摘要：根據(jù)影響混凝土碳化的主要因素和粉煤灰混凝土的特點，研究了對粉煤灰進行 磨細和增加適量熟石灰的措施，在不降低粉煤灰混凝土強度前提下，探討改善大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能的可行性。

  關鍵詞：粉煤灰 混凝土 碳化 石灰

  總的來說，人們希望混凝土有好的抗碳化性能，因為混凝土碳化后收縮將增大，可能形成不可恢復的碳化收縮裂紋，并降低混凝土的強度，特別對于鋼筋混凝土碳化最不利的影響就是使堿度降低，使鋼筋的鈍化膜遭到破壞而引起鋼筋銹蝕，最終導致結(jié)構(gòu)破壞。 對于普通混凝土，由于含有一定的堿儲備和較小的滲透性，混凝土的碳化很慢，一般不會因保護層碳化而導致鋼筋銹蝕。但對于粉煤灰混凝土特別是大摻量粉煤灰混凝土，由于堿儲備的大量降低，特別在早期的滲透性較大，碳化速度非?？欤苋菀滓蛱蓟瘜е落摻罨炷林袖摻钿P蝕，最后造成結(jié)構(gòu)破壞。因此改善大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能是促進粉煤灰類活性摻合料在混凝土中應用的保證。

  1粉煤灰混凝土碳化的特點與改善措施

  混凝土的碳化通常是指空氣中二氧化碳與水泥石中氫氧化鈣作用在有水存在的條件下生成碳酸鈣與水。隨碳化過程，混凝土中Ca⁺²的濃度降低，為了維持平衡，氫氧化鈣就會不斷溶解，上述過程反復進行，結(jié)果使液相堿度及堿儲備降低。當pH值或Ca(OH)₂降低到一定程度時，周圍其它含鈣水化產(chǎn)物還會分解、碳化而影響混凝土的性能。

  粉煤灰取代部分水泥后，首先水泥熟料水化，生成Ca(OH)₂，pH值到達一定值后(pH=12.2、12.3)，Ca(OH)₂將與粉煤灰玻璃體中的活性SiO₂、Al₂O₃反應生成水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣。因此粉煤灰混凝土特別是大摻量粉煤灰混凝土的二次反應將消耗大量的Ca(OH)₂，將使堿儲備、液相堿度降低。很顯然，粉煤灰混凝土的堿儲備減少^[2] ，碳化中和作用的過程縮短，也就導致粉煤灰混凝土抗碳化性能的降低^[3]。Thomas等試驗表明^[4]，隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土碳化速度增加，當粉煤灰摻量高于50%時，碳化速度迅速增加。

  從二氧化碳的擴散及水分滲透來看，其速度取決于孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙率。若想使粉煤灰混凝土和普通混凝土具有相同強度及滲透性，需要較長的養(yǎng)護期。試驗結(jié)果表明，28天等強度的粉煤灰混凝土與普通混凝土相比，摻粉煤灰混凝土的試樣較粗孔隙數(shù)量及透氣率比普通混凝土的試樣增加明顯^[3] 。隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土總孔隙體積是增加的，特別是粉煤灰摻量超過50%滲透性能迅速增加^[5] 。

  從內(nèi)部化學因素來看，能與CO₂反應的物質(zhì)主要是氫氧化鈣。由于粉煤灰混凝土中粉煤灰的二次水化，混凝土中氫氧化鈣的數(shù)量是很少的，NaOH、KOH等堿性物質(zhì)也相應較少。如果在混凝土中這些堿性物質(zhì)的濃度特別是氫氧化鈣的濃度越少，混凝土碳化越快。試驗表明^[4]，在相同透氧率的條件下，摻50%粉煤灰混凝土的碳化深度比普通混凝土高出5mm左右。因此，在粉煤灰混凝土中適量增加堿儲備，在不影響粉煤灰混凝土的強度條件下，應該說對抗碳化性能是有利的。

  適當?shù)奶岣邏A儲備，一方面可增加CO₂的反應物，另一方面可以補充后期粉煤灰的火山灰反應而造成的氫氧化鈣不足，提高混凝土的密實性，是能夠有效的降低碳化速度的。但是，大氣中的CO₂是無限的，而混凝土中的堿儲備是有限的，如果只提高混凝土的堿儲備，而混凝土擴散性能較差，將不能很好的改善粉煤灰混凝土的抗碳化性能。因此，從內(nèi)部的物理及物理化學因素來看，如果能阻止或延緩CO₂等介質(zhì)在混凝土中由表及里擴散過程，就能更有效提高混凝土抗碳化性能，也只有在改善粉煤灰混凝土的擴散及抗?jié)B性能的基礎上，才能較長期提高混凝土抗碳化性能?？梢哉f所有提高混凝土抗?jié)B性能的途徑也能提高粉煤灰的抗碳化能力。

  Powers早就論證了初始水灰比對毛細孔的影響，認為混凝土中連續(xù)慣通的毛細孔，在硬化過程中，可以自行封閉起來，降低水灰比，可以將毛細孔封閉的時間提前。將粉煤灰磨細，也可降低粉煤灰的需水量，因此降低粉煤灰混凝土的水灰比，使粉煤灰混凝土中的連通孔隙封閉的時間提前，從而達到提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能的目的。國內(nèi)有研究者^[1]認為粉煤灰混凝土的碳化是受擴散控制的化學反應，存在一個臨界孔隙即為rc=320!，如毛細孔隙的孔徑小于rc時，則擴散系數(shù)有較大降低。如果其它條件不變，只要能減小總的孔隙率及細化孔隙，就利于抗碳化性能的提高。在水泥混凝土中摻入磨細粉煤灰，即促進粉煤灰的二次反應，又可以提高水泥的水化反應。這樣可以提高水化產(chǎn)物及二次反應的產(chǎn)物，來彌補由于水泥用量的減少而減少水化產(chǎn)物的數(shù)量，增大膠空比，提高粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

  綜上所述，適當提高堿儲備，再利用磨細粉煤灰的減水、活性、微集料效應的優(yōu)勢，提高粉煤灰混凝土特別是大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能是比較可行的。

  2 大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能的試驗

  提高粉煤灰混凝土的堿儲備，最為經(jīng)濟的是摻加石灰，從粉煤灰的水化來看，摻加石灰也有利于粉煤灰的水化和混凝土的強度發(fā)展。本文試驗首先確定在不影響混凝土強度指標的前提下?lián)郊邮业目尚行砸约胺N類與摻量，然后考察粉煤灰的細度和水泥品種對碳化性能的影響。

  試驗中采用重慶山洞水泥廠的425號普通硅酸鹽水泥與重慶水泥廠的525號普通硅酸鹽水泥。粉煤灰采用原狀灰、磨細灰、超細灰三種類型，密度分別為2.33、2.56和2.70g/cm³，比表面積分別為440、690和1210m²/kg。石灰為重慶歌樂山山洞石灰廠的中速石灰，實驗中采用的生石灰磨細60min，消石灰是自然熟化后過0.08mm方孔篩?；炷恋拇旨喜捎?~20mm石灰石碎石，細集料采用細度模數(shù)0.9的特細砂。

  2.1石灰的摻量及類型

  國內(nèi)一些研究者從粉煤灰活性激發(fā)角度對粉煤灰吸收氫氧化鈣的量進行了分析，認為粉煤灰吸收氫氧化鈣的最大量約為粉煤灰重的15%~30%。因最終參與火山灰反應的是氫氧化鈣，本文試驗中采用生石灰與熟石灰等當量對比，摻量為粉煤灰的25%。有關強度試驗結(jié)果見表1。

      2.2粉煤灰混凝土抗碳化性能的測定

  混凝土的抗碳化性能以碳化深度來表示。同樣條件下，碳化深度越小，則抗碳化性能越好。

  試驗還考慮到水泥品種、粉煤灰類型和熟石灰摻量等因素的影響。石灰摻量分別為0%、5%、10%(占膠凝材料重量)。粗集料采用5~10mm單粒級石灰石碎石。由于只作為對比試驗，碳化箱內(nèi)的CO₂濃度、溫度、濕度均未恒定控制，但CO2的濃度抽檢均大于20%，超過(GBJ82-85)的規(guī)定。

      碳化試件尺寸為4cm@4cm@16cm，當碳化深度達到20mm，即認為試件完全碳化。碳化試件要經(jīng)過28d標準養(yǎng)護。

  2.3粉煤灰混凝土碳化深度測試結(jié)果

  表2試驗結(jié)果規(guī)律性非常明顯。隨石灰摻量增加，粉煤灰混凝土抗碳化性能得到明顯改善。熟石灰摻量10%時，抗碳化能力比未摻石灰的粉煤灰混凝土可提高一倍以上。采用525號的水泥粉煤灰混凝土的抗碳化性能明顯比采用425號水泥的粉煤灰混凝土要好，隨粉煤灰細度增加，粉煤灰混凝土的抗碳化性能也有比較大的提高，這表明提高混凝土的密實性也是改善粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響措施。

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  圖1、2和3更為直觀顯示粉煤灰混凝土的抗碳化性能。不論是否摻加石灰以及采用磨細灰或超細灰，粉煤灰混凝土相比于普通混凝土其抗碳化性能仍比較差。在不摻石灰的情況下，粉煤灰磨細的細度對碳化深度影響較大，但摻加石灰后粉煤灰磨細的細度對粉煤灰混凝土碳化深度影響不煤灰混凝土的抗碳化性能明顯比采用425號水泥的粉煤灰混凝土要好，隨粉煤灰細度增加，粉煤灰混凝土的抗碳化性能也有比較大的提高，這表明提高混凝土的密實性也是改善粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響措施。

  加速碳化一定程度上只能說明混凝土的抗碳化能力，實際情況下混凝土的碳化與加速碳化有一定的差異。我們的試驗結(jié)果顯示，加速碳化試驗時粉煤灰混凝土碳化在早期相比普通混凝土就達到很大的深度，后期增加比較緩慢。實際情況下要達到加速碳化試驗中早期的碳化程度就需要很長時間，而混凝土的密實性也在同步增加，特別對于大摻量粉煤灰混凝土其密實性增加更為明顯，這種意義上說，粉煤灰混凝土加速碳化試驗結(jié)果只能作為參考。表3是對養(yǎng)護200d的粉煤灰混凝土和普通混凝土后加速碳化試驗對比。粉煤灰為超細灰，粉煤灰混凝土和普通混凝土配合比相同。結(jié)果顯示經(jīng)過長時間養(yǎng)護的粉煤灰混凝土在摻加石灰后的抗碳化能力是比較高的。

  3 結(jié)論

  1)補充石灰可以比較顯著提高大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能，在適當?shù)膿搅糠秶鷥?nèi)，對混凝土強度有所提高。

  2)采用磨細粉煤灰，也可提高大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

  3)就補充石灰和采用磨細粉煤灰兩種措施而言，摻加石灰對大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能的提高更為明顯和實用，但不論哪種措施或同時采用這兩種措施，大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能仍明顯低于普通混凝土，因此，大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能改善研究還應深入。

  參考文獻

  1KazusukeKobayashiandYuichiUno.CementandConcreteResearchVol.20，No.4

      2 劉伯，沈旦申，等.上海市粉煤灰應用技術手冊.上海:同濟大學出版社，1995

  3 沈旦申.粉煤灰混凝土.北京:中國鐵道出版社，1989

  4 M.D.A.Thomas，BSc，PhD，andJ.D.Matthews，BSc，PhD.Magazine of Concrete Research，1992，Vo1.44，No.160，Sept:217-228

  5 K.Torii，K.TaniguchiandM.Kawamura.Cement and Concrete Research Vol.25，No.4