粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的作用机理和影响

粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的作用机理和影响

黄晓东田向红

(青岛交通工程监理咨询有限公司,山东青岛266400)

摘要：简要阐述了粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的作用机理和影响。

关键词：粉煤灰；渗透性；影响

大多数海水中都含有约3.5%的可溶盐，混凝土暴露于海水中，必然受到海水的侵蚀破坏，如海水对水泥石的腐蚀、碱-集料反应、盐在混凝土中的结晶膨胀以及钢筋的腐蚀等。如何能够配制出抵制海水侵蚀和破坏的耐久性优良的混凝土是当今的一大课题。

20世纪80年代初，美国佛罗里达州建造了一座非常宏伟的跨海大桥，在该桥的建设过程中，考虑到周围的侵蚀性环境，在混凝土里掺用了大量粉煤灰，工程质量有很大改善。因而在1983年修订规范时，对原来随意使用粉煤灰的规定进行了修订。新规范（S-346）规定：在中度以上侵蚀环境中的桥梁上部结构，包括预应力构件的混凝土中，必须掺用粉煤灰。其中大体积混凝土中粉煤灰的掺量为18~50%。

为了便于认识粉煤灰在混凝土中的作用，先来看看混凝土的结构和性能之间的关系。混凝土是由大小不同的颗粒所组成的，大颗粒粗骨料的空隙由中小颗粒的粗骨料（石子）填充；粗骨料颗粒的空隙由细骨料（砂子）填充，它的颗粒也是有粗有细，细颗粒填充粗颗粒之间的空隙；水泥浆则填充粗细骨料堆积体的大小空隙，并包裹它们形成一层润滑层，使新拌混凝土（也称拌合物）具有一定的工作性，能在外力或本身的自重作用下成型密实。硬化混凝土是一种复杂的、多相的复合材料，它的结构主要包括三个相——骨料、硬化水泥浆体以及二者之间的过渡区，说它复杂是因为它很不匀质，主要体现在以下几方面：

第一，过渡区的存在。过渡区是围绕骨料颗粒周边的一层薄壳，厚度约10～50μm。由于它的薄弱，对混凝土性能的影响十分显著；第二，三相中的任一相，本身实际上还是多相体。例如一颗花岗岩的骨料里除了有微裂缝、孔隙外，还不均匀地镶嵌着石英、长石和云母三种矿物。石英很硬，而云母就很软；第三，与其他工程材料不同，混凝土结构中的两相——硬化水泥浆体和过渡区是随时间、温度与湿度环境不断变化着的。

先谈骨料相。通常在为混凝土选择骨料时，首先注意的是它的颗粒强度，也就是说：它越坚硬越好。事实上，由于骨料的强度通常比其他两相的高很多，因此它对混凝土的强度并没有直接的影响。但是它们的粒径和形状间接地影响混凝土强度：当骨料最大粒径越大、针片状颗粒越多时，其表面积存的水膜越厚，过渡区相就越薄弱，硬化混凝土的强度和抗渗透性也越差。所以，质量好的骨料应该是颗粒形状均匀、级配好，堆积密实度高，所需要的浆体用量少。许多路面板之所以不耐久，骨料质量差，尤其缺乏5~10mm粒径的颗粒，因此传荷能力和抗冲击与疲劳能力受到严重影响是重要的原因。

再谈硬化水泥浆体（也称水泥石）。在配制混凝土选用水泥时，都认为标号越高的水泥就越好。事实上，高标号水泥因为通常粉磨得越细，在拌合时往往需要更多的水，硬化后生成更多薄弱的氢氧化钙，多余的水分蒸发后也会形成更多的孔隙，对混凝土的强度和耐久性不利。但是，这样的水泥水化反应快，因此用它配制的混凝土早期强度高，这是它受欢迎，售价高的原因。

试验表明：即使所用骨料非常致密，混凝土的渗透性也要比相应的水泥浆体低一个数量级。这说明：混凝土体的渗透性并不直接取决硬化水泥浆体的渗透性，那么更主要的影响来自哪里呢？答案只能是：来自过渡区。刚浇筑成型的混凝土在其凝固硬化之前，骨料颗粒受重力作用向下沉降，含有大量水分的稀水泥浆则由于密度小的原因向上迁移，它们之间的相对运动使骨料颗粒的周壁形成一层稀浆膜，待混凝土硬化后，这里就形成了过渡区。过渡区微结构的特点为：a.富集大晶粒的氢氧化钙和钙矾石；b.孔隙率大、大孔径的孔多；c.存在大量原生微裂缝，即混凝土未承载之前出现的裂缝。

因为过渡区的影响，使混凝土在比它两个主要相能够承受的应力低得多的时候就被破坏；由于过渡区大量孔隙和微裂缝存在，所以虽然硬化水泥浆体和骨料两相的刚性很大，但受它们之间传递应力作用的过渡区影响，混凝土的刚性和弹性模量明显地减小。

过渡区的特性对混凝土的耐久性影响也很显著。因为硬化水泥浆体和骨料两相在弹性模量、线胀系数等参数上的差异，在反复的荷载、冷热循环与干湿循环作用下，过渡区作为薄弱环节，在较低的拉应力作用下其裂缝就会逐渐扩展，使外界水分和侵蚀性离子易于进入，对混凝土及钢筋产生侵蚀作用。

粉煤灰是一种火山质混合材料，是火力发电厂燃煤锅炉排出的烟道灰，其中含有大量的球状玻璃珠，通常呈灰白到黑色，密度在1900~2800kg/m3之间，主要化学成分是SiO2和Al2O3，两者总量在60%以上。粉煤灰主要技术指标应符合GB/T1596-2005标准要求，详见表1。

粉煤灰在混凝土中的主要作用可以分为以下几个方面：

a.填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，由于粉煤灰的容重（表观密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好（质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。

b.对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化得更充分。

c.粉煤灰和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物（与水泥中硅酸盐的水化产物相同），而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用。

d.粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。

对于粉煤灰的作用机理，从主要是火山灰质材料特性的作用（消耗了水泥水化时生成薄弱的，而且往往富集在过渡区的氢氧化钙片状结晶，由于水化缓慢，只在后期才生成少量C-S-H凝胶，填充于水泥水化生成物的间隙，使其更加密实），逐步发展到分析它还具有形态效应、填充效应和微集料效应等。

为了更直观的展示粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性的作用，曾对掺粉煤灰混凝土和纯水泥混凝土作了对比，详见表2、3。

从表2、3可以看出，粉煤灰的掺入有利于提高混凝土的抗氯离子渗透性能，掺入35%粉煤灰的混凝土电通量仅为纯水泥混凝土电通量的29%，因此，在胶凝材料用量大、水胶比低的高强混凝土中，掺入优质粉煤灰有利于改善混凝土的微观结构，提高密实度和抗氯离子渗透的能力。