粉煤灰在抗硫酸鹽侵蝕混凝土中的應(yīng)用

□文/段莉新

粉煤灰是從煤粉爐煙道氣中收集到的粉末，屬于人工火山灰質(zhì)材料，顆粒很小，多呈球形（通稱微珠），是一種工業(yè)廢渣，堆放不僅造成浪費(fèi)，還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。研究成果表明，粉煤灰經(jīng)二級電場收集、磨細(xì)或風(fēng)選達(dá)到一定品質(zhì)要求后，摻入混凝土中能起到節(jié)約水泥、降低成本、改善混凝土性能的作用。

工程概況

跨京山鐵路橋位于天津?yàn)I海新區(qū)內(nèi)環(huán)線上，瀕臨天津港。濱海新區(qū)地處鹽田舊址，地下水所含C1-、Mg2+、SO4-2等濃度較高。由于硫酸鹽對混凝土有侵蝕性，因此要求樁基與承臺混凝土達(dá)到Ⅱ類防腐等級，這就需要使用抗硫酸鹽水泥。

抗硫酸鹽水泥屬于特種水泥，生產(chǎn)廠家少且價(jià)格高，使用抗硫酸鹽水泥既提高了工程成本，又為施工帶來了不便。通過查找資料，從分析硫酸鹽侵蝕原理和解決硫酸鹽侵蝕的途徑入手，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，使用普通硅酸鹽水泥摻加粉煤灰的方法可以滿足混凝土抗硫酸鹽侵蝕的要求。每立方米水泥中摻入50～120kg粉煤灰可節(jié)約50～100kg水泥，既降低了施工成本又能保證了施工質(zhì)量。

硫酸鹽侵蝕的機(jī)理

硫酸鹽侵蝕是一種比較常見的化學(xué)侵蝕形式，其實(shí)質(zhì)為膨脹型化學(xué)腐蝕。侵蝕性地質(zhì)中的地下水實(shí)際上是硫酸鹽溶液，如果其濃度高于一定值，即可對混凝土產(chǎn)生侵蝕作用。溶液中的硫酸鹽與水泥水化生成的Ca（OH）2反應(yīng)生成硫酸鈣，如式（1）所示。

在流動的水中，反應(yīng)可以不斷進(jìn)行。硫酸鈣與水泥熟料礦物Ca3A1O2水化生成的水化鋁酸鈣，能反應(yīng)生成比原來體積大1.5倍的三硫型水化硫鋁酸鈣（又稱鈣礬石）。鈣礬石的溶解度極低，沉淀結(jié)晶出來的鈣礬石晶體長大造成的結(jié)晶壓使混凝土因膨脹而開裂。因此，硫酸鹽侵蝕的根源是硫酸鹽溶液與水泥中Ca3A1O2礦物的水化生成物和硫酸鈣反應(yīng)形成鈣礬石的膨脹。

若水中鎂的含量較大，則侵蝕更為嚴(yán)重，因?yàn)榱蛩徭V除了會產(chǎn)生鈣礬石膨脹外，還能與水泥中硅酸鹽礦物水化生成的水化硅酸鈣凝膠反應(yīng)，使其分解，破壞了C-S-H的膠凝性。

外摻法摻加粉煤灰

一方面外摻方式可以簡化工藝流程，另一方面它不僅能取代部分水泥，還能起到微細(xì)料的作用。大量分散細(xì)小的粉煤灰顆粒為水化Ca(OH)2的成核提供了大量無序排列的晶種，使Ca(OH)2結(jié)晶分散而細(xì)小，避免其在集料表面的定向排列，有效地改善了混凝土過渡帶結(jié)構(gòu)。這些均使混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能得以明顯的增強(qiáng)。另外，粉煤灰的加入還能降低過渡帶厚度。

根據(jù)基準(zhǔn)混凝土計(jì)算出各種材料用量，對各種材料進(jìn)行計(jì)算調(diào)整。

（1）外加粉煤灰的質(zhì)量按式（2）計(jì)算。

式中：Fm——外加粉煤灰的質(zhì)量，t；

C0——水泥用量，t；

fm——選定外加粉煤灰摻入率，%。

（2）調(diào)整后砂的質(zhì)量按式（3）計(jì)算。

式中：Sm——調(diào)整后砂的質(zhì)量，t；

S0——砂料質(zhì)量，t；

Fm——外加粉煤灰的質(zhì)量，t；

ρf——粉煤灰密度，t/m3；

ρa(bǔ)s——砂料密度，t/m3。

配合比的確定

在配合比設(shè)計(jì)中，張亞梅等[1]全部采用再生骨料作為粗骨料并摻加了高效減水劑和粉煤灰，配制出強(qiáng)度為54.6MPa再生混凝土；邢振賢等[2]采用基體強(qiáng)度為C20或C25的廢棄混凝土骨料，通過摻加高效減水劑使水灰比降低到0.35，配制出了強(qiáng)度為40.4MPa的再生混凝土。由此可見，再生混凝土配合比設(shè)計(jì)要比普通混凝土復(fù)雜，但只要措施得當(dāng)，可以獲得比較滿意的力學(xué)性能。

按照本工程設(shè)計(jì)要求，配制的混凝土必須達(dá)到抗中等硫酸鹽侵蝕強(qiáng)度，坍落度要求達(dá)到180～220mm且混凝土的總堿量≯3.0kg/m3。抗中等硫酸鹽侵蝕就必須符合以下要求：最大水膠比≯0.45，最小水泥用量為360kg/m3，抗?jié)B等級應(yīng)達(dá)到P8以上。具體的試驗(yàn)配合比見表1。

表1 配合比試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試拌調(diào)整后3個(gè)配合比的流動性、粘聚性和保水性均很好且各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求。本著既節(jié)約成本又能滿足施工要求的原則，在實(shí)際施工中選用了1號配合比并取得了較好的效果。現(xiàn)場的176根樁經(jīng)無破損檢測大部分為Ⅰ類樁，只有極個(gè)別樁因?yàn)槠渌驅(qū)儆冖蝾悩叮?8d平均強(qiáng)度達(dá)到36.2MPa，抗?jié)B等級達(dá)到P10以上。

摻加粉煤灰的優(yōu)點(diǎn)

提高混凝土的密實(shí)度

細(xì)化孔結(jié)構(gòu)提高抗?jié)B性，使其內(nèi)部毛孔和毛細(xì)管盡可能不形成通道，降低其滲透性以提高混凝土的抗侵蝕性能。施工時(shí)混凝土水膠比≯0.45，水泥用量≮360kg，加入非引氣型減水劑，使混凝土有良好的和易性，保證混凝土密實(shí)。

在混凝土拌和料中摻加不少于20%的Ⅱ級粉煤灰。這是因?yàn)榉勖夯沂蔷哂幸欢ɑ钚缘幕鹕交屹|(zhì)混合料，其主要的化學(xué)成分是 SO2、A12O3、Fe2O3、CaO 和未燃的炭，品質(zhì)優(yōu)良的粉煤灰以較高的摻量加入到混凝土中能明顯地細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，減少硫酸鹽引起的膨脹，有效地改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性。同時(shí)由于粉煤灰顆粒呈圓球狀，加入到混凝土中能起到潤滑作用，顯著地改善混凝土的和易性、減少干縮、增加后期強(qiáng)度、增強(qiáng)抗?jié)B及抗硫酸鹽性能。粉煤灰的細(xì)度對混凝土強(qiáng)度有很大影響，細(xì)灰中含有大量火山灰活性的玻璃微珠，摻入混凝土后與水泥中的Ca(OH)2反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)且微珠均勻地分布于水泥漿體中，增加漿體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度但不改變混凝土的均勻性，填充并細(xì)化了混凝土的空隙和毛細(xì)孔；而顆粒較粗的粉煤灰多為海綿狀多孔體、珠連體和沒燒透的碳粒，其強(qiáng)度低、活性小，用于拌制混凝土不但增加水泥漿體中的疏松顆粒，還增加用水量，對混凝土有不良影響。

降低Ca3A1O2及Ca(OH)2的含量

從硫酸鹽侵蝕的機(jī)理可知，要生成鈣釩石必須有水化鋁酸鈣，而水化鋁酸鈣是Ca3A1O2的水化產(chǎn)物。用粉煤灰取代部分水泥，對混凝土中總的Ca3A1O2含量有一定的稀釋作用且消耗大量Ca(OH)2，降低混凝土中的堿度，這就使生成鈣釩石和鈣釩石穩(wěn)定存在的難度增加，減少了鈣釩石等膨脹性物質(zhì)的產(chǎn)生，增強(qiáng)了混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

減少溫度裂縫

由于粉煤灰水化速度慢，混凝土水化過程中釋放出的熱量容易散發(fā)出去，從而減少溫度裂縫，改善了混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，這對大體積工程尤其重要。

結(jié)語

實(shí)踐證明，普通硅酸鹽水泥摻加粉煤灰不僅滿足混凝土抗硫酸鹽侵蝕的要求，而且大大降低施工成本且給施工帶來了方便，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為以后遇到類似的問題找到了行之有效地解決方法。

［1］張亞梅，秦鴻根，孫偉，等.再生混凝土配合比設(shè)計(jì)初探[J].混凝土與水泥制品，2002，（1）：7-9.

［2］邢振賢，周曰農(nóng).再生混凝土的基本性能研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，19（2）:30-32.