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域是目前利用的主要途徑之一。它作為人工火山灰質材料，在混凝土中作為摻合料，不僅能大量節約水泥．還能有效改善混凝土性能、提高工程質量和降低工程成本。不僅經濟效益明顯，還具有其它材料無法替代的技術優勢，特別是其使用量大，對環境無不利影響，也是解決粉煤灰對環境影響最為根本的途徑。
然而不充分了解粉煤灰的特性，同樣可能會造成不恰當的使用，這樣不但不利于改善混凝土性能甚至還會降低混凝土的性能。大量的研究與應用結果表明，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。粉煤灰對混凝土工作性能的改善，主要是通過其中的玻璃微珠及細小顆粒的形態效應及微集料效應進行的。這種改善作用主要表現在與工作性能相同的等效混凝土漿體對比上。
由于二次水化反應中的高性能礦物粉吸收大量的Ca(OH)2晶體，使混凝土界面區的Ca(OH)2晶體減小，膠料與集料界面粘結強度得到改善。另外，Ca(OH)2大量被吸走，促進了C3S和C2S的反映速度而導致混凝土早期強度增長加快，后期強度也因高性能礦物粉不斷摻與水化繼續提高。同時，堿性儲備減低，液相堿度降低。
空氣中CO2氣滲透到混凝土內，與混凝土中堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學反應為：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，其堿性介質對鋼筋有良好的保護作用，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，當碳化超過混凝土的保護層時，在水與空氣存在的條件下，就會使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹。可見，混凝土碳化作用一般不會直接引起其性能的劣化，對于素混凝土，碳化還有提高混凝土耐久性的效果，但對于鋼筋混凝土來說，碳化會使混凝土的堿度降低，同時，增加混凝土孔溶液中氫離子數量，因而會使混凝土對鋼筋的保護作用減弱，出現鋼筋銹蝕露筋現象，降低了結構強度和剛度。
第二章試驗研究
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、質地致密、內比表面積小、對水的吸附力小，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，使混凝土密實性增大．改善了混凝土和易性．本實驗是采用粉煤灰是II級品，由于煤種、燃燒情況及細度不同，對漿體流動性的影響也不同。有的粉煤灰取代部分水泥后，漿體流動性增加；有的粉煤灰反而使漿體流動性降低。
若粉煤灰為等量取代
粉煤灰取代水泥量為10％～40％時，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。這主要得益于粉煤灰的形態效應，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滑作用；同時，粉煤灰顆粒粒徑比水泥顆粒粒徑小，粉煤灰微細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粉比例增加，細粉顆粒的比表面積大…，需水量大，導致混凝土拌合物粘稠性增加。但此時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，粉煤灰對混凝土拌合物的坍落度始終有改善作用。 摘自（粉煤灰對混凝土坍落度影響的試驗研究，研究人員：程紅云，張偉，郭晗，袁光英，趙文）
綜述結論：
（1）不同品質的粉煤灰，取代水泥量相同時，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，粉煤灰對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，粉煤灰對混凝土拌合物的坍落度經時損失始終有改善作用。
（4）粉煤灰超量取代時，隨著粉煤灰取代水泥量的增加，隨著取代系數的增加，混凝土拌合物的坍落度呈下降趨勢；隨著粉煤灰取代水泥量及取代系數的增加，混凝土拌合物的坍落度經時損失呈上升趨勢。
第三章 碳化
3.1 粉煤灰混凝土碳化：
據了解大部分鋼筋混凝土結構破壞主要是由于其內部鋼筋銹蝕，而導致其鋼筋銹蝕的主要原因是因為混凝土保護層的碳化從而導致了其堿度降低，使得鋼筋表面的鈍化膜破壞了，所以鋼筋逐漸被銹蝕。
3.2 碳化機理：
空氣中的二氧化碳等酸性氣體滲透到混凝土內，與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程成為混凝土碳化，其化學反應為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，其堿性介質對鋼筋有良好的保護作 用。碳化后使混凝土的堿度降低，當碳化超過保護層厚度使混凝土失去對鋼筋的保護作用，鋼筋開始生銹了。對于鋼筋混凝土來說，碳化會使鋼筋銹蝕，此時產生體積膨脹，致使混凝土保護層產生開裂，開裂后的混凝土更有利于二氧化碳、水、氧等有害介質的進入，加劇了碳化的進行和鋼筋的銹蝕，最后導致混凝土產生順著鋼筋開裂而破壞。另外，碳化作用會增加混凝土的收縮，引起混凝土表面產生拉應力而出現微細裂縫，從而降低混凝土的抗拉、抗折強度及抗滲能力。
碳化作用對混凝土也有一些有利影響，即碳化作用產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度，對提高抗壓強度有利。
3.3 影響碳化速度的主要因素有：
環境中的二氧化碳的濃度、水泥品種、水灰比、環境濕度，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，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性和堿性儲備的大小，即混凝土的滲透性及其Ca（OH）2堿性物質含量的大小。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，影響混凝土密實性及其堿性儲備的因素十分復雜。
環境介質的相對濕度也直接影響混凝土的潤濕狀態和抗碳化性能。在大氣非常潮濕，其相對濕度大于80％或100%的情況，混凝土毛細管處于相對的平衡含水率或飽和狀態，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，空氣中的CO2無法溶解于毛細管水或是溶解量非常有限，使之不能與堿性溶液發生反應，因而混凝土碳化也無法進行；試驗證明，當周圍介質的相對濕度為50-70%時，混凝土碳化速度最快。所以，在我國GBJ83—85標準中，規定混凝土快速碳化時介質的相對濕度應控制在70±5%。因此，試驗前試件必需經過干燥處理，使其含水的潤濕狀態與環境介質的相對濕度相適應。
環境溫度對混凝土的碳化速度影響也是很大的，和一般的化學反應一樣，其碳化速度與溫度幾次方程成正比。但對混凝土碳化來說，情況卻比一般化學反應復雜得多。這主要是因為CO2和Ca（OH）2在水中的溶解度是與介質溫度成反比的。所以說，隨著溫度的提高，碳化速度加快，主要是用CO2在空氣中擴散系數隨溫度的提高而增加來解釋。但從目前國內外的資料看來，溫度對混凝土碳化的影響研究較少，尚給不出具體量的概念。根據蘇聯C.H.阿列克西耶夫的資料說明,當空氣相對濕度為75%,溫度從22℃提高到40℃時,碳化大大加速,若溫度再提高,則整個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。所以與國外的有關標準一樣，我國國家標準規定，混凝土快速碳化應在20±3℃條件下進行。
3.4 實際工程中，為減少碳化作用對鋼筋混凝土結構的不利影響，可采取以下措施：
1.在鋼筋混凝土結構中采用適當的保護層，使碳化深度在建筑物設計年限內達不到鋼筋表面。
2.根據工程所處環境及使用條件，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.加強施工質量控制，加強養護，保證振搗質量，減少或避免混凝土出現蜂窩等質量事故。
6.在混凝土表面涂刷保護層，防止二氧化碳侵入等。
3.5 粉煤灰混凝土耐久性改善的機理
粉煤灰是火山灰質材料，具有三種基本效應，這三種效應顯著地影響粉煤灰混凝土的耐久性。
1.形貌效應
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、質地致密、內比表面積小、對水的吸附力小，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
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，生成穩定的水化硅酸鈣（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，同時由于二次水化反應中高性能礦物粉吸收大量的Ca（OH）2晶體，使混凝土界面區的Ca（OH）2晶體減少，膠料與集料界面的粘結強度得到改善。另外，Ca（OH）2被大量吸收，促進了C3S和C2S的反應速度而導致混凝土早期強度增長加快，后期強度也因高性能礦物粉不斷參與水化而繼續提高。上述反應幾乎都在水泥孔隙中進行，大大降低了混凝土內部的孔隙，改變了孔的結構，從而提高了混凝土的密實性。
3．填充效應
粉煤灰中的微細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配，并增加水泥膠體的密實度。另外，粉煤灰與Ca（OH）2生成的C-S-H膠凝體填充于毛細孔內，使毛細孔變細或變為不連通的毛細孔，增加了水泥石結構的致密程度，混凝土總孔隙率降低、孔結構變小、有害孔減少，混凝土強度隨之提高。
粉煤灰的三種基本效應，使混凝土的密實性大大提高，從而改善了混凝土的抗凍性、抗滲性，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，有利于保護鋼筋不銹蝕。
3.6 試驗研究：粉煤灰摻量對碳化的影響
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材料，具有一定活性，它會與水泥水化后的氫氧化鈣相結合，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本質因素。火山灰反應雖然消耗了混凝土中熟料水化所產生的氫氧化鈣、但同時又生成水化硅酸鈣，水化鋁酸鈣等反應產物，它們同樣具有吸收二氧化碳的作用。因此，火山灰反應對混凝土的堿度并無影響，而火山灰反應卻使混凝土的孔隙率降低、孔徑細化、曲折度增加，從而顯著提高強度與抗滲性。28d等強度的粉煤灰混凝土碳化速率高于基準混凝土的重要原因之一，是由于取代水泥后熟料數量減小，堿度降低。隨著齡期延長，火山灰反應不斷增強，達到一定齡期時，抗滲性的提高彌補了堿度的不足，摻粉煤灰混凝土的碳化速率就可能與同齡期的基準混凝土相同，甚至比后者更小。這一齡期的長短與水泥品種和被取代量、粉煤灰品質與摻量、環境溫度、濕度等多種因素有關。在實際工程中，由于大氣中的二氧化碳濃度極低，碳化進程十分緩慢，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，對節約水泥、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材料，具有一定活性，它會與水泥水化后的氫氧化鈣相結合，使混凝土的堿度降低，從而減弱了混凝土的抗碳化性能。根據研究表明當摻量小于40%左右時其混凝土的抗碳化性能較好。