粉煤灰對混凝土耐久性研究現(xiàn)狀

（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

自從波蘭水泥誕生以來，混凝土材料一直都是土木工程中最常見和最重要的材料之一。其中鋼筋混凝土憑借其良好的力學(xué)性能、耐久性能以及經(jīng)濟性，被廣泛的應(yīng)用。但是隨著時間的推移，研究者們發(fā)現(xiàn)大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性都達不到設(shè)計年限，其中最主要的原因就是氯離子侵蝕混凝土內(nèi)部，進而破壞鋼筋的鈍化膜，加速鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性不足提前結(jié)束服役。

關(guān)于如何解決混凝土抗氯離子侵蝕問題，專家學(xué)者們提出了粉煤灰礦物摻合料的摻入對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性很有利。在過去幾十年的研究中，國內(nèi)外許多學(xué)者分別對粉煤灰混凝土的微觀分析、力學(xué)性能、抗氯鹽侵蝕、鋼筋銹蝕、配合比設(shè)計等方面進行了大量研究，并取得了大量的成果。

一、力學(xué)性能

普通粉煤灰混凝土具備有較好的和易性、彈性模量大、與鋼筋的粘結(jié)力大、抗?jié)B和防腐蝕能力強等特性，但是摻入粉煤灰之后會影響其早期強度，且隨著摻量的增加，混凝土強度下降越多。

圖1 粉煤灰不同摻量抗壓強度對比

陸春華[1]、林旭健[2]、趙慶新[3]、張學(xué)兵[4]、劉寶舉[5]等對0%、15%、30%、40%、50%不同粉煤灰摻量的混凝土的抗壓強度進行了試驗。如圖1 所示，從這幾個學(xué)者的對比圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的強度下降程度越大，還可以發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量在10%-30%時，不同學(xué)者得到的抗壓強度趨勢不一樣，造成這現(xiàn)現(xiàn)象的可能有兩種原因，一個是澆筑養(yǎng)護的質(zhì)量，及減水劑添加的比例造成的，因為減水劑在改善混凝土和易性的基礎(chǔ)上，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，減小混凝土內(nèi)部孔徑，增強混凝土密實性；另一個原因是每個學(xué)者所使用的粉煤灰顆粒級配不一樣，陸春華采用的是二級灰，林旭健采用的三級灰；趙慶新和張學(xué)兵采用的一級灰，劉寶舉采用的超細粉煤灰，故顆粒越小的粉煤灰對混凝土的填充效果越好，粉煤灰的作用與二次水化及火山灰效應(yīng)越好，從而在摻入20%—30%粉煤灰作用下，混凝土強度只是稍微下降而已。

針對粉煤灰的摻入會降低混凝土的強度的現(xiàn)狀，目前的研究還應(yīng)該多集中在如何改善大摻量粉煤灰的前提下，提高混凝土的抗壓強度。

二、抗氯離子侵蝕性能

粉煤灰混凝土耐溶出性侵蝕、酸性侵蝕、鹽類侵蝕的能力很強，其中主要是由于粉煤灰具有三種效應(yīng)：一是提高混凝土的密實性，阻止了軟水和腐蝕性物質(zhì)的滲入；二是粉煤灰的加入使得水化產(chǎn)物Ca（OH）2 的量減少；三是粉煤灰使得高鹽水化鋁酸鈣水解成為極限石灰濃度較低的低鹽基水化鋁酸鈣，因而消除了或降低了高硫型水化硫鋁酸鈣形成的可能性，更易形成低硫型水化硫鋁酸鈣。低硫型水化硫鋁酸鈣在遠離含鋁固相表面的液相中以分散狀析出結(jié)晶，填充原來的充水空間，不僅不會產(chǎn)生有害的內(nèi)應(yīng)力，而且還可以作為水泥石的有效組織結(jié)構(gòu)，增強水泥石的密實性和強度。

林旭健[2]通過計算通電試塊總電量，然后按照庫倫試驗判定準則，判定不同強度粉煤灰混凝土摻量為0%、20%、30%、40%、50%時氯離子滲透性能，結(jié)果表明摻入粉煤灰的混凝土抗氯離子滲透性能總體上明顯高于同等級普通混凝土，且隨著混凝土強度的提高，混凝土氯離子滲透更低如圖2 所示，且在粉煤灰摻量20%-30%內(nèi)混凝土的滲透性最好，超過40%混凝土滲透性就會回彈變差。

孫叢濤[6]采用干濕交替的方式研究0%、10%、30%、50%不同粉煤灰摻量混凝土的氯離子結(jié)合性能，結(jié)果表明摻入粉煤灰提高混凝土氯離子結(jié)合性能，但是其氯離子結(jié)合率和相對氯離子結(jié)合系數(shù)均低于未摻粉煤灰混凝土，且隨著粉煤灰摻量的增加呈降低趨勢。賀鴻珠[7]利用交流阻抗譜方法測量混凝土氯離 子擴散性，試驗結(jié)果表明混凝土中氯離子擴散呈雙曲線擴散的特征。左曉寶[8]設(shè)計制作了粉煤灰摻量為0%、10%和20%的水泥凈漿—鋼筋試件，利用電化學(xué)測試氯離子滲透性，試驗表明粉煤灰等量代替水泥后，可以延長混凝土中鋼筋的初始腐蝕時間，提高氯鹽環(huán)境下的鋼筋混凝土服役壽命，其中摻量為20%的時候構(gòu)件的使用壽命最長達到510 天，比10%摻量效果要好。方永浩[9]通過研究了粉煤灰凝膠材料混凝土的力學(xué)性能及耐久性，并通過掃描電鏡研究了界面結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果表明，粉煤灰混凝土抗氯離子滲透性能顯著優(yōu)于硅酸鹽水泥混凝土，但是抗碳化性不及后者。

三、鋼筋混凝土銹蝕

粉煤灰混凝土因密實性提高，孔隙結(jié)構(gòu)改善和水化產(chǎn)物的變化，使其具有較高的抗氯離子滲透能力和較高的電阻抗，從而有效地抑制氯離子對鋼筋的電化學(xué)銹蝕及雜散電流對鋼筋的腐蝕，使混凝土對鋼筋的保護能力提高。

圖2 混凝土強度等級VS 電通量

目前很多學(xué)者都只是單純的研究混凝土材料的氯離子銹蝕情況，但是也有一些學(xué)者也開始注意到了氯離子和鋼筋銹蝕的關(guān)系。

曾水金等[10]通過電加速腐蝕，研究粉煤灰混凝土梁鋼筋銹蝕及梁撓度情況，試驗結(jié)果表明，鋼筋銹蝕不均勻，而摻入粉煤灰對抑制鋼筋的不均勻銹蝕有明顯的效果；采用粉煤灰能夠明顯減少鋼筋銹蝕的程度；對不摻入礦物摻和料的梁從通電加速銹蝕開始，撓度增長就明顯快于摻入礦物摻和料的其他梁，之后差距越來越大，摻入礦物摻和料的梁，其不同配合比之間撓度變化不明顯。高祥彪[11]對0%、10%、20%、30%不同粉煤灰摻量混凝土的鋼筋銹蝕情況進行研究，研究表明高摻量的粉煤灰對混凝土的保護性下降，鋼筋系數(shù)率增加，且隨著粉煤灰的增加，鋼筋銹蝕率逐漸增大，當粉煤灰摻量超過30%的時候鋼筋銹蝕率比基準混凝土增加了8.63%。張倩倩[12]采用交流阻抗譜監(jiān)測腐蝕電流密度并判斷鋼筋銹蝕具體的開始時間，研究了粉煤灰對砂漿中鋼筋銹蝕的臨界氯離子濃度的影響規(guī)律，結(jié)果表明，相同粉煤灰摻量從0 到30%，臨界氯離子含量從0.52%降到0.33%，說明了摻入粉煤在一定程度上雖然可以提高鋼筋混凝土的抗腐蝕性，但是當摻入量過大得時候，反而取到相反的效果。陸春華等[1,13]采用三點受彎的方法將粉煤灰為0%、15%和30%的混凝土鋼筋銹蝕情況進行研究，試驗結(jié)果表明混凝土的氯離子滲透性能隨著彎曲裂縫寬度的增大而提高；粉煤灰摻量在15%能有效改善開裂混凝土的抗氯離子滲透性能，其等效氯離子擴散系數(shù)是普通混凝土的1/8-1/6。仲曉林[14]對減水劑和粉煤灰摻入的混凝土耐久性進行了研究，結(jié)果表明減水劑的加入以及粉煤灰的加入后，由于減水劑的分散吸附作用以及粉煤灰的填充，提高了混凝土密實性和水化作用，改善了了混凝土的耐久性，極大地降低了鋼筋的銹蝕，使得鋼筋銹蝕情況下降四倍左右。

四、結(jié)論與展望

（一）從微觀分析，粉煤灰混凝土有較高的密實性，加上摻料的加入極大減少了粉煤灰混凝土的空隙和裂縫，使得粉煤灰混凝土更加致密和均勻，從而提高了粉煤灰土的耐久性。

（二）粉煤灰對混凝土鋼筋銹蝕的影響是雙向的，粉煤灰火山灰效應(yīng)能很好改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土抗?jié)B性和增大基體電阻率，進而很好的阻礙有害物質(zhì)的入侵以及減緩鋼筋銹蝕的速率。但粉煤灰的摻入也會明顯減少孔隙中氫氧根離子的含量，一定程度降低鋼筋周圍的PH 值，即鋼筋破鈍所需的臨界氯離子濃度。

（三）目前對粉煤灰混凝土的耐久性的研究都只是在無荷載的作用下，在現(xiàn)實的工程中都是伴隨著多種耦合荷載，所有在之后的研究中可以著手于多種耦合荷載作用下粉煤灰末混凝土的耐久性進行研究。