張小偉（新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

引言

混凝土碳化，會(huì)引起鋼筋銹蝕，導(dǎo)致其體積膨脹，使混凝土保護(hù)層開裂，直至使混凝土剝落，嚴(yán)重的影響了混凝土建筑物的耐久性?；炷恋奶蓟饔檬侵复髿庵械亩趸荚诖嬖谒臈l件下與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣和水。因氫氧化鈣是堿性的，而碳酸鈣是中性，所以碳化又叫中性化。

碳化過程是二氧化碳由混凝土表面向內(nèi)部逐漸擴(kuò)散深入。碳化引起水泥石化學(xué)組成及組織結(jié)構(gòu)的變化，二氧化碳的作用不僅對(duì)水泥石中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，而且由于氫氧化鈣濃度的降低，將要侵蝕和分解水泥石中所有的水化產(chǎn)物，生成硅膠和鋁膠，從而對(duì)混凝土的化學(xué)性能和物理力學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響，主要是對(duì)混凝土的堿度、強(qiáng)度和收縮產(chǎn)生影響。

1 粉煤灰在混凝土中的作用機(jī)理

粉煤灰由于其內(nèi)部球形顆粒較多，具有良好的形態(tài)效應(yīng),可在水泥顆粒間起到一種“滾珠”作用，從而改善混凝土的工作性能（如圖1 所示）；另一方面,由于粉煤灰密度較之水泥更小，可獲得更多的膠凝材料漿體體積量,增加了混凝土拌合物的漿體體積，增加了混凝土拌合物的流動(dòng)度以及二次水化的特性使得混凝土的后期強(qiáng)度增加?；谝陨闲再|(zhì)，粉煤灰在混凝土工程中得到了大量的應(yīng)用。

圖1 粉煤灰顆粒的微觀形貌

摻入粉煤灰的混凝土，粉煤灰中的活性SiO2能逐步與水泥石中的Ca(OH)2產(chǎn)生二次反應(yīng)，即火山灰效應(yīng)，生成低堿性水化硅酸鈣。反應(yīng)方程式為[1]：

同時(shí)，摻加粉煤灰后可提高混凝土的抗?jié)B性，但會(huì)使混凝土的抗碳化性能降低[2][3]。由于粉煤灰可以與水泥水化生成的氫氧化鈣和水發(fā)生水化反應(yīng)，生成具有水硬性特點(diǎn)的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等，并填充于毛細(xì)孔隙內(nèi)，使混凝土密實(shí)度得到改善。

2 粉煤灰對(duì)混凝土碳化的影響

通過研究發(fā)現(xiàn)[4][5][6]，用粉煤灰部分取代混凝土中的水泥會(huì)引起其抗碳化能力下降。粉煤灰取代量越大，抗碳化能力下降越明顯。

董文辰等人認(rèn)為[1]，當(dāng)含水量保持不變時(shí)，如果額外摻加粉煤灰，加大漿體體積，干縮程度會(huì)略有增加。方璟等人通過研究摻粉煤灰對(duì)碳化的影響[7]，對(duì)粉煤灰以15%和30%的比例等量取代水泥的混凝土進(jìn)行碳化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉煤灰取代水泥越多，混凝土抗碳化能力下降程度越大。但在采用超量取代技術(shù)或純外摻粉煤灰技術(shù)時(shí)，可以提高混凝土的密實(shí)度，并使其影響大于粉煤灰二次反應(yīng)吸收Ca(OH)2減少混凝土堿貯存的影響，從而使混凝土的抗碳化性能得到提高。

張德成等人研究了摻合料對(duì)硫鋁酸鹽水泥基混凝土碳化深度的影響[8]，發(fā)現(xiàn)在20%復(fù)摻下其碳化深度最低。一方面由于水泥中的石膏在水化反應(yīng)過程中并沒有完全反應(yīng)而有富余，而富余的石膏可對(duì)礦渣和粉煤灰起到硫酸鹽激發(fā)劑的作用。另一方面，β-C2S 水化析出Ca(OH)2對(duì)礦渣和粉煤灰起到堿性激發(fā)劑的作用。而此時(shí)礦渣和粉煤灰中可化合的Al2O3可與液相中的Ca(OH)2和CaSO4迅速反應(yīng)生成鈣礬石，同時(shí)液相中多余的Ca(OH)2與礦渣和粉煤灰中可化合的SiO2形成C-S-H 凝膠，提高了混凝土的強(qiáng)度和密實(shí)度，降低混凝土的空隙率，細(xì)化其孔結(jié)構(gòu)，使封閉孔隙增多，從而降低了碳化速度。

M.D.A.Thomas 等人通過研究粉煤灰混凝土的滲透性[9]，發(fā)現(xiàn)粉煤灰混凝土的滲透性隨著養(yǎng)護(hù)齡期和粉煤灰含量的增加而降低?；炷猎?0℃，相對(duì)濕度為65%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)3d 后，比1d 后的氣體滲透平均值降低3.7%，而在7d 后，降低高達(dá)54%。

P.Sulapha 等人分別對(duì)摻加礦渣、粉煤灰和硅灰的混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[10]，發(fā)現(xiàn)摻加粉煤灰的混凝土比起未摻的混凝土碳化更深。由于摻合料的加入引起的火山灰效應(yīng)，混凝土中Ca(OH)2量減少，導(dǎo)致碳化速度加快，這在礦渣混凝土和粉煤灰混凝土中尤其明顯。而摻加硅灰的混凝土抗碳化能力反而提升，這是由于硅灰對(duì)混凝土的孔結(jié)構(gòu)有密實(shí)的作用，而這種作用比起Ca(OH)2含量的降低起到了主導(dǎo)的作用。他同時(shí)研究了混凝土抗壓強(qiáng)度和碳化性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度越低，混凝土碳化深度越高，并呈線性關(guān)系。

一般認(rèn)為，水灰比越大，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙越多，混凝土越不密實(shí)，CO2在其中就越易擴(kuò)散，加快了碳化速度。劉藍(lán)萍等人[6][7]針對(duì)混凝土碳化深度隨時(shí)間和水灰比變化的規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不管是否向混凝土中摻加粉煤灰，也不管使用何種水泥，只要水灰比降低，相對(duì)應(yīng)的碳化深度就會(huì)降低。

施惠生等人研究了不同水灰比的粉煤灰混凝土的性能[11]，結(jié)果表明，粉煤灰對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度、氣滲性和碳化程度的影響與水灰比有著很大的關(guān)系。當(dāng)?shù)退冶葧r(shí)，摻加30%粉煤灰的混凝土可以明顯改善混凝土的強(qiáng)度，而對(duì)氣滲性和抗碳化性能沒有太大的影響。而當(dāng)水灰比較高時(shí)，粉煤灰混凝土的強(qiáng)度、氣滲性和抗碳化性能均有不同程度的下降。

Sulapha 等人[12]等人認(rèn)為，在混凝土中摻入粉煤灰、礦渣、石灰石粉和硅灰等礦物摻合料具有活性，與Ca(OH)2反應(yīng)，會(huì)降低混凝土的堿度，從而使混凝土抗碳化能力減弱。而在混凝土中摻入大量摻和料一方面降低了混凝土內(nèi)部水泥的用量，另一方面，摻和料的二次水化作用消耗了混凝土的Ca(OH)2，使得混凝土內(nèi)部可供碳化的物質(zhì)大大減少，碳化程度加深。沙慧文等人[13]對(duì)粉煤灰混凝土碳化進(jìn)行了試驗(yàn)與工程調(diào)查，得出了粉煤灰摻量對(duì)碳化的影響規(guī)律，結(jié)論為混凝土中粉煤灰的摻量越多，混凝土的碳化現(xiàn)象越為嚴(yán)重。

3 結(jié)語

綜上所述，用粉煤灰取代高性能混凝土中的水泥導(dǎo)致混凝土早期抗碳化能力下降，而后期抗碳化能力有一定程度的提升；粉煤灰高性能混凝土的抗碳化性能隨水膠比的減小而提高；碳化反應(yīng)可以提高水泥漿體及混凝土界面過渡區(qū)的顯微硬度和密實(shí)程度。當(dāng)粉煤灰摻量較小時(shí)，碳化反應(yīng)可以減小混凝土界面過渡區(qū)的寬度。所以，在研究及實(shí)踐過程中，一定要考慮礦物摻合料的綜合影響因素，合理的選用礦物摻合料，保證混凝土的質(zhì)量。

[1]董文辰，康德君，王立久.粉煤灰混凝土中粉煤灰的火山灰效應(yīng)綜述.國(guó)外建材科技，2004年第25 卷第3期.

[2]F.J.Huertas,A.Hidalgo,M.L.Rozalén,S.Pellicione,C.Domingo,C.A.García-González,C.Andrade and C.Alonso.Interaction of bentonite with supercritically carbonated concrete.Applied Clay Science 42(2009) 488-496.

[3]W.Sha and G.B.Pereira,Differential scanning calorimetry study of hydrated ground granulated blast-furnace slag,Cem.Concr.Res.31 (2001),pp.327–329.

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[8]張德成，張?jiān)骑w，程新.硫鋁酸鹽水泥基混凝土抗碳化性能的研究.硅酸鹽通報(bào).2008年4 月，第27 卷第2 期.

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[12]Sulapha,P.,et al.,Carbonation of Concrete Containing Mineral Admixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2003.15(2):p.134-144.

[13]沙慧文.粉煤灰混凝土碳化和鋼筋銹蝕原因及防止措施[J].工業(yè)建筑,1989(1):p.7-10.