简述粉煤灰掺量对混凝土耐久性的影响

徐晓蕾

（盐城工学院土木工程学院 224001）

1 混凝土中粉煤灰的作用

在混凝土材料中，煤灰与水泥水化产物中的氢氧化钙反应，生成与C-S-H凝胶拥有相似组合和力学性能的产物，这一产物可以降低毛细孔的体积，进而有效增强混凝土的轻度。同时在大面积的混凝土浇筑时，用粉煤灰取代水泥，还可以降低水化热，避免温度裂缝的生成。

粉煤灰对混凝土的作用主要体现在三方面：

（1）火山灰效应。其主要是指粉煤灰中的二氧化硅同水泥水化产物中的氢氧化钙反应，生成一种较难溶解的水化硅酸盐C-S-H凝胶，堆积在骨料和水泥石界面的缝隙之中。该产物存在范德华力和化学键，可以有效的提升混凝土的粘结性和稳定性。

（2）形态效应。粉煤灰颗粒是一种不均匀的球状玻璃体，表面比较致密光滑，在负电性的作用下，可以将水泥颗粒进行分散，使浆体有效的包裹骨料颗粒，进而在坍落度和和易性不变的情况下，减少用水量。

（3）微细集料效应。如果按照Aim和Goff模型理论将掺有超细矿物掺合料的水泥及材料看做是多元系统，那么其内部就存在一个最紧密的堆积，堆积值将取决于超细矿物结合料颗粒和水泥颗粒的直径比值，比值越小，紧密堆积值越大。而粉煤灰颗粒的平均粒径本就比水泥颗粒小一个数量级，将粉煤灰的细微颗粒均匀的分布到水泥浆中，进行缝隙填充或与水化产物反应，可有效增强混凝土的密实性。

2 粉煤灰掺量对混凝土耐久性的影响

2.1 试验内容

2.1.1 原材料

本次试验选取的凝胶材料为P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥，其粉煤灰比为二级，凝胶材料中的化学组成元素有二氧化硅、氧化镁、氧化钠、氧化钙、三氧化二铁、氧化钾、氧化锰、二氧化钛等；细骨料则是选用了细度模数在3.0左右、表观密度在2640kg/m2，含沙量在1.5%以内的河砂；而粗骨料则使用了粒径在25mm以下的连续级配的破碎石灰石，其表观密度约为2660kg/m2，含泥量在0.8%以下；而减水剂采用了萘系高效减水剂（详见表 1）。

2.1.2 调配比例

为了掌握水胶比和粉煤灰掺量对混凝土碳化的影响，本次试验配置的水胶比分别为0.36、0.43和0.50，粉煤灰掺入量为0%、20%、40%以及60%的混凝土，其水胶比为0.6，对粉煤灰掺量为0%的混凝土进行快速碳化试验，并调整其减水剂用量，控制坍落度在180mm左右。且随着粉煤灰掺量的增加，水泥比例逐倍递减，水、砂石以及粗骨料的比例均保持不变（详见表2）。

2.2 试验方法

先将已经成型的混凝土试件放置在标准室养护24h，再在外界自然环境下养护7d，之后放置在室内养护到28d。然后根据混凝土耐久性试验检测标准，进行加速碳化试验。主要步骤为，将混凝土试件放置在二氧化碳体积为20%，温度在20℃左右的环境中进行加速碳化处理直到28d后，试验完成，将试件取出，利用试验机将其劈裂，之后再进行酚酞指示剂滴定、游标尺测量，取最终平均值。由此试验可知，混凝土在加速碳化过程中的碳化深度与自然环境下碳化50d左右的碳化深度相同。

表2 混凝土配合比

3 试验结果与分析

3.1 粉煤灰掺量与水胶比对碳化的影响

通过本次试验可以看出，水胶比中粉煤灰掺和量越多，相应的混凝土的碳化深度就越深。在各种水胶比中，混凝土中掺和20%粉煤灰的碳化深度与未掺和粉煤灰的混凝土碳化数值相同，超出20%掺和量，相应的混凝土的碳化深度逐渐增加，并随着掺量的增加，呈现明显的上升趋势。另外，在粉煤灰掺量超过20%后，0.36、0.43和0.50水胶比下，混凝土碳化速率增加的倍数分别为8.7、6.8和2.8，且当粉煤灰掺量超过六成以上，混凝土碳化深度的数值均在未掺和粉煤灰混凝土碳化深度的三倍以上，这足以说明，粉煤灰掺量越高，混凝土的抗碳化性就越低。当水胶比从0.36增加到0.43时，粉煤灰掺量下的混凝土碳化深度变化较小，但当水胶比从0.43上升到0.50时，粉煤灰掺量下的混凝土碳化深度呈增长趋势。由此可见较低水胶比对粉煤灰掺量下混凝土的碳化耐久性有较强作用。

3.2 不同水胶比下混凝土的临界粉煤灰掺量

本次试验中，使用拟合函数X=a+m（ϖΓA）n来表示混凝土碳化深度与粉煤灰掺量之间的关系，a、m、n均为拟合参数，其中A为7.022，1.884和1.578，m 值为 0.091、0.010和 0.006，n值为 1.413、1.850和 1.882。将这些对应的拟合数值带入到公式中，即可得出不同水胶比下，混凝土碳化深度同粉煤灰掺量的关系。另外，为了保证混凝土的耐久性，应将混凝土碳化深度控制在保护层厚度以内。通常情况下，混凝土保护层的厚度控制在25mm左右，因考虑到不利因素的影响，本此实验将混凝土厚度控制在20mm左右，通过计算得出混凝土临界粉煤灰掺量数值为33.46、54.66和 71.27（详见表 3）。

表1 胶凝材料的化学组成和比表面积

3.3 水胶比对未掺粉煤灰混凝土碳化深度的影响

表3 拟合参数

为了将未掺粉煤灰混凝土的碳化深度与水胶比之间的关系展示出来，选用X=-1.03+0.11e8.52mw/mb的指数函数公式进行拟合计算，同样将混凝土厚度控制在20mm，带入公式中计算可得水胶比为0.62。

3.4 临界粉煤灰掺量同水胶比之间关系的数学模型

在计算临界粉煤灰掺量同水胶比之间的拟合关系时，通常采用公式ϖΓA.c=174.8-280.9mw/mB。在实际工程中，可以结合实际水胶比计算临界粉煤灰掺量。

4 结语

（1）粉煤灰掺量在20%以下时，对混凝土碳化性影响较小，高于20%则影响较大。在低水胶比高粉煤灰掺量下，混凝土的碳化会受到单位粉煤灰掺量的影响，但仍可满足标准混凝土的耐久性要求。

（2）在水胶比的三个阶段中，第一阶段对混凝土碳化深度影响较小，到第二阶段影响程度逐渐增加。

（3）本实验是制作20mm条件下，混凝土临界粉煤灰掺量和水胶比之间关系的数学模型，在实际工程中可结合具体情况，建立不同的规格的数学模型。