煤灰混凝土的强度、气渗性和抗碳化性能均有不同程度的下降。

Sulapha 等人[12]等人认为，在混凝土中掺入粉煤灰、矿渣、石灰石粉和硅灰等矿物掺合料具有活性，与Ca(OH)2反应，会降低混凝土的碱度，从而使混凝土抗碳化能力减弱。而在混凝土中掺入大量掺和料一方面降低了混凝土内部水泥的用量，另一方面，掺和料的二次水化作用消耗了混凝土的Ca(OH)2，使得混凝土内部可供碳化的物质大大减少，碳化程度加深。沙慧文等人[13]对粉煤灰混凝土碳化进行了试验与工程调查，得出了粉煤灰掺量对碳化的影响规律，结论为混凝土中粉煤灰的掺量越多，混凝土的碳化现象越为严重。

3 结语

综上所述，用粉煤灰取代高性能混凝土中的水泥导致混凝土早期抗碳化能力下降，而后期抗碳化能力有一定程度的提升；粉煤灰高性能混凝土的抗碳化性能随水胶比的减小而提高；碳化反应可以提高水泥浆体及混凝土界面过渡区的显微硬度和密实程度。当粉煤灰掺量较小时，碳化反应可以减小混凝土界面过渡区的宽度。所以，在研究及实践过程中，一定要考虑矿物掺合料的综合影响因素，合理的选用矿物掺合料，保证混凝土的质量。

[1]董文辰，康德君，王立久.粉煤灰混凝土中粉煤灰的火山灰效应综述.国外建材科技，2004年第25 卷第3期.

[2]F.J.Huertas,A.Hidalgo,M.L.Rozalén,S.Pellicione,C.Domingo,C.A.García-González,C.Andrade and C.Alonso.Interaction of bentonite with supercritically carbonated concrete.Applied Clay Science 42(2009) 488-496.

[3]W.Sha and G.B.Pereira,Differential scanning calorimetry study of hydrated ground granulated blast-furnace slag,Cem.Concr.Res.31 (2001),pp.327–329.

[4]LIU Junzhe,LI Yushun,LV Lihua.Effect of Antifreezing Admixtures on Alkali-silica Reaction in Mortars.J.Wuhan University ofTechnology-Mater.Sci.Ed,2005.2.

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[6]陈迅捷,张燕驰,欧阳幼玲.活性掺合料对混凝土抗碳化耐久性的影响.混凝土与水泥制品[J].2002,3:7-9

[7]方憬，梅国兴，陆采荣.影响混凝土碳化主要因素及钢筋锈蚀因素试验研究[J].混凝土，1993(2):35-43

[8]张德成，张云飞，程新.硫铝酸盐水泥基混凝土抗碳化性能的研究.硅酸盐通报.2008年4 月，第27 卷第2 期.

[9]M.D.A.Thomas，J.D.Matthews.The permeability of fly ash concrete[J].M.S.1992，25:388-396

[1 0]P.S u l a p h a、S.F.W o n g、T.H.W e e a n d S.Swaddiwudhipong.Carbonation of Concrete Containing Mineral Admixtures.JOURNAL OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING©ASCE/ MARCH/APRIL 2003

[11]H.Shi,B.Xu,X.Zhou.Influence of mineral admixtures on compressive strength,gas permeability and carbonation of high performance concrete[J].Construction and Building Materials,2009(23):1980-1985.

[12]Sulapha,P.,et al.,Carbonation of Concrete Containing Mineral Admixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2003.15(2):p.134-144.

[13]沙慧文.粉煤灰混凝土碳化和钢筋锈蚀原因及防止措施[J].工业建筑,1989(1):p.7-10.