粉煤灰混凝土碳化性能研究

張東生 周世騰

（寧夏大學土木與水利工程學院 寧夏銀川 750021）

引言

自20世紀上半葉以來，混凝土組成成分經歷了很大變革，其中一個最為顯著的是向其中添加礦物摻合料。目前，粉煤灰已經成為混凝土中最常用的摻合料。然而，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土碳化現象加劇并可能使得大量使用礦物摻合料優勢不再凸顯。因此粉煤灰混凝土的碳化問題應當引起學者們的廣泛關注。

1 粉煤灰混凝土的碳化機理

碳化機理可歸結為空氣中的CO2擴散到混凝土結構內部，然后和水泥中的堿性物質發生反應形成H2CO3，再與Ca（OH）2反應，硬化水泥漿中的CSH相也可能與CO2反應。而在混凝土中摻入粉煤灰后，首先水泥水化生成Ca（OH）2，而后與粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3產生二次反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，從而填充于毛細孔隙內，使混凝土變得更加致密。

2 影響因素

混凝土的碳化是在固相、液相和氣相中進行的一個復雜的物理和化學過程[1]。從其過程來看，C02通過混凝土的固有缺陷滲透到混凝土的孔隙中，溶解于孔隙內的水形成H2CO3后發生的碳化反應。碳化速度主要取決于CO2擴散速度和混凝土孔隙液相中的含堿量。而CO2的擴散速度受密實度、相對濕度、CO2濃度和施工質量等因素的影響[2]。這些因素大致可以分為三大方面：環境因素如水泥用量、水膠比、水泥品種、摻合料等；材料因素如溫度、濕度、壓力和CO2濃度等；施工因素如澆筑、攪拌、振搗和養護條件等[1]。本文對其總結分析，就粉煤灰混凝土抗碳化性能主要影響因素進行闡述：

（1）水膠比：水膠比對抗碳化性能具有重要影響，水膠比的大小決定了混凝土內部微觀結構與強度，而強度又影響混凝土抗碳化性能。前人的研究表明碳化深度與水膠比有直接關聯，當水泥含量恒定時，水膠比越大，結構中的孔隙率越大，導致混凝土越不密實，從而加快了碳化速度以及增大了碳化深度，即混凝土碳化深度隨水膠比增大而增加。陳金平[3]通過試驗研究表明大摻量粉煤灰混凝土抗碳化能力與其抗壓強度有密切關聯。降低水膠比、提高粉煤灰混凝土抗壓強度可以有效提高粉煤灰混凝土抗碳化能力。

（2）水泥用量：混凝土中可碳化物質的含量取決于水泥用量[4]。水泥用量既可以改變混凝土的工作性，提高其密實性，還可以增加混凝土中的堿性物質的儲量，增加其抗碳化性能。張揚[5]等人試驗結果表明：水泥用量對粉煤灰混凝土碳化深度的影響趨勢大致是先增大后減小，并且碳化時間越長，碳化深度越大，但碳化速度隨著水泥用量的增大略有減小。

（3）粉煤灰摻量：在混凝土中摻入粉煤灰具有正負兩種效應。一方面可以使混凝土堿度降低，從而使其抗碳化能力下降。另一方面粉煤灰中的活性成分和水泥水化產物Ca（OH）2發生二次反應，使混凝土的孔隙率降低，從而混凝土將變得更加密實，有利于粉煤灰混凝土抗碳化能力[6]。陳金平[3]的試驗結果表明：在早期，隨著粉煤灰摻量增加，與基準混凝土相比，粉煤灰混凝土的孔隙率及透氣率都明顯增大，使空氣中CO2的擴散速度加快，從而齡期的碳化深度增大。

（4）養護條件：養護條件對水泥水化程度有著重要的影響，前人就養護條件對混凝土抗碳化性能的影響進行了大量的研究。混凝土早期在高濕度養護條件下有利于形成更致密的微觀結構，有效地提高其抗碳化性能[7]。此外，養護齡期越長，抗碳化性能越好。Sisomphon[8]研究得出縮短養護齡期將加速粉煤灰混凝土抗碳化性能劣化，粉煤灰摻量50%的混凝土經養護7d與3d的碳化深度與28d養護齡期的混凝土相比分別增長59%與94%。

3 結論與展望

由于試驗采用的混凝土材料本身以及環境因素的差異性，國內外不同學者提出的規律及趨勢也存在著很大差異，但大體相同。當下，隨著粉煤灰混凝土應用領域的擴大，特別是粉煤灰混凝土所具有的的很多優異性能不能因抗碳化性能的不足而不能在一些工程實際中發揮作用[9]。此外，對劣化因素的考慮，應由單一因素影響向多重因素藕合影響轉變，使試驗條件更加真實反映混凝土的實際工作環境。