第一章 緒論
引言
粉煤灰作為混凝土摻合料用于土木工程領(lǐng)域是目前利用的主要途徑之一。它作為人工火山灰質(zhì)材料，在混凝土中作為摻合料，不僅能大量節(jié)約水泥．還能有效改善混凝土性能、提高工程質(zhì)量和降低工程成本。不僅經(jīng)濟(jì)效益明顯，還具有其它材料無法替代的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是其使用量大，對(duì)環(huán)境無不利影響，也是解決粉煤灰對(duì)環(huán)境影響最為根本的途徑。
然而不充分了解粉煤灰的特性，同樣可能會(huì)造成不恰當(dāng)?shù)氖褂茫@樣不但不利于改善混凝土性能甚至還會(huì)降低混凝土的性能。大量的研究與應(yīng)用結(jié)果表明，在混凝土中正確使用粉煤灰，將能明顯改善混凝土的一些性能。摻粉煤灰混凝土的工作性能包括需水量、坍落度、坍落度損失、泌水及離析等。粉煤灰對(duì)混凝土工作性能的改善，主要是通過其中的玻璃微珠及細(xì)小顆粒的形態(tài)效應(yīng)及微集料效應(yīng)進(jìn)行的。這種改善作用主要表現(xiàn)在與工作性能相同的等效混凝土漿體對(duì)比上。
由于二次水化反應(yīng)中的高性能礦物粉吸收大量的Ca(OH)2晶體，使混凝土界面區(qū)的Ca(OH)2晶體減小，膠料與集料界面粘結(jié)強(qiáng)度得到改善。另外，Ca(OH)2大量被吸走，促進(jìn)了C3S和C2S的反映速度而導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)加快，后期強(qiáng)度也因高性能礦物粉不斷摻與水化繼續(xù)提高。同時(shí)，堿性儲(chǔ)備減低，液相堿度降低。
空氣中CO2氣滲透到混凝土內(nèi)，與混凝土中堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學(xué)反應(yīng)為：Ca（OH）2+CO2＝CaCO3＋H2O。水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質(zhì)對(duì)鋼筋有良好的保護(hù)作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4，稱為純化膜。碳化后使混凝土的堿度降低，當(dāng)碳化超過混凝土的保護(hù)層時(shí)，在水與空氣存在的條件下，就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋開始生銹。可見，混凝土碳化作用一般不會(huì)直接引起其性能的劣化，對(duì)于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對(duì)于鋼筋混凝土來說，碳化會(huì)使混凝土的堿度降低，同時(shí)，增加混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量，因而會(huì)使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱，出現(xiàn)鋼筋銹蝕露筋現(xiàn)象，降低了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。
第二章試驗(yàn)研究
在水灰比相同的情況下，粉煤灰混凝土的坍落度比無粉煤灰的坍落度明顯小．理論上是粉煤灰的主要礦物成分是玻璃體，這些球形玻璃體表面光滑、粒度細(xì)、質(zhì)地致密、內(nèi)比表面積小、對(duì)水的吸附力小，這些物理特性不僅使水泥漿體需水量小，而且它們往往填充水泥漿體孔隙中，使混凝土密實(shí)性增大．改善了混凝土和易性．本實(shí)驗(yàn)是采用粉煤灰是II級(jí)品，由于煤種、燃燒情況及細(xì)度不同，對(duì)漿體流動(dòng)性的影響也不同。有的粉煤灰取代部分水泥后，漿體流動(dòng)性增加；有的粉煤灰反而使?jié){體流動(dòng)性降低。
若粉煤灰為等量取代
粉煤灰取代水泥量為10％～40％時(shí)，隨著粉煤灰取代水泥量的增加，混凝土拌合物的坍落度呈上升趨勢(shì)。這主要得益于粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)，即粉煤灰是由大小不等的球狀玻璃體組成，其表面光滑致密，在混凝土拌合物中起潤(rùn)滑作用；同時(shí)，粉煤灰顆粒粒徑比水泥顆粒粒徑小，粉煤灰微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，阻止了水泥顆粒粘聚，使滯留于水泥顆粒之間的部分拌和水釋放出來…1，從而改善了混凝土拌合物的坍落度。
當(dāng)粉煤灰取代水泥量超過40％以后，坍落度降低，這是由于較大的粉煤灰比例意味著體系中細(xì)粉比例增加，細(xì)粉顆粒的比表面積大…，需水量大，導(dǎo)致混凝土拌合物粘稠性增加。但此時(shí)的坍落度仍然高于未摻粉煤灰混凝土的坍落度，這說明粉煤灰取代水泥量在10％～50％范圍內(nèi)，粉煤灰對(duì)混凝土拌合物的坍落度始終有改善作用。 摘自（粉煤灰對(duì)混凝土坍落度影響的試驗(yàn)研究，研究人員：程紅云，張偉，郭晗，袁光英，趙文）
綜述結(jié)論：
（1）不同品質(zhì)的粉煤灰，取代水泥量相同時(shí)，混凝土拌合物坍落度不同。
（2）粉煤灰取代水泥量在10％～50％范圍內(nèi)，粉煤灰對(duì)混凝土拌合物的坍落度始終有改善作用
（3）粉煤灰取代水泥量在10％～50％范圍內(nèi)，粉煤灰對(duì)混凝土拌合物的坍落度經(jīng)時(shí)損失始終有改善作用。
（4）粉煤灰超量取代時(shí)，隨著粉煤灰取代水泥量的增加，隨著取代系數(shù)的增加，混凝土拌合物的坍落度呈下降趨勢(shì)；隨著粉煤灰取代水泥量及取代系數(shù)的增加，混凝土拌合物的坍落度經(jīng)時(shí)損失呈上升趨勢(shì)。
第三章 碳化
3.1 粉煤灰混凝土碳化：
據(jù)了解大部分鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞主要是由于其內(nèi)部鋼筋銹蝕，而導(dǎo)致其鋼筋銹蝕的主要原因是因?yàn)榛炷帘Ｗo(hù)層的碳化從而導(dǎo)致了其堿度降低，使得鋼筋表面的鈍化膜破壞了，所以鋼筋逐漸被銹蝕。
3.2 碳化機(jī)理：
空氣中的二氧化碳等酸性氣體滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程成為混凝土碳化，其化學(xué)反應(yīng)為Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O 如前所述，水泥在水化過程中生成大量的氫氧化鈣，使混凝土空隙中充滿了飽和氫氧化鈣溶液，其堿性介質(zhì)對(duì)鋼筋有良好的保護(hù)作 用。碳化后使混凝土的堿度降低，當(dāng)碳化超過保護(hù)層厚度使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋開始生銹了。對(duì)于鋼筋混凝土來說，碳化會(huì)使鋼筋銹蝕，此時(shí)產(chǎn)生體積膨脹，致使混凝土保護(hù)層產(chǎn)生開裂，開裂后的混凝土更有利于二氧化碳、水、氧等有害介質(zhì)的進(jìn)入，加劇了碳化的進(jìn)行和鋼筋的銹蝕，最后導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生順著鋼筋開裂而破壞。另外，碳化作用會(huì)增加混凝土的收縮，引起混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)微細(xì)裂縫，從而降低混凝土的抗拉、抗折強(qiáng)度及抗?jié)B能力。
碳化作用對(duì)混凝土也有一些有利影響，即碳化作用產(chǎn)生的碳酸鈣填充了水泥石的孔隙，以及碳化事放出的水分有助于未水化水泥的水化，從而可提高混凝土碳化層的密實(shí)度，對(duì)提高抗壓強(qiáng)度有利。
3.3 影響碳化速度的主要因素有：
環(huán)境中的二氧化碳的濃度、水泥品種、水灰比、環(huán)境濕度，溫度等。二氧化碳濃度高（如鑄造車間），碳化速度快；水灰比小的混凝土較密實(shí)，二氧化碳和和水不易侵入，碳化速度就減慢；摻混合材料的水泥堿度較低，碳化速度隨混合材料摻量的增多而加快。
影響碳化的最主要因素是混凝土本身的密實(shí)性和堿性儲(chǔ)備的大小，即混凝土的滲透性及其Ca（OH）2堿性物質(zhì)含量的大小。可以說，若混凝土的空隙率越小、滲透性越差，密實(shí)性越高，Ca（OH）2含量越大，則混凝土的抗碳化性能越好；反之，則越差。但是，影響混凝土密實(shí)性及其堿性儲(chǔ)備的因素十分復(fù)雜。
環(huán)境介質(zhì)的相對(duì)濕度也直接影響混凝土的潤(rùn)濕狀態(tài)和抗碳化性能。在大氣非常潮濕，其相對(duì)濕度大于80％或100%的情況，混凝土毛細(xì)管處于相對(duì)的平衡含水率或飽和狀態(tài)，使其氣體滲透性大大降低，使混凝土碳化速度大大降低或者停止；在相對(duì)濕度為0-45%的條件下，混凝土處于干燥或含水率非常低的狀態(tài)，空氣中的CO2無法溶解于毛細(xì)管水或是溶解量非常有限，使之不能與堿性溶液發(fā)生反應(yīng)，因而混凝土碳化也無法進(jìn)行；試驗(yàn)證明，當(dāng)周圍介質(zhì)的相對(duì)濕度為50-70%時(shí)，混凝土碳化速度最快。所以，在我國(guó)GBJ83—85標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定混凝土快速碳化時(shí)介質(zhì)的相對(duì)濕度應(yīng)控制在70±5%。因此，試驗(yàn)前試件必需經(jīng)過干燥處理，使其含水的潤(rùn)濕狀態(tài)與環(huán)境介質(zhì)的相對(duì)濕度相適應(yīng)。
環(huán)境溫度對(duì)混凝土的碳化速度影響也是很大的，和一般的化學(xué)反應(yīng)一樣，其碳化速度與溫度幾次方程成正比。但對(duì)混凝土碳化來說，情況卻比一般化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜得多。這主要是因?yàn)镃O2和Ca（OH）2在水中的溶解度是與介質(zhì)溫度成反比的。所以說，隨著溫度的提高，碳化速度加快，主要是用CO2在空氣中擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的提高而增加來解釋。但從目前國(guó)內(nèi)外的資料看來，溫度對(duì)混凝土碳化的影響研究較少，尚給不出具體量的概念。根據(jù)蘇聯(lián)C.H.阿列克西耶夫的資料說明,當(dāng)空氣相對(duì)濕度為75%,溫度從22℃提高到40℃時(shí),碳化大大加速,若溫度再提高,則整個(gè)碳化過程將至為劇烈。溫度與壓力周期性的變化，也將加速碳化。所以與國(guó)外的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)一樣，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，混凝土快速碳化應(yīng)在20±3℃條件下進(jìn)行。
3.4 實(shí)際工程中，為減少碳化作用對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響，可采取以下措施：
1.在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層，使碳化深度在建筑物設(shè)計(jì)年限內(nèi)達(dá)不到鋼筋表面。
2.根據(jù)工程所處環(huán)境及使用條件，合理選擇水泥品種。
3.使用減水劑，改善混凝土的和易性，提高混凝土的密實(shí)度。
4.采用水灰比小，單位水泥用量較大的混凝土配合比。
5.加強(qiáng)施工質(zhì)量控制，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，保證振搗質(zhì)量，減少或避免混凝土出現(xiàn)蜂窩等質(zhì)量事故。
6.在混凝土表面涂刷保護(hù)層，防止二氧化碳侵入等。
3.5 粉煤灰混凝土耐久性改善的機(jī)理
粉煤灰是火山灰質(zhì)材料，具有三種基本效應(yīng)，這三種效應(yīng)顯著地影響粉煤灰混凝土的耐久性。
1.形貌效應(yīng)
粉煤灰的主要礦物組成是玻璃體，這些球形玻璃體表面光滑、粒度細(xì)、質(zhì)地致密、內(nèi)比表面積小、對(duì)水的吸附力小，這些物理特性不僅使水泥漿體需水量小，而且它們往往填充水泥漿體孔隙中，使混凝土密實(shí)性大大提高，由于需水量小，粉煤灰混凝土干縮性小，固抗裂性好。
2.火山灰效應(yīng)
高性能礦物粉中的活性SiO2、Al2O3與水泥水化生成的Ca（OH）2反應(yīng)，生成穩(wěn)定的水化硅酸鈣（C-S-H）及水化鋁酸鈣（C-A-H），降低Ca（OH）2的濃度，減少了大晶格的Ca（OH）2的形成，同時(shí)由于二次水化反應(yīng)中高性能礦物粉吸收大量的Ca（OH）2晶體，使混凝土界面區(qū)的Ca（OH）2晶體減少，膠料與集料界面的粘結(jié)強(qiáng)度得到改善。另外，Ca（OH）2被大量吸收，促進(jìn)了C3S和C2S的反應(yīng)速度而導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)加快，后期強(qiáng)度也因高性能礦物粉不斷參與水化而繼續(xù)提高。上述反應(yīng)幾乎都在水泥孔隙中進(jìn)行，大大降低了混凝土內(nèi)部的孔隙，改變了孔的結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土的密實(shí)性。
3．填充效應(yīng)
粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，不僅能夠填充水泥顆粒間的空隙，而且能改善膠料的顆粒級(jí)配，并增加水泥膠體的密實(shí)度。另外，粉煤灰與Ca（OH）2生成的C-S-H膠凝體填充于毛細(xì)孔內(nèi)，使毛細(xì)孔變細(xì)或變?yōu)椴贿B通的毛細(xì)孔，增加了水泥石結(jié)構(gòu)的致密程度，混凝土總孔隙率降低、孔結(jié)構(gòu)變小、有害孔減少，混凝土強(qiáng)度隨之提高。
粉煤灰的三種基本效應(yīng)，使混凝土的密實(shí)性大大提高，從而改善了混凝土的抗凍性、抗?jié)B性，減緩了混凝土的碳化作用，并提高了混凝土抗氯離子侵蝕作用，有利于保護(hù)鋼筋不銹蝕。
3.6 試驗(yàn)研究：粉煤灰摻量對(duì)碳化的影響
粉煤灰的摻量越高其抗碳化性能越差。其原因是由于粉煤灰是一種火山灰質(zhì)材料，具有一定活性，它會(huì)與水泥水化后的氫氧化鈣相結(jié)合，使混凝土的堿度降低，從而減弱了混凝土的抗碳化性能。混凝土的堿度與滲透性是影響其碳化速率的兩個(gè)本質(zhì)因素。火山灰反應(yīng)雖然消耗了混凝土中熟料水化所產(chǎn)生的氫氧化鈣、但同時(shí)又生成水化硅酸鈣，水化鋁酸鈣等反應(yīng)產(chǎn)物，它們同樣具有吸收二氧化碳的作用。因此，火山灰反應(yīng)對(duì)混凝土的堿度并無影響，而火山灰反應(yīng)卻使混凝土的孔隙率降低、孔徑細(xì)化、曲折度增加，從而顯著提高強(qiáng)度與抗?jié)B性。28d等強(qiáng)度的粉煤灰混凝土碳化速率高于基準(zhǔn)混凝土的重要原因之一，是由于取代水泥后熟料數(shù)量減小，堿度降低。隨著齡期延長(zhǎng)，火山灰反應(yīng)不斷增強(qiáng)，達(dá)到一定齡期時(shí)，抗?jié)B性的提高彌補(bǔ)了堿度的不足，摻粉煤灰混凝土的碳化速率就可能與同齡期的基準(zhǔn)混凝土相同，甚至比后者更小。這一齡期的長(zhǎng)短與水泥品種和被取代量、粉煤灰品質(zhì)與摻量、環(huán)境溫度、濕度等多種因素有關(guān)。在實(shí)際工程中，由于大氣中的二氧化碳濃度極低，碳化進(jìn)程十分緩慢，摻粉煤灰混凝土的抗碳化能力有可能隨著火山灰反應(yīng)程度的不斷提高，而得到較好的改善。
摻入少量的粉煤灰取代水泥，對(duì)混凝土的碳化影響不是很明顯，但隨著摻量的增大混凝土抗碳化性能減小，碳化程度明顯。混凝土摻用粉煤灰，對(duì)節(jié)約水泥、改善混凝土的某些性能有很大作用。但由于粉煤灰是一種火山灰質(zhì)材料，具有一定活性，它會(huì)與水泥水化后的氫氧化鈣相結(jié)合，使混凝土的堿度降低，從而減弱了混凝土的抗碳化性能。根據(jù)研究表明當(dāng)摻量小于40%左右時(shí)其混凝土的抗碳化性能較好。