粉煤灰對混凝土碳化的影響

張小偉（新疆維吾爾自治區產品質量監督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

引言

混凝土碳化，會引起鋼筋銹蝕，導致其體積膨脹，使混凝土保護層開裂，直至使混凝土剝落，嚴重的影響了混凝土建筑物的耐久性?；炷恋奶蓟饔檬侵复髿庵械亩趸荚诖嬖谒臈l件下與水泥水化產物氫氧化鈣發生反應，生成碳酸鈣和水。因氫氧化鈣是堿性的，而碳酸鈣是中性，所以碳化又叫中性化。

碳化過程是二氧化碳由混凝土表面向內部逐漸擴散深入。碳化引起水泥石化學組成及組織結構的變化，二氧化碳的作用不僅對水泥石中的氫氧化鈣發生反應，而且由于氫氧化鈣濃度的降低，將要侵蝕和分解水泥石中所有的水化產物，生成硅膠和鋁膠，從而對混凝土的化學性能和物理力學性能產生明顯的影響，主要是對混凝土的堿度、強度和收縮產生影響。

1 粉煤灰在混凝土中的作用機理

粉煤灰由于其內部球形顆粒較多，具有良好的形態效應,可在水泥顆粒間起到一種“滾珠”作用，從而改善混凝土的工作性能（如圖1 所示）；另一方面,由于粉煤灰密度較之水泥更小，可獲得更多的膠凝材料漿體體積量,增加了混凝土拌合物的漿體體積，增加了混凝土拌合物的流動度以及二次水化的特性使得混凝土的后期強度增加?；谝陨闲再|，粉煤灰在混凝土工程中得到了大量的應用。

圖1 粉煤灰顆粒的微觀形貌

摻入粉煤灰的混凝土，粉煤灰中的活性SiO2能逐步與水泥石中的Ca(OH)2產生二次反應，即火山灰效應，生成低堿性水化硅酸鈣。反應方程式為[1]：

同時，摻加粉煤灰后可提高混凝土的抗滲性，但會使混凝土的抗碳化性能降低[2][3]。由于粉煤灰可以與水泥水化生成的氫氧化鈣和水發生水化反應，生成具有水硬性特點的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等，并填充于毛細孔隙內，使混凝土密實度得到改善。

2 粉煤灰對混凝土碳化的影響

通過研究發現[4][5][6]，用粉煤灰部分取代混凝土中的水泥會引起其抗碳化能力下降。粉煤灰取代量越大，抗碳化能力下降越明顯。

董文辰等人認為[1]，當含水量保持不變時，如果額外摻加粉煤灰，加大漿體體積，干縮程度會略有增加。方璟等人通過研究摻粉煤灰對碳化的影響[7]，對粉煤灰以15%和30%的比例等量取代水泥的混凝土進行碳化試驗，發現粉煤灰取代水泥越多，混凝土抗碳化能力下降程度越大。但在采用超量取代技術或純外摻粉煤灰技術時，可以提高混凝土的密實度，并使其影響大于粉煤灰二次反應吸收Ca(OH)2減少混凝土堿貯存的影響，從而使混凝土的抗碳化性能得到提高。

張德成等人研究了摻合料對硫鋁酸鹽水泥基混凝土碳化深度的影響[8]，發現在20%復摻下其碳化深度最低。一方面由于水泥中的石膏在水化反應過程中并沒有完全反應而有富余，而富余的石膏可對礦渣和粉煤灰起到硫酸鹽激發劑的作用。另一方面，β-C2S 水化析出Ca(OH)2對礦渣和粉煤灰起到堿性激發劑的作用。而此時礦渣和粉煤灰中可化合的Al2O3可與液相中的Ca(OH)2和CaSO4迅速反應生成鈣礬石，同時液相中多余的Ca(OH)2與礦渣和粉煤灰中可化合的SiO2形成C-S-H 凝膠，提高了混凝土的強度和密實度，降低混凝土的空隙率，細化其孔結構，使封閉孔隙增多，從而降低了碳化速度。

M.D.A.Thomas 等人通過研究粉煤灰混凝土的滲透性[9]，發現粉煤灰混凝土的滲透性隨著養護齡期和粉煤灰含量的增加而降低?；炷猎?0℃，相對濕度為65%的環境下養護3d 后，比1d 后的氣體滲透平均值降低3.7%，而在7d 后，降低高達54%。

P.Sulapha 等人分別對摻加礦渣、粉煤灰和硅灰的混凝土進行了實驗研究[10]，發現摻加粉煤灰的混凝土比起未摻的混凝土碳化更深。由于摻合料的加入引起的火山灰效應，混凝土中Ca(OH)2量減少，導致碳化速度加快，這在礦渣混凝土和粉煤灰混凝土中尤其明顯。而摻加硅灰的混凝土抗碳化能力反而提升，這是由于硅灰對混凝土的孔結構有密實的作用，而這種作用比起Ca(OH)2含量的降低起到了主導的作用。他同時研究了混凝土抗壓強度和碳化性能的關系，發現強度越低，混凝土碳化深度越高，并呈線性關系。

一般認為，水灰比越大，混凝土內部結構的孔隙越多，混凝土越不密實，CO2在其中就越易擴散，加快了碳化速度。劉藍萍等人[6][7]針對混凝土碳化深度隨時間和水灰比變化的規律進行了研究，發現不管是否向混凝土中摻加粉煤灰，也不管使用何種水泥，只要水灰比降低，相對應的碳化深度就會降低。

施惠生等人研究了不同水灰比的粉煤灰混凝土的性能[11]，結果表明，粉煤灰對于混凝土的抗壓強度、氣滲性和碳化程度的影響與水灰比有著很大的關系。當低水灰比時，摻加30%粉煤灰的混凝土可以明顯改善混凝土的強度，而對氣滲性和抗碳化性能沒有太大的影響。而當水灰比較高時，粉煤灰混凝土的強度、氣滲性和抗碳化性能均有不同程度的下降。

Sulapha 等人[12]等人認為，在混凝土中摻入粉煤灰、礦渣、石灰石粉和硅灰等礦物摻合料具有活性，與Ca(OH)2反應，會降低混凝土的堿度，從而使混凝土抗碳化能力減弱。而在混凝土中摻入大量摻和料一方面降低了混凝土內部水泥的用量，另一方面，摻和料的二次水化作用消耗了混凝土的Ca(OH)2，使得混凝土內部可供碳化的物質大大減少，碳化程度加深。沙慧文等人[13]對粉煤灰混凝土碳化進行了試驗與工程調查，得出了粉煤灰摻量對碳化的影響規律，結論為混凝土中粉煤灰的摻量越多，混凝土的碳化現象越為嚴重。

3 結語

綜上所述，用粉煤灰取代高性能混凝土中的水泥導致混凝土早期抗碳化能力下降，而后期抗碳化能力有一定程度的提升；粉煤灰高性能混凝土的抗碳化性能隨水膠比的減小而提高；碳化反應可以提高水泥漿體及混凝土界面過渡區的顯微硬度和密實程度。當粉煤灰摻量較小時，碳化反應可以減小混凝土界面過渡區的寬度。所以，在研究及實踐過程中，一定要考慮礦物摻合料的綜合影響因素，合理的選用礦物摻合料，保證混凝土的質量。

[1]董文辰，康德君，王立久.粉煤灰混凝土中粉煤灰的火山灰效應綜述.國外建材科技，2004年第25 卷第3期.

[2]F.J.Huertas,A.Hidalgo,M.L.Rozalén,S.Pellicione,C.Domingo,C.A.García-González,C.Andrade and C.Alonso.Interaction of bentonite with supercritically carbonated concrete.Applied Clay Science 42(2009) 488-496.

[3]W.Sha and G.B.Pereira,Differential scanning calorimetry study of hydrated ground granulated blast-furnace slag,Cem.Concr.Res.31 (2001),pp.327–329.

[4]LIU Junzhe,LI Yushun,LV Lihua.Effect of Antifreezing Admixtures on Alkali-silica Reaction in Mortars.J.Wuhan University ofTechnology-Mater.Sci.Ed,2005.2.

[5]L.C.Lange,C.D.Hills and A.B.Poole,The influence of mix parameters and binder choice on the carbonation of cement solidified wastes,Waste Manage.16 (1996),p.749.

[6]陳迅捷,張燕馳,歐陽幼玲.活性摻合料對混凝土抗碳化耐久性的影響.混凝土與水泥制品[J].2002,3:7-9

[7]方憬，梅國興，陸采榮.影響混凝土碳化主要因素及鋼筋銹蝕因素試驗研究[J].混凝土，1993(2):35-43

[8]張德成，張云飛，程新.硫鋁酸鹽水泥基混凝土抗碳化性能的研究.硅酸鹽通報.2008年4 月，第27 卷第2 期.

[9]M.D.A.Thomas，J.D.Matthews.The permeability of fly ash concrete[J].M.S.1992，25:388-396

[1 0]P.S u l a p h a、S.F.W o n g、T.H.W e e a n d S.Swaddiwudhipong.Carbonation of Concrete Containing Mineral Admixtures.JOURNAL OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING?ASCE/ MARCH/APRIL 2003

[11]H.Shi,B.Xu,X.Zhou.Influence of mineral admixtures on compressive strength,gas permeability and carbonation of high performance concrete[J].Construction and Building Materials,2009(23):1980-1985.

[12]Sulapha,P.,et al.,Carbonation of Concrete Containing Mineral Admixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2003.15(2):p.134-144.

[13]沙慧文.粉煤灰混凝土碳化和鋼筋銹蝕原因及防止措施[J].工業建筑,1989(1):p.7-10.