粉煤灰對硬化水泥漿泛霜的抑制作用

賀素仁， 詹炳根， 周 安， 周萬良

（1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學 安徽土木工程結構與材料省級實驗室，安徽 合肥 230009）

0 引 言

泛霜是在混凝土和水泥砂漿制品的表面形成的一種白色毛絮狀物質。泛霜對建筑物的使用和外觀影響很大，嚴重的泛霜還會影響混凝土結構的力學性能和耐久性［1－2］。研究表明，粉煤灰對泛霜有較好的抑制作用。文獻［3］發現CaCO3是泛霜的最典型相；文獻［4］在對硫酸鹽的風化研究中認為粉煤灰能夠抑制硫酸鹽引起的泛霜是由于孔結構的細化，但沒有分析具體原因；文獻［5］認為粉煤灰與Ca（OH）2發生反應形成凝膠，凝膠吸附了大量的Na＋，從而抑制硫酸鈉和碳酸鈉的析出。

本文通過給定的環境溫度和相對濕度條件，模擬泛霜發生的過程，對泛霜組分、數量及硬化水泥漿孔結構進行分析，研究粉煤灰對泛霜的抑制效果及作用機理。

1 試驗

1.1 試驗原材料

選用銅陵水泥廠產的525＃純硅酸鹽水泥，其化學組分、礦物組成見表1和表2所列；南京華能Ⅰ級超細粉煤灰（FA），其化學成分見表1所列； 拌合水為去離子水。

表1 水泥和粉煤灰化學組分及其質量分數 %

表2 水泥礦物組成及其質量分數 %

1.2 試驗方案

1.2.1 試件制備

成型水泥漿，水膠比0.45，內摻不同量的粉煤灰替代水泥。粉煤灰摻量以及試件標號分別為：0（粉煤灰摻量為0）、FA1（粉煤灰摻量為10%）、FA2（粉煤灰摻量為20%）、FA3（粉煤灰摻量為30%）。

在溫度為（20±2）℃，相對濕度為（50±5）%的環境下，成型水泥漿試件。試件尺寸為40mm×40mm×40mm。按照文獻［6］進行攪拌、裝模。試件成型后24h脫模，置于溫度20℃，相對濕度95%的標準恒溫恒濕箱養護。7d后進行泛霜試驗。

1.2.2 泛霜試驗

將試樣頂面或有孔洞的面朝上分別置于淺盤中，往淺盤中注入蒸餾水，水面高度與試件上表面平行。用透明材料覆蓋在淺盤上，并將試樣暴露在外面，記錄時間。試樣浸在盤中的時間為7d，開始2d內經常加水以保持盤內水面高度，以后則保持浸在水中即可。7d后取出試樣，在同樣的環境條件下放置4d，然后在（105士5）℃鼓風干燥箱中干燥至恒量取出冷卻至常溫。記錄干燥后的泛霜程度。7d后開始記錄泛霜情況，每天1次。

1.2.3 泛霜分析

參照文獻［7］對試件泛霜情況進行拍照，采用圖像分析軟件Image－ProPlus6.0對試件表面泛霜的面積進行測量，計算泛霜面積占總面積的百分比，評價試件表面泛霜程度。

刮取試件上的泛霜，采用D／MAX2500VL／PC型X射線衍射儀（X－Ray diffractometer）進行XRD分析，確定具體組分。

采用美國貝克曼庫爾特SA3100比表面和孔徑分析儀進行氮吸附試驗，測定孔徑分布。將經過泛霜的試件從養護環境中取出，浸入無水酒精中終止水化。取出試塊，放入烘箱內，在60℃下烘24h，取出試塊，去除試件表面雜質進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 試件泛霜XRD分析

試件泛霜的XRD分析如圖1所示，從圖1可以看出，試件表面泛霜的成分主要為CaCO3、Ca（OH）2，還有 Na2SO4、K2SO4等一些鹽類物質。Ca（OH）2是水泥水化產物，CaCO3由Ca（OH）2和空氣中CO2反應生成。水泥中的Na2O、K2O通過水化作用分離出來形成強堿NaOH和KOH，對CaCO3的形成起重要作用［3］。另外，水泥中含有Na2SO4、K2SO4等堿鹽，這些水溶性鹽類隨水分遷移至表面，蒸發后在試件表面形成泛霜。

圖1 試件泛霜的XRD分析

2.2 試件表面泛霜數量以及試件強度

試件表面泛霜數量及試件抗壓強度見表3所列。

表3 試件泛霜數量以及試件抗壓強度

由表3可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗壓強度小幅提高，泛霜趨勢得到了有效的抑制。粉煤灰摻量為0%～10%時，泛霜數量緩慢降低；在10%～20%時，泛霜變化最為明顯；直到20%～30%，泛霜數量的趨勢又變得較為緩和。在加入30%的粉煤灰試件中，泛霜數量僅為22.9%，比0號試件降低了近70%，抑制效果明顯。在摻量較低的情況下，粉煤灰對泛霜的抑制作用是有限的。摻量提高雖然可以抑制泛霜，卻不能完全消除。

結合泛霜數量以及泛霜成分分析，可以認為粉煤灰抑制泛霜主要是減少了Ca（OH）2的析出以及相應地降低CaCO3的生成。粉煤灰具有很強的火山灰效應，與水泥水化產生的Ca（OH）2反應生成大量的低Ca／Si凝膠，而且在水化過程中一部分鋁固溶到 C－S－H 凝膠中形成 C－A－S－H凝膠［8］，消耗了水化產物 Ca（OH）2。同時，低Ca／Si凝膠吸收孔溶液中的Na＋、K＋離子，降低了孔溶液的堿度，CO2溶到水中與Ca2＋發生反應形成CaCO3的過程受到抑制。

2.3 試件孔結構分析

通過氮吸附法得出不同粉煤灰摻量試件氮吸附－脫附等溫線如圖2所示。

從圖2中可以看出，試件0、FA1、FA2、FA3的氮吸附－脫附等溫線均存在毛細孔凝結引起的“磁滯回線”現象，表明4個試件中均有連通中孔或窄縫孔存在。在所有的相對壓力范圍內，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的吸附量明顯減少，同時“磁滯回線”也越來越不明顯，由此可以看出，4個試件的孔結構存在很大差異。粉煤灰的摻入，明顯地改變了硬化水泥漿的孔結構。高摻量粉煤灰硬化水泥漿體具有更細小和均勻的孔結構。

圖2 試件氮吸附－脫附等溫線

根據孔徑（d）把孔隙劃分為4個等級［9］，d＜20nm為無害孔；d＝20～50nm為少害孔；d＝50～100nm為有害孔；d＞100nm為多害孔。

依據Mehta對孔徑的分布，不同粉煤灰摻量試件的孔徑分布見表4所列。

表4 試件孔徑分布

從表4可以看出，粉煤灰的摻入顯著地改善了硬化后水泥漿體的孔結構，大孔減少微孔增加。這與文獻［10］的研究結果相一致。隨著粉煤灰摻量的增加，試件的平均孔徑不斷減小。粉煤灰摻量為10%，試件的平均孔徑為16nm，當粉煤灰摻量達到20%時，平均孔徑直線下降，只有10.9nm。粉煤灰摻量為30%時，平均孔徑由原來的17.3nm減小到6.7nm，這正好與試件泛霜數量相對應。

同時，隨著粉煤灰摻量的增加，小于20nm的無害孔明顯增多，當粉煤灰摻量為30%時，小于20nm的孔約占73%，而大于100nm的有害孔僅為3.4%。

結合摻有粉煤灰試件的泛霜情況和孔結構分析來看，影響試件泛霜的主要孔徑為2～50nm。試件孔徑分布的比例與泛霜數量之間存在著一定的關系。小于50nm的孔的比例越大，試件泛霜數量越小。粉煤灰由于其微集料效應，大量細小的粉煤灰顆粒填充在熟料礦物的水化產物孔隙中，將原來的大孔分割為很多細小且互不連通的小孔，提高了硬化水泥漿體的密實度［5］，從而阻斷了鹽堿的析出，抑制了泛霜。

3 結束語

粉煤灰對泛霜有很好的抑制效果。低摻量抑制作用較小，隨著粉煤灰摻量的增加，抑制效果變得明顯，但不能完全消除泛霜。粉煤灰的火山灰效應以及微集料效應，降低了孔溶液的堿度，細化了結構孔徑，有效地抑制了泛霜。

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［7］ 張 星.干粉砂漿泛堿抑制研究［D］.北京：北京工業大學，2008.

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