粉煤灰对混凝土耐久性研究现状

（广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004）

自从波兰水泥诞生以来，混凝土材料一直都是土木工程中最常见和最重要的材料之一。其中钢筋混凝土凭借其良好的力学性能、耐久性能以及经济性，被广泛的应用。但是随着时间的推移，研究者们发现大量的钢筋混凝土结构耐久性都达不到设计年限，其中最主要的原因就是氯离子侵蚀混凝土内部，进而破坏钢筋的钝化膜，加速钢筋锈蚀，导致结构耐久性不足提前结束服役。

关于如何解决混凝土抗氯离子侵蚀问题，专家学者们提出了粉煤灰矿物掺合料的掺入对混凝土结构的耐久性很有利。在过去几十年的研究中，国内外许多学者分别对粉煤灰混凝土的微观分析、力学性能、抗氯盐侵蚀、钢筋锈蚀、配合比设计等方面进行了大量研究，并取得了大量的成果。

一、力学性能

普通粉煤灰混凝土具备有较好的和易性、弹性模量大、与钢筋的粘结力大、抗渗和防腐蚀能力强等特性，但是掺入粉煤灰之后会影响其早期强度，且随着掺量的增加，混凝土强度下降越多。

图1 粉煤灰不同掺量抗压强度对比

陆春华[1]、林旭健[2]、赵庆新[3]、张学兵[4]、刘宝举[5]等对0%、15%、30%、40%、50%不同粉煤灰掺量的混凝土的抗压强度进行了试验。如图1 所示，从这几个学者的对比图中可以发现，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的强度下降程度越大，还可以发现粉煤灰掺量在10%-30%时，不同学者得到的抗压强度趋势不一样，造成这现现象的可能有两种原因，一个是浇筑养护的质量，及减水剂添加的比例造成的，因为减水剂在改善混凝土和易性的基础上，改善混凝土孔结构，减小混凝土内部孔径，增强混凝土密实性；另一个原因是每个学者所使用的粉煤灰颗粒级配不一样，陆春华采用的是二级灰，林旭健采用的三级灰；赵庆新和张学兵采用的一级灰，刘宝举采用的超细粉煤灰，故颗粒越小的粉煤灰对混凝土的填充效果越好，粉煤灰的作用与二次水化及火山灰效应越好，从而在掺入20%—30%粉煤灰作用下，混凝土强度只是稍微下降而已。

针对粉煤灰的掺入会降低混凝土的强度的现状，目前的研究还应该多集中在如何改善大掺量粉煤灰的前提下，提高混凝土的抗压强度。

二、抗氯离子侵蚀性能

粉煤灰混凝土耐溶出性侵蚀、酸性侵蚀、盐类侵蚀的能力很强，其中主要是由于粉煤灰具有三种效应：一是提高混凝土的密实性，阻止了软水和腐蚀性物质的渗入；二是粉煤灰的加入使得水化产物Ca（OH）2 的量减少；三是粉煤灰使得高盐水化铝酸钙水解成为极限石灰浓度较低的低盐基水化铝酸钙，因而消除了或降低了高硫型水化硫铝酸钙形成的可能性，更易形成低硫型水化硫铝酸钙。低硫型水化硫铝酸钙在远离含铝固相表面的液相中以分散状析出结晶，填充原来的充水空间，不仅不会产生有害的内应力，而且还可以作为水泥石的有效组织结构，增强水泥石的密实性和强度。

林旭健[2]通过计算通电试块总电量，然后按照库伦试验判定准则，判定不同强度粉煤灰混凝土掺量为0%、20%、30%、40%、50%时氯离子渗透性能，结果表明掺入粉煤灰的混凝土抗氯离子渗透性能总体上明显高于同等级普通混凝土，且随着混凝土强度的提高，混凝土氯离子渗透更低如图2 所示，且在粉煤灰掺量20%-30%内混凝土的渗透性最好，超过40%混凝土渗透性就会回弹变差。

孙丛涛[6]采用干湿交替的方式研究0%、10%、30%、50%不同粉煤灰掺量混凝土的氯离子结合性能，结果表明掺入粉煤灰提高混凝土氯离子结合性能，但是其氯离子结合率和相对氯离子结合系数均低于未掺粉煤灰混凝土，且随着粉煤灰掺量的增加呈降低趋势。贺鸿珠[7]利用交流阻抗谱方法测量混凝土氯离 子扩散性，试验结果表明混凝土中氯离子扩散呈双曲线扩散的特征。左晓宝[8]设计制作了粉煤灰掺量为0%、10%和20%的水泥净浆—钢筋试件，利用电化学测试氯离子渗透性，试验表明粉煤灰等量代替水泥后，可以延长混凝土中钢筋的初始腐蚀时间，提高氯盐环境下的钢筋混凝土服役寿命，其中掺量为20%的时候构件的使用寿命最长达到510 天，比10%掺量效果要好。方永浩[9]通过研究了粉煤灰凝胶材料混凝土的力学性能及耐久性，并通过扫描电镜研究了界面结构，试验结果表明，粉煤灰混凝土抗氯离子渗透性能显著优于硅酸盐水泥混凝土，但是抗碳化性不及后者。

三、钢筋混凝土锈蚀

粉煤灰混凝土因密实性提高，孔隙结构改善和水化产物的变化，使其具有较高的抗氯离子渗透能力和较高的电阻抗，从而有效地抑制氯离子对钢筋的电化学锈蚀及杂散电流对钢筋的腐蚀，使混凝土对钢筋的保护能力提高。

图2 混凝土强度等级VS 电通量

目前很多学者都只是单纯的研究混凝土材料的氯离子锈蚀情况，但是也有一些学者也开始注意到了氯离子和钢筋锈蚀的关系。

曾水金等[10]通过电加速腐蚀，研究粉煤灰混凝土梁钢筋锈蚀及梁挠度情况，试验结果表明，钢筋锈蚀不均匀，而掺入粉煤灰对抑制钢筋的不均匀锈蚀有明显的效果；采用粉煤灰能够明显减少钢筋锈蚀的程度；对不掺入矿物掺和料的梁从通电加速锈蚀开始，挠度增长就明显快于掺入矿物掺和料的其他梁，之后差距越来越大，掺入矿物掺和料的梁，其不同配合比之间挠度变化不明显。高祥彪[11]对0%、10%、20%、30%不同粉煤灰掺量混凝土的钢筋锈蚀情况进行研究，研究表明高掺量的粉煤灰对混凝土的保护性下降，钢筋系数率增加，且随着粉煤灰的增加，钢筋锈蚀率逐渐增大，当粉煤灰掺量超过30%的时候钢筋锈蚀率比基准混凝土增加了8.63%。张倩倩[12]采用交流阻抗谱监测腐蚀电流密度并判断钢筋锈蚀具体的开始时间，研究了粉煤灰对砂浆中钢筋锈蚀的临界氯离子浓度的影响规律，结果表明，相同粉煤灰掺量从0 到30%，临界氯离子含量从0.52%降到0.33%，说明了掺入粉煤在一定程度上虽然可以提高钢筋混凝土的抗腐蚀性，但是当掺入量过大得时候，反而取到相反的效果。陆春华等[1,13]采用三点受弯的方法将粉煤灰为0%、15%和30%的混凝土钢筋锈蚀情况进行研究，试验结果表明混凝土的氯离子渗透性能随着弯曲裂缝宽度的增大而提高；粉煤灰掺量在15%能有效改善开裂混凝土的抗氯离子渗透性能，其等效氯离子扩散系数是普通混凝土的1/8-1/6。仲晓林[14]对减水剂和粉煤灰掺入的混凝土耐久性进行了研究，结果表明减水剂的加入以及粉煤灰的加入后，由于减水剂的分散吸附作用以及粉煤灰的填充，提高了混凝土密实性和水化作用，改善了了混凝土的耐久性，极大地降低了钢筋的锈蚀，使得钢筋锈蚀情况下降四倍左右。

四、结论与展望

（一）从微观分析，粉煤灰混凝土有较高的密实性，加上掺料的加入极大减少了粉煤灰混凝土的空隙和裂缝，使得粉煤灰混凝土更加致密和均匀，从而提高了粉煤灰土的耐久性。

（二）粉煤灰对混凝土钢筋锈蚀的影响是双向的，粉煤灰火山灰效应能很好改善混凝土内部结构，提高混凝土抗渗性和增大基体电阻率，进而很好的阻碍有害物质的入侵以及减缓钢筋锈蚀的速率。但粉煤灰的掺入也会明显减少孔隙中氢氧根离子的含量，一定程度降低钢筋周围的PH 值，即钢筋破钝所需的临界氯离子浓度。

（三）目前对粉煤灰混凝土的耐久性的研究都只是在无荷载的作用下，在现实的工程中都是伴随着多种耦合荷载，所有在之后的研究中可以着手于多种耦合荷载作用下粉煤灰末混凝土的耐久性进行研究。