张秋强、杨通胜
（帕博检测技术服务有限公司 广东 珠海 519050）
摘要：近十年来，随着中国建筑行业的飞速发展，粉煤灰混凝土在实际的工程应用也越来越多。本文浅析了粉煤灰对于混凝土耐久性收缩、碳化、氯离子渗透、硫酸盐侵蚀等方面的影响，总结提出了粉煤灰混凝土现阶段存在的掺量受限、早期强度低等问题，并从物理化学角度提出解决该问题的方案，为粉煤灰在混凝土中的研究和利用提供理论基础。
关键字：粉煤灰；混凝土；耐久性
引言
粉煤灰作为中国火力发电排放出的工业固体颗粒废弃物，每年的排放量到达了7亿吨，其综合利用广受人们的关注。许多学者发现将粉煤灰应用到水泥混凝土材料当中，不仅能够充分利用粉煤灰，还能使混凝土各方面性能得到相应的提升。而耐久性作为混凝土建材极为重要的指标之一，越来越受到人们的重视，粉煤灰作为矿物掺合料添加到混凝土里面时，其品质、细度、掺量对混凝土的耐久性都有着不同的影响。
一、粉煤灰混凝土耐久性的研究现状
（一）粉煤灰对混凝土收缩的影响
在水泥混凝土材料中，收缩过大引起的开裂，一直是混凝土开裂损伤的最主要原因之一。在水泥石水化初期会消耗大量自由水，导致材料内部产生大量的孔隙，其中一部分孔隙会形成弯月液面，弯月液面会产生朝着孔隙内部挤压的应力，久而久之，结构就会产生收缩变形。首先粉煤灰加入到混凝土后，粉煤灰与水泥中的氢氧化钙发生火山灰反应，会在混凝土内不断水化，反应生成大量钙矾石、和水化硅酸钙凝结，对孔隙起到填充效应；其次粉煤灰由于其颗粒粒径较小，未反应的粉煤灰能够在混凝土结构中起到微集料填充效应，填充反应生成的孔隙，对混凝土的收缩有明显的补偿作用。
（二）粉煤灰对混凝土碳化的影响
混凝土的碳化一般是指空气中的CO2通过的表面粗大孔隙进入到混凝土内部，与水泥混凝土体系中的碱性水化物反应，主要发生物理化学反应的过程[1]。一般的混凝土具有较高的碱性，在水泥水化过程中，体系中pH在12.5以上时，在混凝土后期服役过程中，水和二氧化碳会通过粗放的孔隙进入混凝土内部，与内部结构中的碱性物质发生反应，从而锈蚀钢筋。影响混凝土结构外部保护层性能，导致结构层发生剥落、开裂等危害现象，混凝土稳定性和结构承载力降低，直接危及建筑物的安全。在混凝土中加入粉煤灰后，粉煤灰的二次水化能够加速消耗体系中的Ca(OH)2，降低体系的碱度，生成的水化产物也会减缓二氧化碳进入的速度，在一定程度上能够阻碍混凝土出现严重的碳化现象。
（三）粉煤灰对混凝土氯离子渗透性能的影响
混凝土钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的重要原因，而氯离子的渗透就是造成钢筋锈蚀的主要诱因。混凝土在高氯盐环境下，氯离子会通过毛细管吸附、渗透等各种方式进入到混凝土内部,但是，最主要的渗透方式还是以扩散为主。而粉煤灰的掺入，与体系中的氢氧化钙发生反应，生成大量C-S-H凝胶，提高了混凝土对氯离子的吸附作用。同时，粉煤灰本身结构较为复杂，粉煤灰内部有许多细小空心微珠结构，这些复杂结构可以有效的与氯离子结合，所以粉煤灰的加入也能改善混凝土的抗氯离子渗透性。
（四）粉煤灰对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响
硫酸盐广泛存在于自然界的各种物质当中，硫酸盐对混凝土侵蚀破坏是在力学、物理、化学等多重作用下进行的，当混凝土与外界侵蚀物质接触时，这些介质中的硫酸根离子会进入混凝土孔隙内部，与水泥石中的Ca(OH)2和C-S-H等活性化合物发生化学反应，生成一些难溶的如钙矾石、石膏等膨胀性水化产物，这些水化产物发生膨胀后，会产生膨胀内应力，从而导致混凝土结构开裂，分解乃至最终解体，是一种危害性极强的侵蚀性破坏。这些膨胀性石膏、钙矾石等物质的形成是需要消耗大量的Ca(OH)2的，在体系中加入粉煤灰后，水化后期，粉煤灰的二次水化作用能消耗大部分的Ca(OH)2，导致体系中没有多余的氢氧化钙与硫酸盐反应，所以在很大程度上抑制了膨胀钙矾石、石膏等形成，提高了混凝土的耐硫酸盐侵蚀能力。
二、粉煤灰混凝土耐久性存在的问题
虽然粉煤灰的掺入，能够对混凝土的耐久性有较好的提升，但是也存在着一些难以解决的问题。
（一）粉煤灰掺量受限问题
现阶段，不管是在装配式构建、还是商品混凝土站中，实际应用时粉煤灰的添加量只能保证在15%-30%左右，虽然粉煤灰能提高混凝土的耐久性，但是粉煤灰的自身并没有很高的活性。
由于粉煤灰的“稀释作用”，随着粉煤灰掺量的增大，活性高且有胶凝性能的水泥含量就会相应的减少，为了保证混凝土最基础的强度性能，所以粉煤灰在实际工程的应该还是受到一定程度的限制。
（二）粉煤灰混凝土的早期强度较低问题
尽管粉煤灰中含有大量的活性硅铝组分，但是其本身结构稳定，活性发挥速度缓慢，在诱导期时，水泥熟料水化较慢，体系碱度并不足让粉煤灰中的活性组分溶出，所以粉煤灰在早前期只是起到微集料填充效益，不能弥补取代水泥部分的强度，所以粉煤灰混凝土的早期强度要低于一般普通混凝土，特别是温度较低的冬季。
三、解决粉煤灰混凝土耐久性问题的思路及展望
（一）机械研磨细化粉煤灰
根据大量文献与工艺经验发现，粉煤灰的粒径和比表面积是决定粉煤灰品质高低的关键因素，在相同条件下，粉煤灰的粒径越小，活性越高，其相应的品质越高，早期的反应性能就越好[2]。而机械研磨是常规的细化手段，可以通过机械研磨细化粉煤灰的粒度，细化后的粉煤灰更容易溶出活性硅铝相，能提前发挥火山灰效应，是解决粉煤灰混凝土早期强度较低的一条途径。
（二）分级优选粉煤灰
用机械分选的方法，也是促进粉煤灰资源化大掺量利用的一条途径，通过机械分选，可以将原始的低品质低等级粉煤灰，分选为高品质的Ⅰ级粉煤灰，大幅度降低需水量，将分选后的优质粉煤灰大量替代水泥，制备出粉煤灰替代量较大的，大掺量粉煤灰混凝土，在满足其坍落度、流动度等工作性能的前提下，有效降低体系水灰比，提高混凝土的耐久性[3]，能够在一定程度上实现粉煤灰的大掺量利用。
（三）添加纤维材料
常规纤维材料都是高弹性模量的材料，对于混凝土的韧性与抗变形能力有着显著增强作用，由于混凝土结构的非匀质性，在结构受拉时，内部会出现应力集中现象，当应力集中点的拉应力大于混凝土所能承受的极限抗拉强度时，就会出现开裂破坏现象，加入纤维材料后，纤维材料作为微钢筋，帮助混凝土分担拉力，增强抗裂性，故在混凝土中加入一定量的纤维材料也能够改善混凝土的耐久性。
（四）加入纳米二氧化硅
纳米二氧化硅能够显著提高混凝土耐久性，主要原因有两方面，一是抗裂增强机理，纳米二氧化硅具有提高混凝土强度作用，从而提升其抗裂性能[4]。二是纳米二氧化硅的纳微米级颗粒较小，能够充分填充体系的孔隙，其纳米晶核诱导效应，其自身的细小纳米颗粒在水泥水化过程中，能够提供更多成核位点，生成较多额外的水化产物，填充粗放孔隙，改善水泥基体的密实度，不仅能够提高混凝土早期强度，还能进一步提高混凝土的耐久性。
（五）加入外加剂
对混凝土耐久性有改善作用的外加剂一般有减水剂、引气剂等。减水剂中的亲水基团较多，能与水泥颗粒表面形成稳定的水膜，可以增加流动度，减少混凝土的需水量，降低水灰比，减小孔隙率，使混凝土内部结构更加密实，从而达到改善耐久性的目的。而引气剂的加入，能够增加混凝土中空气含量，在混凝土发生冻融的时候来降低表面水压力，阻止内部膨胀现象的发生，在很大程度上能够解决混凝土的冻融循环问题。
四、结语
总体来说，粉煤灰的掺入，对混凝土耐久性的收缩、碳化、抗氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀性等有着明显的改善作用，但是粉煤灰自身的一些缺陷，也导致在实际工程应用中，存在着粉煤灰掺量较小、早期强度偏低等问题，针对上述问题，从不同的角度，提出了改善的方案。
参考文献
[1] 张光亮, 肖建, 曾志. 混凝土耐久性研究现状综述 [J]. 四川水泥, 2020, 12): 5-6.
[2] 姜博, 赵壮. 机械活化粉煤灰在水泥砂浆中的增强机理研究 [J]. 北方建筑, 2017, 2(02): 42-5.
[3] 马军涛, 王大广, 陈浩,等 磨细粉煤灰粉磨制度对其水化行为和强度的影响分析 [J]. 混凝土, 2021, 01): 94-7.
[4] 曾凯龙, 朱江, 李古,等 掺纳米材料的钢纤维混凝土研究现状;第十七届全国现代结构工程学术研讨会, 中国天津, F, 2017 [C].