粉煤灰对混凝土耐久性的影响

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1粉煤灰在混凝土中的作用机理随着我国城市化建设的推进，道路、桥梁、地铁等基础设施的大力兴建，混凝土用量剧增，混凝土结构所处的环境也越来越严苛，大量混凝土耐久性问题层出不穷，已经引起了广泛关注。国内外研究人员对如何提高混凝土结构耐久性做了大量研究，并获得了诸多成果。研究发现，粉煤灰作为矿物掺合料添加入混凝土中可以有效提高混凝土结构的稳定性和耐久性。

粉煤灰是从烟气中收集的细粉末，主要矿物组成为直径以微米计的实心微珠和空心微珠等，颗粒表面光滑，呈球形，颜色为灰色或深灰色，主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3。目前，粉煤灰在我国的年排放量约为3亿t，但利用率只有42%左右，其主要应用于建材、建工、筑路、回填等领域[1]。粉煤灰的大量排放，不仅占用了大面积的土地和能源，而且容易形成粉尘影响环境卫生。在混凝土中掺入部分粉煤灰，不仅使混凝土生产成本降低，而且可以减少水化热，使混凝土内部温度降低，减少孔隙率，抑制碱-骨料反应，提高抗渗性，从而延长混凝土结构的使用寿命，提高混凝土耐久性。掺加粉煤灰已成为混凝土改性的重要方法，粉煤灰也成为了制备高性能混凝土不可或缺的组分之一，在配制混凝土时，粉煤灰可以取代混凝土中水泥用量的20%～40%。由于粉煤灰的良好的活性，粉煤灰在混凝土中的直接应用技术有了新进展，一方面实现了废物利用，响应了国家节能减排、减少环境污染的要求，取得了经济效益和社会效益，另一方面极大地改善了混凝土性能、扩增了混凝土的品种。文章从粉煤灰效应出发，阐述了粉煤灰对混凝土耐久性的影响。

粉煤灰是一种人工的火山灰质矿物类产品，细度与水泥细度相同或比水泥更细，本身并不具备胶凝能力，但其参与水泥的水化过程，对水化产物有贡献，因此被称为辅助胶凝材料。在碱性环境下，粉煤灰掺入混凝土中，粉煤灰中的SiO2和Al2O3可以与水泥水化产物Ca(OH)2发生化学反应，生成难溶性水化铝酸钙和水化硅酸钙。粉煤灰具有潜在的化学活性，只有在较长龄期才能显现出来，可以显著提高混凝土结构的耐久性，粉煤灰在混凝土结构中的主要作用集中体现在以下几方面：

（1）粉煤灰多呈球形，优质粉煤灰中的玻璃微珠含量较高，可以填充骨料颗粒之间的空隙，形成润滑层，对混凝土和砂浆起到“滚珠轴承”作用，可以提高流动性，具有减水作用，因此有学者称之为“矿物减水剂”；

（2）粉煤灰可以使水泥分布均匀，在配制较低水胶比的混凝土时，由于粉煤灰水化较慢，未水化的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化得更完全；

（3）粉煤灰的颗粒较细，可以填充水泥颗粒之间的孔隙，改善混凝土的结构，提高致密性[2]，从而提高强度和耐久性；

（4）粉煤灰具有火山灰效应，可以与富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生化学反应，生成的具有胶凝性质的产物，可以填充混凝土结构中的孔隙改善微观结构，同时改善界面缺陷，加强薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有明显的作用；

（5）粉煤灰密度较小，当其等质量代替水泥时，可以改善混凝土的和易性，而且可以延缓水泥的水化速度，降低水化热，防止混凝土开裂，延长使用年限。粉煤灰的效应与自身品质有关，品质越好，其活性越高。粉煤灰可以采取三种方式掺入混凝土中，分别为等量取代法、超量取代法和外掺法。从有利于发挥粉煤灰活性以及粉煤灰在工程应用等角度出发，今后粉煤灰应作为混凝土的单独组分来进行配合比设计。

2粉煤灰对混凝土耐久性的影响

2.1抗冻融性

混凝土结构的冻融破坏是指在低温条件下，混凝土中凝胶孔和毛细孔道之间存在渗透压和膨胀力，当其超过混凝土的抗拉强度时，就会使混凝土产生微细裂缝，在反复冻融作用下，会使微细裂缝不断增多和扩大，导致混凝土强度逐渐降低，甚至产生剥落现象。在严寒地区，冻融循环严重影响混凝土的耐久性。大量研究发现，粉煤灰混凝土的抗冻性相对于基准混凝土来说有很大的改善。其主要机理是随着水泥水化反应的不断进行，自由水的含量逐渐减少，水泥的水化不可能完全，因而混凝土内部一定存在未水化凝胶材料。粉煤灰高性能混凝土的抗冻性能之所以得到了提高，也是混凝土内部孔隙率减少和剩余孔径变小所致。掺加一定量粉煤灰部分替换水泥后，由于减少了水泥用量，水化产物中Ca(OH)2量也随之下降，但粉煤灰的二次水化产物C-S-H和Aft的量有所增加，使混凝土与集料界面过渡层的孔隙率下降[3]；此外，粉煤灰的细微颗粒在水泥颗粒中均匀分散，成为水化产物积聚的中心。

随着混凝土龄期的延长，这些细微颗粒和水化产物使水泥石孔隙率下降，改善了混凝土的耐久性。粉煤灰的等级与粒度或比表面积有很大联系，粉煤灰质量较高时，微细颗粒能充分均匀地分散在水泥颗粒之间，而且由于直径比毛细孔直径大的硬质空心玻璃体的存在会切断毛细孔渗水的通道，减少泌水，可提高混凝土结构的密实度，从而使得混凝土的抗冻性大大提高。

2.2抗渗透性

抗渗透性是评价混凝土的重要指标之一，很大程度上决定着混凝土结构的耐久性。混凝土是典型的毛细孔多孔体，内部存在大量孔隙。粉煤灰由于具有微集料效应，掺入粉煤灰后的混凝土大孔数量较少，其渗透系数也较小，具有良好的抗渗能力[2]。粉煤可以改善混凝土的孔结构，从而在抗渗混凝土中得到了应用。粉煤灰的掺加可以改善混凝土的界面结构与和易性，提高致密性和耐久性。其还具有火山灰效应，能与水泥的水化产物生成C-S-H凝胶，填塞混凝土结构中的存在的孔隙和渗透通道，使密实度和渗透阻力增大。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[4]。随着混凝土龄期的增长，粉煤灰的潜在活性得到进一步发挥并使粉煤灰混凝土的抗渗性能更好。

2.3抑制碱-骨料反应

由于碱-骨料反应进行缓慢，很难发现及发现时难以修复等特点，此反应被人们称为混凝土结构耐久性的“癌症”。因为粉煤灰对碱-骨料反应具有抑制作用，故引起了人们的广泛重视。周军等人的研究表明，混凝土结构中水泥的含碱量越高，膨胀率就越大，而膨胀率与骨料的活性大小无关，与粉煤灰的取代量、粉煤灰的等级和含碱量也无关[5]。在大多数情况下，同基准拌合物相比，加入粉煤灰可减少碱-骨料反应引起的体积膨胀，用粉煤灰取代一部分水泥是抑制碱-骨料反应的有效措施。掺入粉煤灰不仅能使水泥水化生成的Ca(OH)2量减少，而且可以促使碱被固定在C-S-H中，使碱含量下降95%，碱-骨料反应发生的条件遭到了破坏，有效地抑制了反应的发生。吴定燕等人的研究表明[6]，粉煤灰掺量在30%时，对碱-骨料反应的抑制效果更为显著，可以更为有效地缓解由于碱集料反应而引起的耐久性下降问题。

3结语

粉煤灰由于具有良好的形态效应、微集料效应和火山灰效应，可以有效地改善混凝土结构的耐久性，而且粉煤灰混凝土的生产初步实现了粉煤灰的综合利用，既减少了环境污染又提高了经济效益，开辟了一条可持续发展的道路。但是普通粉煤灰本身活性低而且粒度比较大，将其掺入混凝土后混凝土的早期强度低，使其在工程应用领域受限，所以粉煤灰在使用过程中也需要不断地创新和发展。目前，超细粉煤灰对高性能混凝土长期性能及耐久性的影响成为了新的研究热点，为进一步提高对资源的有效利用提供了新的思路。

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