粉煤灰混凝土加速溶蝕規律及粉煤灰最優摻量分析

張 朋

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

粉煤灰既能降低混凝土水化反應釋放的熱量，還能改進完善混凝土抗寒環境侵損能力，因此是人們最認可、最常用的一種礦物摻和料。現有研究已明確證實，粉煤灰在混凝土中只有達到某一臨界值才能將其物理、化學作用效應發揮到極致，不過該臨界值很容易發生變化，只要水膠比、基礎材料等配比參數發生改變，臨界值就會隨之發生變化。本文基于科學合理的電化學加速溶蝕參數，對粉煤灰含量和混凝土基材料溶蝕機能之間的關系展開研究，并提出了優化水工混凝土配比的方法。

1 試件成型與維護保養

配比成型的混凝土，膠凝材料總量水膠比為0.5的小組混凝土加摻10%～50%粉煤灰，水膠比為0.6的小組混凝土則加摻10%～40%粉煤灰。根據實驗結果對粉煤灰含量與混凝土加速溶蝕機能之間的關系進行研究。水工混凝土復合料主要成分基本配比見表1。各配合比混凝土成型2個試件，采用電化學加速溶蝕機能的視角進行研究，各參數實驗結果取均值。

表1 水工混凝土復合料主要成分基本配比

選用C6F10及C5F20配比成型混凝土，用4.75mm方孔篩對新拌混凝土漿體進行處理，將篩余砂漿集中裝入試模中，用力搗振成型。各配比分別制備兩組規格為φ100×50mm及φ42.6×50mm的篩余砂漿試件(編號分別是LRM及SRM)，篩余砂漿試件與混凝土試件的具體情況見表2。

表2 篩余砂漿試件編號

24h脫模后轉移到標準維護保養室進行不少于28天的維護，維護保養結束后利用專業設備對試件進行真空飽水處理。為證實粗骨料及砂漿試件規格對混凝土基材料溶蝕機能的影響，在本實驗中專門設定了同樣的約束條件。需注意SRM5F20及SRM6F10試件的加速溶蝕裝置內放一個內徑不超過42.6mm的有機玻璃嵌套，以方便試件安裝。本研究選擇應用有機硅膠柔性填充料，它是典型的防水密封材料，抗腐蝕，而且不會給溶蝕介質及溶蝕效果帶來負面影響。

對真空飽水后每個試件的電阻率進行檢測，再將試件接入對應的電化學加速溶蝕裝置，開始電化學加速溶蝕實驗，確定出不同溶蝕周期各試件的溶蝕參數。根據同規格篩余砂漿及混凝土溶蝕參數差值，可揭示出粗骨料與混凝土基材料抗溶蝕機能之間的關系，在此基礎上，對不同直徑篩余砂漿試件有關溶蝕參數進行分析，以進一步探討試件規格與混凝土基材料溶蝕行為的內在關系。

2 溶蝕深度測定方法

一般條件下，溶蝕深度主要反映了混凝土基材料中氫氧化鈣溶解面出現遷移的部位。長時間受軟水侵損，氫氧化鈣就會很快被分解，因此，可將溶蝕深度作為兩種試件電化學加速溶蝕的損壞程度評判指標。目前，主要通過光學顯微鏡法和酚酞溶液噴涂法兩種方法求解溶蝕深度，本文選用酚酞溶液噴涂法。在測試過程中，首先獲取混凝土基材料沿溶蝕方向的截面，然后再用1%酚酞酒精溶液規律地噴灑在截面上，以密切關注變色情況。

具體操作方法如下：將一根光圓鋼筋分別置于試件成型面下底面中心部位，由于壓面鋪設了一些砂子，壓力機就會受到鋼筋壓力，不可不免地會出現橫向滑動；加固鋼筋與溶蝕試件的部位，在逐漸施加載荷的情況下，試件會被劈成兩個截面。按照碳化實驗方法，將濃度1%的酚酞酒精溶液均勻噴灑于劈斷裂面，溶蝕區變色不顯著，呈淺灰色，未溶蝕區則為紫紅色，此時只需確定出混凝土表面與呈色界限的平均距離，就意味著獲得了溶蝕深度。各試件截面選擇8個測試部位，用直尺測定溶灰色部分寬度，測定結果的均值為該試件的溶蝕深度。篩余砂漿試件溶蝕深度測定方法與混凝土相同。

3 粉煤灰混凝土的溶蝕加速規律分析

3.1 粉煤灰加摻對混凝土電阻率的影響分析

粉煤灰混凝土電化學阻抗譜見圖1。由圖1可知，在粉煤灰含量増加的情況下，混凝土點電阻向右轉移，由此可見，混凝土的導電機能較差，通過電阻率數據分析可知，在水膠比同劑量的條件下，粉煤灰含量越大，混凝土試件的電阻率值就越大，表明摻進適量粉煤灰可優化混凝土的孔構造，提高混凝土電阻，降低導電性，因此能合理控制鈣離子的遷移速率，從而使混凝土的抗溶蝕機能得到大幅改善。摻進一定量的粉煤灰，可使混凝土基體電阻率增大，主要有以下兩個原因：?粉煤灰的火山灰效應消耗氫氧化鈣，可使混凝土中Ca2+量減少，也就弱化了導電離子構成量，但是卻能使攪拌物的工作性及流動性得到明顯優化，無論是下調黏稠度還是下調水灰比用量，都會出現電阻率增大的現象；?粉煤灰-混凝土混合體系中的通道比標準混凝土彎曲。混凝土被鈣溶蝕后，電阻值向左轉移，表明混凝土電阻率降低，原因是受黏滯阻力影響鈣離子會慢慢移至陰極室溶液中，同時隨著水化反應產物的分解出現孔隙，混凝土構造不夠密實，導電能力增強。

3.2 粉煤灰加摻對混凝土抗壓強度的影響分析

普通水工混凝土在施工時應擁有較好的工作機能，嚴寒地區選用的水工混凝土還要具有抵御凍融循環的能力，本文將坍落度和含氣量作為攪拌性能評估指標。實驗數據表明，C5F0和C6F0的坍落度存在一定落差，是因為當粉煤灰含量增多時，混凝土坍落的危險增大。粉煤灰含量每加增10%，坍落度就會自動下調10mm，細小顆粒在混凝土中發揮了穩定的潤滑作用，從而能提高混凝土的流動性；0.6水膠比的新拌混凝土的坍落度更大一些，另外也能看到水膠比加大時，混凝土含氣量會出現小幅下降，各實驗組混凝土的含氣量在4%～5%之間波動，變化幅度小，基本不會影響粉煤灰含量。

基于齡期差異的混凝土試件抗壓強度見圖2。由數據結果分析得知，前期水化反應速度較快，在齡期不斷增大時，強度進展速度必然隨之下降，趨向于穩定狀態。水膠比越大，混凝土的抗壓強度越小。隨著維護保養齡期的增加，水膠對混凝土力學機能產生的影響愈發顯著。在水膠比不發生改變的情況下，只要粉煤灰含量加增，混凝土抗壓強度必然會弱化，粉煤灰含量大于20%會直接影響抗壓強度值，即抗壓強度會持續走低。

3.3 混凝土抗溶蝕的粉煤灰最優含量確定分析

在透滲溶蝕過程中，粉煤灰存在一個最優含量，當鈣硅摩爾比趨近1時，氧化鈣或二氧化硅的溶出量非常低。所謂鈣硅摩爾比，就是氧化鈣與二氧化硅的物質量之比，主要與膠凝材料型號和化學成分相關。因此可以借助硅鈣摩爾比方程式，針對水膠比為0.6的水工混凝土優化粉煤灰摻量給予推導計算。

圖2 基于齡期差異的混凝土試件抗壓強度

在本文研究中，將混凝土、粉煤灰和膠凝材料分別定義為mC、mFA及mB，膠凝材料總量為粉煤灰和混凝土用量之和，也就是mB=mC+mFA。按照膠凝材料總量中粉煤灰質量所占百分比計算粉煤灰優化摻量。則水膠比 0.6和摩爾比等于 1 的CaO/SiO2公式為

(1)

其中，粉煤灰含量α=mFA/mB，mC=mB-mFA，代入上式可以獲得

(2)

通過式(2)可以發現，最優粉煤灰含量α只與混凝土、氧化鈣和二氧化硅存在關聯，而無須考慮水膠比和膠凝材料用量。經計算得知，鈣硅摩爾比=1條件獲得實現時，粉煤灰含量α=40%，即混凝土最優粉煤灰含量應占40%。

4 結 語

本文通過粉煤灰混凝土加速溶蝕規律及粉煤灰最優含量分析，所得主要收獲和結論如下：?在水膠比相同的條件下，粉煤灰含量越大，混凝土試件的電阻率越大，表明摻進適量粉煤灰能合理控制鈣離子的遷移速率，從而使混凝土的抗溶蝕機能得到大幅改善；?在水膠比不發生改變的情況下，只要粉煤灰含量增加，混凝土抗壓強度必然會弱化，粉煤灰含量大于20%會直接影響抗壓強度值，即抗壓強度會持續走低；?混凝土抗溶蝕的粉煤灰最優含量為40%。