自從德國和日本分別成功研制出了高效減水劑后，各種礦物摻合料和高效添加劑的使用就彌補了水泥凝膠體在微觀尺度的很多缺陷。目前，礦物摻合料也幾乎成了混凝土必不可少的功能性組分材料。粉煤灰作為活性礦物摻合料的代表，受到國內外研究學者的青睞，對其摻加到混凝土的耐久性做了大量試驗研究。雖然由于試驗材料、方法等的不同，試驗結論雖然有所差異，但在粉煤灰的摻量對于混凝土耐久性的影響方面卻得出了一致的結論。因此文章將從抗氯離子滲透性、抗碳化性能和抗凍性三個方面來綜述粉煤灰摻量對混凝土耐久性的影響。

    1 粉煤灰對混凝土的貢獻

    煤灰可以與水泥水化產物Ca（OH）2反應形成與C-S-H凝膠具有相似組成和力學性能的產物，而且可以降低毛細孔體積和孔徑，提高混凝土強度。并且在澆注大體積混凝土時，用粉煤灰部分代替水泥，可以降低混凝土的水化熱，減少溫度裂縫的產生。粉煤灰對混凝土的貢獻主要表現在三大效應，即火山灰效應、微集料效應和形態效應。①火山灰效應指的是粉煤灰中的活性SiO2與水泥的水化產物Ca（OH）2進行二次水化反應，生成難溶的水化硅酸鹽C-S-H凝膠沉積在骨料與水泥石界面的孔隙內，水化硅酸鹽C-S-H凝膠呈纖維狀，具有很大的剛性和比表面積，凝膠粒子間存在著范德華力和化學鍵力，提高了混凝土的粘結強度和結構穩定性；②形態效應是指粉煤灰顆粒呈大小不等的球狀玻璃體，表面致密光滑，在表面負電性的作用下，可以有效地分散水泥顆粒，使漿體充分包裹骨料顆粒，在塌落度和和易性不變的情況下降低用水量，起到減水作用；③微細集料效應是指按照Aim和Goff模型理論，當把揍有超細礦物摻合料的水泥基材料系統看作多元系統，則在該系統中存在著一個最緊密堆積，其值取決于超細礦物接合料顆粒與水泥顆粒的直徑比，該比值越小，最緊密堆積值越大。粉煤灰顆粒的平均粒徑比水泥顆粒小約一個數量級，粉煤灰細微顆粒均勻分散到水泥漿體中，填充水泥水化后的孔隙或與水泥水化產物反應，改善了混凝土的孔結構，使混凝土更加密實。

    2 粉煤灰摻量對混凝土耐久性的影響

    2.1 對抗滲性能的影響

    粉煤灰的加入會增加混凝土硬化前期的孔隙率，降低前期混凝土的抗滲性能。但隨著水泥水化產物Ca（OH）2的增多，粉煤灰的活性被激發，與Ca（OH）2發生二次水化反應生成水化硅酸鹽凝膠，填充細化反應前期產生的孔隙。在這期間，微集料效應也發揮作用，混凝土的孔隙率降低，大孔孔徑減小，密實度增大。但粉煤灰摻量過大也會因為未水化顆粒過多沉積在膠凝材料與骨料的界面處，影響混凝土的黏聚性，降低混凝土的密實度。混凝土的密實度不僅影響到抗氯離子滲透性，還關系到混凝土的抗碳化、抗凍和耐腐蝕性能。因此混凝土的抗滲性能是衡量混凝土耐久性的重要指標。

    謝友均等人在C40高性能混凝土中摻入0，10%，20%，30%，40%的粉煤灰的混凝土進行試驗研究。結果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的電通量降低。在粉煤灰摻量20%左右時，電通量值降低幅度減小，曲線趨于平緩（見圖1），當強度變化時這個摻量范圍不發生變化。

    王稷良等人在C60高強混凝土中用粉煤灰取代水泥，試驗結果表明：隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的氯離子滲透系數逐漸減小，粉煤灰摻量由25%到36%時，氯離子滲透系數減小幅度會變的十分微小。

    湯文秀以再生混凝土材料為實驗對象，摻入不同摻量的粉煤灰后，測定混凝土的孔隙率指標、自由氯離子指標、導電量和氯離子擴散系數，得出結論：粉煤灰可以明顯提高再生混凝土的抗氯離子滲透性能。隨著粉煤灰摻量的增加，再生混凝土的孔隙率、導電量和氯離子擴散系數均逐漸降低。在粉煤灰摻量20%時，再生混凝土的大孔占總孔隙的比率最低，自由氯離子指標最佳。

    Faiz等人的試驗研究得出的最佳摻量范圍又有所增加，粉煤灰摻量在32%時表現出比其他摻量更好地抗滲、耐腐蝕性。并且硬化后期孔隙總體積也較小，而若采用超細粉煤灰則在摻量8%時耐久性最佳。

    但趙年全的試驗結果與以上結論并不相同，最佳摻量范圍有所升高，而且粉煤灰的摻加降低了電通量值。趙年全在C60高性能混凝土中分別摻入0，10%，20%，30%，40%，50%，60%的粉煤灰，進行試驗，電通量法測混凝土的抗氯離子滲透性。結果顯示：摻加粉煤灰的混凝土電通量值明顯降低，且在30%～40%有一個低谷。在此摻量間，混凝土的抗氯離子滲透性有最佳值（見圖2）。這可能是所采用的粉煤灰質量和測試齡期的不同造成的。

    張嘉新等人在混凝土中分別摻入0，10%，20%，30%的粉煤灰，通過測定不同齡期混凝土的總孔隙率、最可幾孔徑、比孔容積和RCM法測抗滲性。得出結論：28d齡期以前，混凝土的抗滲性隨著粉煤灰摻量的增加而降低，隨著齡期的延長，盡管總孔隙率未有明顯降低，但孔徑明顯細化，有害孔數量明顯減少；90d齡期時，摻20%粉煤灰的混凝土抗滲性最好，并且隨著齡期的增長，混凝土的抗滲性有隨粉煤灰摻量的增加而提高的趨勢（見圖3）。

    2.2 對抗碳化性能的影響

    粉煤灰對混凝土抗碳化性能的改善作用主要體現在兩個方面：①粉煤灰中的活性成分與氫氧化鈣二次反應產生的C-S-H類凝膠阻斷或減小了毛細孔徑，使混凝土微觀結構致密，CO2分子難以侵入；② C-S-H類凝膠可以吸附部分CO2，阻止其繼續侵入。但是粉煤灰中的活性成分與Ca（OH）2反應，使混凝土孔溶液的PH值由原來的13降低到9左右。實際上，在CO2和水的作用下，當PH值降低到11左右時，鋼筋表面的鈍化膜就會破壞。粉煤灰對混凝土抗碳化性能的影響就是在這正負兩個方面的作用下形成的。

    Sulapha 等人對礦物摻合料混凝土進行了實驗研究，發現摻加粉煤灰的混凝土比起未摻礦物摻合料的混凝土碳化更深。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。彭波等人的研究表明：粉煤灰的摻入會加速混凝土的碳化，并且摻量越大，速度越快。劉斌與Michael對碳化速度描述的更為細致。劉斌在不同水灰比的普通強度混凝土中分別摻入0，20%，40%，60%的粉煤灰進行抗碳化實驗。研究表明：隨著水灰比的增大，混凝土抗碳化能力下降，在不同的水灰比下，混凝土的抗碳化性能均隨著粉煤灰摻量的增加而降低。當摻量為20%和40%時，碳化深度隨時間的增長變得緩慢（見圖4）；Michael試驗研究認為粉煤灰摻量在15%～30%時其抗碳化性能與不摻粉煤灰的混凝土相近，但摻量為50%以上時其抗碳化性能急劇下降。這兩者在摻量范圍上的差異可能與水灰比和所選用的粉煤灰質量不同有關。高英力等人通過測定28d和56d齡期混凝土的碳化深度和內部孔溶液的PH值研究表明，Ⅱ級粉煤灰的摻入可以顯著降低輕骨料混凝土的抗碳化性能，而超細粉煤灰對輕骨料混凝土堿度的影響不大， 但當粉煤灰摻量大于20% 時，混凝土內部孔溶液堿度會隨著粉煤灰摻量的增加逐漸降低，混凝土的抗碳化能力也減弱。于光林考慮對鋼筋的影響，他通過試驗研究認為粉煤灰與混凝土中Ca（OH）2發生反應，降低了混凝土中的堿性，對鋼筋銹蝕不利，特別是摻量超過30%時對鋼筋混凝土中的鋼筋明顯不利。

    2.3 對抗凍性能的影響

    混凝土的凍融破壞與本身的強度和孔結構有關，受溫濕度環境的影響。當水泥水化產生Ca（OH）2后，粉煤灰與其進行二次水化反應，產生的水化硅酸鈣凝膠使混凝土內部結構更加致密，有害孔的數量減少。但混凝土硬化前期，二次水化反應進行較慢，粉煤灰混凝土的抗凍性能較差。粉煤灰摻量越多，水化反應越慢，越不利于消除有害孔，混凝土的抗凍性能越差；粉煤灰摻量過少又不足以降低水化熱，減少溫縮裂縫，起到改善混凝土微觀結構的作用。因此合適的粉煤灰摻量對混凝土的抗凍性能有重要的影響。

    劉數華等人在普通強度的混凝土中分別摻加0，15%，30%，45%的粉煤灰，進行了實驗。實驗結果表明：90d齡期內，混凝土的強度隨粉煤灰摻量的變化值不太大，當粉煤灰摻量為30%時，混凝土的抗壓強度和抗折強度都最大；經過300次凍融循環后混凝土的強度和重量損失均隨著粉煤灰摻量的增加而減小，粉煤灰摻量從0提高到15%時，混凝土的300次凍融后強度和重量損失急劇降低，當摻量繼續增大時，強度和質量損失基本不變。即粉煤灰摻量15%時對抗凍性的提高達到最佳。當采用不同等級的粉煤灰時，也會出現類似的性質。任建章等人在混凝土中分別摻入0，15%，25%，35%的Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰，在試件連續凍融100次后，摻加Ⅰ級粉煤灰的混凝土抗凍性比未摻加粉煤灰的試件好，且有一個最佳摻量15%。在此之后隨摻量的增加，抗凍性下降。而摻加Ⅱ級灰的混凝土抗凍性比未摻加粉煤灰的試件要差，但在15%以后相對動彈模量加速下降（見圖5、圖6）。在高強混凝土中，最佳摻量又有所變化。王稷良等人在高強混凝土中分別摻入0，14%，25%，36%的粉煤灰進行試驗。研究表明：摻加粉煤灰的混凝土與基準混凝土的抗凍性均很好，當粉煤灰摻量摻量為14% 和25%時，相對動彈性模量下降幅度不明顯，在粉煤灰摻量達到36%時，相對動彈性模量下降幅度較大。這主要是因為高強混凝土本身強度較高，結構致密所致，因而也具有較好的抗凍性。大體積混凝土對強度要求不高，往往通過摻入大量粉煤灰來減少水化熱，這對混凝土的抗凍性非常不利。王述銀等人試驗研究表明，在摻量一定時，粉煤灰的摻加可以提高混凝土的抗凍性。但摻量超過40%時，在達到破壞指標之前，混凝土表面就出現較嚴重的剝蝕，質量損失率已超過5%。

    3 結論

    粉煤灰對混凝土耐久性的影響隨粉煤灰的質量，混凝土的水灰比、齡期，復摻礦物摻合料的種類，添加劑的摻量和其他材料的用量等的變化而有所不同。這些研究結論或者針對某一類混凝土，或者針對耐久性的某一指標，但粉煤灰對于混凝土的影響規律不應止于此。粉煤灰的摻入對混凝土強度和耐久性并不是完全有利的。粉煤灰對混凝土的早期強度不利，各項耐久性指標也較差，但對硬化后期混凝土的耐久性有明顯改善。隨著粉煤灰摻量的變化，混凝土各項耐久性指標也表現出一定的規律性。在齡期一定時，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗氯離子滲透性逐漸降低，在摻量20%～30%，會取得一個最佳值；隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗碳化性能降低，摻量在20%～35%時，碳化速率會較其他摻量的速率減慢；優質的粉煤灰可以提高混凝土的抗凍性能，且摻量在15%～25%時，混凝土的相對凍融破壞較小，摻量過大對混凝土的抗凍性不利。雖然這些摻量數據會隨著所選用粉煤灰的質量、細度的不同而有所差別，也會因為混凝土的強度、水灰比、添加劑種類的不同有所改變，但是不能否認25%左右的一個摻量范圍內無論是在普通混凝土、高強混凝土、輕骨料混凝土還是再生混凝土中都表現出較其它摻量優異的性質，出現最佳值或分界點。因此粉煤灰對混凝土耐久性影響最佳摻量是一個值得研究的課題。（張明，李敏）

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責任編輯：劉洋

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