粉煤灰混凝土的耐久性及其評價

　　國內(nèi)外應(yīng)用粉煤灰混凝土已有幾十年的歷史，隨著粉煤灰混凝土的廣泛應(yīng)用，人們對粉煤灰混凝土的耐久性越來越重視，對粉煤灰混凝土耐久性的評價也顯得越來越重要。本文就粉煤灰混凝土耐久性的幾個主要指標如：抗碳化能力、抗凍性、鋼筋銹蝕、抗?jié)B性等方面進行評價和必要的討論。

　　混凝土碳化作用是指碳酸氣或含碳酸氣的水與混凝土中的氫氧化鈣作用生成碳酸鈣的反應(yīng)， 準確地說，應(yīng)是“碳酸氣作用”。一般按碳化程度，混凝土可劃分為三個區(qū)，靠外部的完全碳化區(qū)；內(nèi)部的未碳化區(qū)；中間的碳化反應(yīng)區(qū)。各區(qū)中CO₂濃度、Ca(OH)₂含量、pH值明 顯不同。完全碳化區(qū)基本上就是酚酞酒精溶液的不變色區(qū)，一般取pH值為10.5～11作為界限，碳化深度通常指該區(qū)的深度，根據(jù)費克(Fick)第一定律，可建立最簡單的碳化深度與碳化時間的冪函數(shù)公式：

　　X=at^1/2

式中　X——碳化深度；

　　　a——碳化系數(shù)，取決于環(huán)境中的CO₂濃度及其在混凝土中的有效擴散；

　　　t——碳化時間。

　　現(xiàn)在，許多國家的學(xué)者在此公式的基礎(chǔ)上發(fā)展了不少更為全面的碳化深度公式，其中比較簡單實用的公式要數(shù)德國混凝土碳化公式：即

　　d_K=a+V_Kt^1/2 

　　以及國內(nèi)常采用的簡化公式：

　　X=a·t^b

式中　X——碳化系數(shù)；

　　　a,b——碳化條件系數(shù)。

　　西安冶金建筑學(xué)院張令茂提出上述公式中：a=2．37～9．54，b=0．3～0．6。

　　如果要根據(jù)實測的碳化深度來推算若干年后的碳化深度，則可用如下公式：

　　X=X₁*(t/t₁)^1/2

式中　X——推算若干年后混凝土的碳化深度；

　　　X₁——混凝土工程中實測的碳化深度；

　　　t——推算的年數(shù)；

　　　t₁——實測碳化深度時，混凝土工程使用年數(shù)。

　　至于對粉煤灰混凝土抗碳化能力的評價，是通過與基準混凝土的抗碳化能力進行對比表現(xiàn)出來的，即所謂“粉煤灰混凝土抗碳化效率系數(shù)K_X”是：

　　K_X=X′/X

式中　X′——粉煤灰混凝土的碳化深度；

　　　X——基準混凝土的碳化深度。

　　K_X值可大于1，也可降到1以下。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)粉煤灰混凝土的碳化深度大于基準混凝土的往往是在以下幾種情況下發(fā)生的：使用質(zhì)量較低的粉煤灰；粉煤灰摻量過大，尤其是礦渣水泥再摻大量的粉煤灰，粉煤灰等量取代部分水泥，或直接用粉煤灰水泥取代普通水泥；粉煤灰混凝土標號較低，一般都在C30以下，水灰比較大，在0.6以上。但如果水 泥用量不減少，再外摻粉煤灰取代部分砂子，這樣的粉煤灰混凝土抗碳化能力就可以增加；同時摻用粉煤灰和減水劑，即采用“雙摻”的技術(shù)措施，還可以更好地發(fā)揮粉煤灰的效應(yīng)， 保證提高粉煤灰的抗碳化能力，使_X值降到1以下。

　　國外常用快速凍融試驗測定混凝土的抗凍性，以“耐久性系數(shù)(簡稱DF)”作為其抗凍性指標 ，并用共振頻率法測定凍融后混凝土試件的劣化程度。根據(jù)ASTM C 666的規(guī)定，最大的凍融循環(huán)次數(shù)為300，DF可按下式計算：

　　DF=PN／M

式中　P——在N次凍融循環(huán)時的相對動彈性模量(即與原來的動彈性模量對比)；

　　　N——P降至60%的凍融循環(huán)數(shù)，如P降不到60%，則凍融循環(huán)數(shù)N取300；

　　　M——最終凍融循環(huán)數(shù)，即300。

　　耐久性系數(shù)DF可反應(yīng)肉眼無法鑒別的混凝土凍融劣化程度。我國也是采用300次凍融試驗測定粉煤灰混凝土的抗凍性，根據(jù)實驗結(jié)果，可得出如下結(jié)論：(1)混凝土的抗凍能力隨粉煤灰摻量的增加而降低；(2)混凝土的引氣量和強度是影響普通混凝土和粉煤灰混凝土抗凍性的決定性因素。滿足抗凍性要求的引氣量取決于相應(yīng)的混凝土強度等級?；炷翉姸仍礁?，滿足抗凍性所必需的引氣量越低。(3)對于引氣量小于3．5%的粉煤灰混凝土和普通混凝土，其水灰比對于抗凍性有著顯著的影響，水灰比越小，抗凍性越好?？墒?，如果混凝土中已具有足夠的引氣量，則其水灰比對于混凝土的抗凍性的影響不大。

　　至于對粉煤灰混凝土抗凍性的評價，國內(nèi)外采用相對耐久性系數(shù)(簡稱RDF)為評價指數(shù)。RDF的計算公式為：

　　RDF=DF′／DF

　　DF——基準混凝土的耐久性系數(shù)；

　　DF′——粉煤灰混凝土的耐久性系數(shù)。

　　如果試驗室的條件較差，無法測定混凝土的耐久性系數(shù)，則也可采比較簡單的一定的凍融循環(huán)后比值，也可叫作“粉煤灰抗凍效率系數(shù)K_M”來評價：

　　K_M=S_M′/S_M

式中　S_M′——一定的凍融循環(huán)后粉煤灰混凝土的強度損失(%)；

　　　S_M——相同凍融循環(huán)后基準混凝土的強度損失(%)。

　　鋼筋銹蝕部分的體積膨脹2～3倍，能使混凝土脹裂或剝落。近幾年來世界各地頻繁發(fā)生的鋼筋混凝土耐久性質(zhì)量事故，多半是鋼筋銹蝕造成的。一般來說，鋼筋銹蝕可分為四類：①碳化作用，使鋼筋鈍化膜失去了存在的條件；②電化學(xué)侵蝕，使混凝土喪失護筋性；③氯化物等的侵蝕，氯離子、硫酸根離子及硫離子等都是能破壞鋼筋鈍化膜的有害成分，其中，以氯離子的破壞最為劇烈。如臺灣省澎湖列島的預(yù)應(yīng)力混凝土大橋的混凝土嚴重劣化，主要是氯離子侵蝕；④應(yīng)力腐蝕斷裂，一般的應(yīng)力腐蝕斷裂是指在拉應(yīng)力和侵蝕介質(zhì)共同作用下，陽極反應(yīng)的脆性斷裂，另一種形式是由于陰極反應(yīng)，氫離子的還原反應(yīng)，發(fā)生高應(yīng)力的脆性斷裂。

　　鋼筋銹蝕開始于擴展階段。只要混凝土保護層上無裂縫，那么鋼筋銹蝕過程就是：混凝土完全碳化以后，鋼筋失去鈍化膜的保護，隨著水分和氧的入侵，鋼筋表面逐漸銹蝕。如果保護層混凝土上出現(xiàn)裂縫，那么即使保護層混凝土尚未完全碳化，鋼筋也會銹蝕，同時裂縫的出現(xiàn)也會加速碳化，微裂縫處要比較寬的裂縫處的混凝土碳化慢些，但是氧在混凝土裂縫的擴散幾乎與裂縫的寬度無關(guān)，而氧是碳化的必備條件之一。因此粉煤灰改善混凝土的體積變化的性能，使混凝土避免出現(xiàn)裂縫和微裂縫，其意義與增強抗碳化能力，對護筋性同樣重要。

　　粉煤灰混凝土的鋼筋銹蝕如同碳化一樣，可建立鋼筋銹蝕面積和時間的如下關(guān)系：

　　　　　A=a×t^1/2+b

式中　A——鋼筋銹蝕面積；

　　　t——侵蝕時間；

　　　a,b——常數(shù)。

　　很多國家和地區(qū)由于天然集料資源貧乏或受到開采條件的限制，只能就地取材采用含活性氧化硅成分較高的石料，如果又使用堿總含量大于0.6%的水泥，則活性集料與水泥中的堿物質(zhì)反應(yīng)時將發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致混凝土脹裂，這種現(xiàn)象叫堿—集料反應(yīng)。發(fā)生堿—集料反應(yīng)的混凝土裂縫中一般都充滿白色膠體，表面裂縫中常有凝膠體流出，干燥時膠體變成白色沉淀，骨料顆粒周圍出現(xiàn)反應(yīng)環(huán)。典型的堿—集料反應(yīng)有加拿大博赫爾洛依斯水電站，該站位于魁北克省，靠近圣路易湖。早在1940年就發(fā)現(xiàn)該站南部壩體因出現(xiàn)開裂縫而滲漏，其后在進水系統(tǒng)和辦公大樓均發(fā)現(xiàn)開裂和變形。該電站所用集料為波次坦組砂巖(Potsdam Sandstone)，石英含量為95%。石英顆粒被硅質(zhì)物質(zhì)所膠結(jié)，膠結(jié)物為玉髓質(zhì)SiO₂，巖石中還含有少量方解石長石白云石云母黃鐵礦鋯英石和隧石；水泥堿含量估計為1%。根據(jù)Durand的資料表明，在魁北克水利局屬480個大壩中有30%受堿—集料破壞，6%無問題，另外64%未詳細調(diào)查。

　　英國建筑研究院的系統(tǒng)試驗結(jié)果認為：任何波特蘭水泥中摻加不少于30%的粉煤灰，都足以減少堿—集料反應(yīng)的危險性。但美國學(xué)者研究都認為，一些高鈣粉煤灰中含有大量的硫酸鹽堿類，摻用這類粉煤灰就象使用高堿波特蘭水泥一樣，反而會促進堿—集料反應(yīng)。

　　至于粉煤灰抑制堿—集料反應(yīng)的評價，國外大都參照美國ASTM　C441標準關(guān)于防止由于堿—集料反應(yīng)引起較大的膨脹而規(guī)定的試驗方法。試驗時，規(guī)定在高堿水泥中摻加25%粉煤灰，并用標準砂作集料制作砂漿試驗，養(yǎng)護后再按ASTM　C227規(guī)定的方法測定膨脹率，并與不摻粉煤灰的水泥如法制作的試件進行對比。試驗的結(jié)果，可用粉煤灰抑制堿—集料反應(yīng)的效率系數(shù)K_AAR來表示，即K_AAR=e′/e

式中　e′—粉煤灰混合砂漿試件的膨脹率；

　　　e—基準高堿水泥砂漿試件的膨脹率。

　　粉煤灰混凝土的耐久性問題是一個綜合性問題，其中抗凍性和抗碳化能力是粉煤灰混凝土關(guān)于耐久性兩個重要的方面，本文通過一系列的理論公式論述了影響粉煤灰混凝土耐久性的幾個因素，如粉煤灰摻量；引氣量；強度；裂紋等等，同時，將粉煤灰混凝土與基準混凝土對比，對粉煤灰混凝土的耐久性作出了評價。

［1］《混凝土與水泥制品》，1999No4，張德思　成秀珍編寫“粉煤灰混凝土的抗凍融耐久性”，第8-10頁.

［2］ASTM C666-84，Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing,1984 Annual
　　 Book of ASTM Standards,(04.02);403-410.

［3］沈旦申編《粉煤灰混凝土》，中國鐵道出版社，1989.第212-233頁.

［作者簡介］　夏燕(1966-)，女，講師，無機非金屬材料專業(yè)。

［單位地址］　武漢蔡家田江漢大學(xué)城建環(huán)保系(430019)

Xia Yan，　Jiang Bo

(Department of Urban Construction and Environmental Protection,Jianghan University,Wuhan 430019,China)

　〔Abstract〕This paper andlyses and evaluates several technical target of fly ash concrete durability.As a result,the decisive factors to affect concrete durability as well as its effective degree are presented.

　〔Key words〕Durability of concrete;　Freezing and thawing ability;　Air entraining content;　depth of carbonization

 

本文摘自：中國混凝土咨詢網(wǎng)