粉煤灰混凝土的耐久性及其评价

　　国内外应用粉煤灰混凝土已有几十年的历史，随着粉煤灰混凝土的广泛应用，人们对粉煤灰混凝土的耐久性越来越重视，对粉煤灰混凝土耐久性的评价也显得越来越重要。本文就粉煤灰混凝土耐久性的几个主要指标如：抗碳化能力、抗冻性、钢筋锈蚀、抗渗性等方面进行评价和必要的讨论。

　　混凝土碳化作用是指碳酸气或含碳酸气的水与混凝土中的氢氧化钙作用生成碳酸钙的反应， 准确地说，应是“碳酸气作用”。一般按碳化程度，混凝土可划分为三个区，靠外部的完全碳化区；内部的未碳化区；中间的碳化反应区。各区中CO₂浓度、Ca(OH)₂含量、pH值明 显不同。完全碳化区基本上就是酚酞酒精溶液的不变色区，一般取pH值为10.5～11作为界限，碳化深度通常指该区的深度，根据费克(Fick)第一定律，可建立最简单的碳化深度与碳化时间的幂函数公式：

　　X=at^1/2

式中　X——碳化深度；

　　　a——碳化系数，取决于环境中的CO₂浓度及其在混凝土中的有效扩散；

　　　t——碳化时间。

　　现在，许多国家的学者在此公式的基础上发展了不少更为全面的碳化深度公式，其中比较简单实用的公式要数德国混凝土碳化公式：即

　　d_K=a+V_Kt^1/2 

　　以及国内常采用的简化公式：

　　X=a·t^b

式中　X——碳化系数；

　　　a,b——碳化条件系数。

　　西安冶金建筑学院张令茂提出上述公式中：a=2．37～9．54，b=0．3～0．6。

　　如果要根据实测的碳化深度来推算若干年后的碳化深度，则可用如下公式：

　　X=X₁*(t/t₁)^1/2

式中　X——推算若干年后混凝土的碳化深度；

　　　X₁——混凝土工程中实测的碳化深度；

　　　t——推算的年数；

　　　t₁——实测碳化深度时，混凝土工程使用年数。

　　至于对粉煤灰混凝土抗碳化能力的评价，是通过与基准混凝土的抗碳化能力进行对比表现出来的，即所谓“粉煤灰混凝土抗碳化效率系数K_X”是：

　　K_X=X′/X

式中　X′——粉煤灰混凝土的碳化深度；

　　　X——基准混凝土的碳化深度。

　　K_X值可大于1，也可降到1以下。根据国内外经验，发现粉煤灰混凝土的碳化深度大于基准混凝土的往往是在以下几种情况下发生的：使用质量较低的粉煤灰；粉煤灰掺量过大，尤其是矿渣水泥再掺大量的粉煤灰，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；粉煤灰混凝土标号较低，一般都在C30以下，水灰比较大，在0.6以上。但如果水 泥用量不减少，再外掺粉煤灰取代部分砂子，这样的粉煤灰混凝土抗碳化能力就可以增加；同时掺用粉煤灰和减水剂，即采用“双掺”的技术措施，还可以更好地发挥粉煤灰的效应， 保证提高粉煤灰的抗碳化能力，使_X值降到1以下。

　　国外常用快速冻融试验测定混凝土的抗冻性，以“耐久性系数(简称DF)”作为其抗冻性指标 ，并用共振频率法测定冻融后混凝土试件的劣化程度。根据ASTM C 666的规定，最大的冻融循环次数为300，DF可按下式计算：

　　DF=PN／M

式中　P——在N次冻融循环时的相对动弹性模量(即与原来的动弹性模量对比)；

　　　N——P降至60%的冻融循环数，如P降不到60%，则冻融循环数N取300；

　　　M——最终冻融循环数，即300。

　　耐久性系数DF可反应肉眼无法鉴别的混凝土冻融劣化程度。我国也是采用300次冻融试验测定粉煤灰混凝土的抗冻性，根据实验结果，可得出如下结论：(1)混凝土的抗冻能力随粉煤灰掺量的增加而降低；(2)混凝土的引气量和强度是影响普通混凝土和粉煤灰混凝土抗冻性的决定性因素。满足抗冻性要求的引气量取决于相应的混凝土强度等级。混凝土强度越高，满足抗冻性所必需的引气量越低。(3)对于引气量小于3．5%的粉煤灰混凝土和普通混凝土，其水灰比对于抗冻性有着显著的影响，水灰比越小，抗冻性越好。可是，如果混凝土中已具有足够的引气量，则其水灰比对于混凝土的抗冻性的影响不大。

　　至于对粉煤灰混凝土抗冻性的评价，国内外采用相对耐久性系数(简称RDF)为评价指数。RDF的计算公式为：

　　RDF=DF′／DF

　　DF——基准混凝土的耐久性系数；

　　DF′——粉煤灰混凝土的耐久性系数。

　　如果试验室的条件较差，无法测定混凝土的耐久性系数，则也可采比较简单的一定的冻融循环后比值，也可叫作“粉煤灰抗冻效率系数K_M”来评价：

　　K_M=S_M′/S_M

式中　S_M′——一定的冻融循环后粉煤灰混凝土的强度损失(%)；

　　　S_M——相同冻融循环后基准混凝土的强度损失(%)。

　　钢筋锈蚀部分的体积膨胀2～3倍，能使混凝土胀裂或剥落。近几年来世界各地频繁发生的钢筋混凝土耐久性质量事故，多半是钢筋锈蚀造成的。一般来说，钢筋锈蚀可分为四类：①碳化作用，使钢筋钝化膜失去了存在的条件；②电化学侵蚀，使混凝土丧失护筋性；③氯化物等的侵蚀，氯离子、硫酸根离子及硫离子等都是能破坏钢筋钝化膜的有害成分，其中，以氯离子的破坏最为剧烈。如台湾省澎湖列岛的预应力混凝土大桥的混凝土严重劣化，主要是氯离子侵蚀；④应力腐蚀断裂，一般的应力腐蚀断裂是指在拉应力和侵蚀介质共同作用下，阳极反应的脆性断裂，另一种形式是由于阴极反应，氢离子的还原反应，发生高应力的脆性断裂。

　　钢筋锈蚀开始于扩展阶段。只要混凝土保护层上无裂缝，那么钢筋锈蚀过程就是：混凝土完全碳化以后，钢筋失去钝化膜的保护，随着水分和氧的入侵，钢筋表面逐渐锈蚀。如果保护层混凝土上出现裂缝，那么即使保护层混凝土尚未完全碳化，钢筋也会锈蚀，同时裂缝的出现也会加速碳化，微裂缝处要比较宽的裂缝处的混凝土碳化慢些，但是氧在混凝土裂缝的扩散几乎与裂缝的宽度无关，而氧是碳化的必备条件之一。因此粉煤灰改善混凝土的体积变化的性能，使混凝土避免出现裂缝和微裂缝，其意义与增强抗碳化能力，对护筋性同样重要。

　　粉煤灰混凝土的钢筋锈蚀如同碳化一样，可建立钢筋锈蚀面积和时间的如下关系：

　　　　　A=a×t^1/2+b

式中　A——钢筋锈蚀面积；

　　　t——侵蚀时间；

　　　a,b——常数。

　　很多国家和地区由于天然集料资源贫乏或受到开采条件的限制，只能就地取材采用含活性氧化硅成分较高的石料，如果又使用碱总含量大于0.6%的水泥，则活性集料与水泥中的碱物质反应时将发生体积膨胀，导致混凝土胀裂，这种现象叫碱—集料反应。发生碱—集料反应的混凝土裂缝中一般都充满白色胶体，表面裂缝中常有凝胶体流出，干燥时胶体变成白色沉淀，骨料颗粒周围出现反应环。典型的碱—集料反应有加拿大博赫尔洛依斯水电站，该站位于魁北克省，靠近圣路易湖。早在1940年就发现该站南部坝体因出现开裂缝而渗漏，其后在进水系统和办公大楼均发现开裂和变形。该电站所用集料为波次坦组砂岩(Potsdam Sandstone)，石英含量为95%。石英颗粒被硅质物质所胶结，胶结物为玉髓质SiO₂，岩石中还含有少量方解石长石白云石云母黄铁矿锆英石和隧石；水泥碱含量估计为1%。根据Durand的资料表明，在魁北克水利局属480个大坝中有30%受碱—集料破坏，6%无问题，另外64%未详细调查。

　　英国建筑研究院的系统试验结果认为：任何波特兰水泥中掺加不少于30%的粉煤灰，都足以减少碱—集料反应的危险性。但美国学者研究都认为，一些高钙粉煤灰中含有大量的硫酸盐碱类，掺用这类粉煤灰就象使用高碱波特兰水泥一样，反而会促进碱—集料反应。

　　至于粉煤灰抑制碱—集料反应的评价，国外大都参照美国ASTM　C441标准关于防止由于碱—集料反应引起较大的膨胀而规定的试验方法。试验时，规定在高碱水泥中掺加25%粉煤灰，并用标准砂作集料制作砂浆试验，养护后再按ASTM　C227规定的方法测定膨胀率，并与不掺粉煤灰的水泥如法制作的试件进行对比。试验的结果，可用粉煤灰抑制碱—集料反应的效率系数K_AAR来表示，即K_AAR=e′/e

式中　e′—粉煤灰混合砂浆试件的膨胀率；

　　　e—基准高碱水泥砂浆试件的膨胀率。

　　粉煤灰混凝土的耐久性问题是一个综合性问题，其中抗冻性和抗碳化能力是粉煤灰混凝土关于耐久性两个重要的方面，本文通过一系列的理论公式论述了影响粉煤灰混凝土耐久性的几个因素，如粉煤灰掺量；引气量；强度；裂纹等等，同时，将粉煤灰混凝土与基准混凝土对比，对粉煤灰混凝土的耐久性作出了评价。

［1］《混凝土与水泥制品》，1999No4，张德思　成秀珍编写“粉煤灰混凝土的抗冻融耐久性”，第8-10页.

［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］沈旦申编《粉煤灰混凝土》，中国铁道出版社，1989.第212-233页.

［作者简介］　夏燕(1966-)，女，讲师，无机非金属材料专业。

［单位地址］　武汉蔡家田江汉大学城建环保系(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：中国混凝土咨询网