掺入粉煤灰对混凝土性能影响研究综述

刘晓峰 王维红 滕 玲 康 宵 刘玉宪 刘沈丰

北方民族大学土木工程学院

正文：

前言：

随着我国工程建设领域的不断进步，混凝土的应用及种类也越来越多，但还是有一些缺陷，如我国北方地区的冻融循环对混凝土结构造成的严重破坏，沿海地区及在盐碱地区域的混凝土建筑物被氯离子的侵蚀的问题，以及在大体积混凝土浇筑工程中产生损坏，但是加入各种矿物掺合料和高效添加剂则可以弥补水泥凝胶体在微观上的很多缺陷。而且在目前，矿物掺合料也几乎成为了混凝土中必不可少的功能性组成材料。粉煤灰是一种具有潜在活性的人工火山灰质材料，作为混凝土掺合料，粉煤灰的掺入能够有效的节省能源，并能够解决工程领域中的很多实际问题。可以改善新拌混凝土的和易性，减少混凝土用水量，抑制碱骨料反应等，本文阐述了粉煤灰改善混凝土抗冻性及抗氯离子侵蚀性能及冻融破坏及氯离子侵蚀机理的研究。

1.对粉煤灰研究的意义

国内外粉煤灰应用已经有几十年的历史。美国加洲理工学院的R.E.Davis在1993年首次发表了关于粉煤灰在混凝土上的应用研究报告。而到本世纪五、六十年代，粉煤灰作为一种工业废料，其活性性能会被进一步研究和推广，不仅是会节约水泥与处理工业废料——粉煤灰，其更主要是为了提高和改善混凝土的性能。而大掺量粉煤灰的应用，也是今后混凝土技术进展最有效、也是最经济的途径。

2.氯离子侵蚀对混凝土性能影响

影响混凝土结构耐久性其中最重要因素是钢筋的锈蚀。同时由于钢筋是金属，它本身的特性就是不耐酸。而氯离子侵蚀作用引起的钢筋锈蚀影响尤为明显。在盐碱地中含有大量氯离子，中国是盐碱地大国，在全球位居第三。中国盐碱地主要分布在西北、东北、华北及滨海地区在内的17个省区。 正是由于氯离子分布广泛所以对混凝土的侵蚀必须重视。

氯离子主要通过以下几种方式进入混凝土：（1）混凝土本身有许多微观缺陷，通过毛细管作用向内部移动。（2）在水压力下，氯离子通过渗透作用向压力低的地方移动。（3）通过扩散作用向浓度低的地方移动。（4）吸附作用，在各种化学物理作用下吸附到钢筋表面。通常情况下CI-在混凝土中的侵入过程是几种作用共同存在的。混凝土原本是呈弱碱性的，对钢筋有保护作用，但当腐蚀介质的累计累积量达到临界值后钢筋钝化膜被破坏。

氯离子对钢筋的腐蚀化学方程式如下：

2Cl-+Fe2++2H2O+2Fe=Fe(OH)2+2H++2Cl-

4Fe(OH)2;+O2+2H2O=4Fe(OH)3

由方程式可以看出Cl-在化学过程中并没有被消耗掉，而是被反复利用，不断腐蚀。表现在宏观上就是被腐蚀的混凝土越来越脆弱。

3.冻融循环对混凝土性能影响

所谓破坏冻结融化，就是由于温度转换使水位上升或下降，水工建筑物硬化的混凝土在湿润或浸水的状态下，内部的孔隙水形成冻结膨胀压、渗透压及结晶压力，产生疲劳应力，混凝土被破坏这样的现象。

混凝土的早期冻害和那个机制(混凝土凝固之前冻)混凝土还没参加水化反应的时候，混凝土的冻结作用与饱和粘土的冻膨状况相似。由于合水冻结混凝土的凝结被中断，温度上升混凝土的搅拌水溶化为止。再振动重新好好地附着的话，在混凝土中残留的水冻结很多的孔，使之大幅度降低那个强度。重新站起来打是不得已录用的。一般情况下还是要注意初期的护理，不要让混凝土快结冰。混凝土凝固了，但是没有达到足够的强度就会冻结，这时冻结混凝土的强度损失最大。硬化初期对混凝土冻结的阻力，不是单纯的机械举动，而是与水泥石的微细结构的形成过程有关。

4.掺入粉煤灰后氯离子侵蚀对混凝土性能影响

混凝土被氯离子侵蚀的原因主要是混凝土中孔隙的大小和数量，掺入粉煤灰能够使混凝土中氯离子浓度降低的原因是随着粉煤灰的掺入混凝土中的孔隙数量逐渐减少，孔径逐渐变小，可以使混凝土的密度增加，从而使渗入混凝土中的氯离子减少，混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力增强。从微观方面讲，一是粉煤灰的掺入减少了水泥用量，水泥在第一次水化反应中产生的氢氧化钙减少，同时粉煤灰的二次水化反应与水泥的水化反应产物氢氧化钙发生反应也减少了混凝土中的氢氧化钙含量。二是孔的细化，更多的低碱度的C——S——H凝胶，增加了混凝土(物理和化学)固化能力，有利于降低Cl一在混凝土中的渗透速度，从而提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。

5.掺入粉煤灰后冻融循环对混凝土性能影响

其实，在一定程度上，在混凝土中掺入粉煤灰而代替水泥后，可以使水泥在早期水化和中期水化中产生相对较少的产物，虽然此时强度会偏低，毛细孔也会增多。然而在后期，随着粉煤灰中活性物质的二次水化热出现，混凝土中的中的毛细孔隙会被二次水化热中出现的新生成物质填充，从而促使混凝土强度再次增长，且增长强度较大，混凝土抗冻耐久性提高，张云莲等人的研究表明，高掺量粉煤灰混凝土的渗透系数可低至 1.6×10-14m/s。同时，在掺入粉煤灰时，可以掺加适量引气剂，引气剂是具有增水作用的表面活性物质，它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力和表面能，可以使混凝土拌合物在拌和过程中引入大量均匀分布的闭合而稳定的微小气泡，所以当孔隙内的水结冰出现水压时，未结冰的水会因为水压的作用下而向气泡内缓慢渗透，这在一定的程度上可以使膨胀压力因冰冻而缓解，从而提高混凝土的抗冻性。

6.结论

在混凝土当中掺入一定量的粉煤灰，可以减少用水量，提高混凝土抗压强度和抵抗氯离子侵蚀的能力。但是粉煤灰掺量过多或过少，都会使混凝土的强度受到影响，导致强度降低。因此，我们通过实验确定出一个最佳范围，建议粉煤灰掺量在10%～20%为最佳。通过实验现象表明，随着冻融循环次数的不断增加，混凝土表面出现裂纹并不断增加，强度也不断降低，质量损失率不断增大。掺入适量粉煤灰，可以降低混凝土水化热，提升混凝土流动性、塌落度，并且和易性也有明显改善。但是因为粉煤灰的掺入，导致水泥浆的颗粒浓度降低，水化速度延缓，冷却凝结时间延长，而且随着掺量的增加，浓度不断降低，冷却凝结需要的时间也越长。掺入适量粉煤灰能够提高混凝土后期强度，但早期强度降低。因为界面效应、微骨料效应和活性效应产生的效果，导致混凝土的内部结构更密实，表面强度更高，二次水化反应能够提高混凝土的后期强度。因为粉煤灰代替了部分水泥的用量，反应产生的胶凝材料减少，二次水化反应时间未达到，导致混凝土的早期强度有所降低。