第一章 绪论
引言
粉煤灰作为混凝土掺合料用于土木工程领域是目前利用的主要途径之一。它作为人工火山灰质材料，在混凝土中作为掺合料，不仅能大量节约水泥．还能有效改善混凝土性能、提高工程质量和降低工程成本。不仅经济效益明显，还具有其它材料无法替代的技术优势，特别是其使用量大，对环境无不利影响，也是解决粉煤灰对环境影响最为根本的途径。
然而不充分了解粉煤灰的特性，同样可能会造成不恰当的使用，这样不但不利于改善混凝土性能甚至还会降低混凝土的性能。大量的研究与应用结果表明，在混凝土中正确使用粉煤灰，将能明显改善混凝土的一些性能。掺粉煤灰混凝土的工作性能包括需水量、坍落度、坍落度损失、泌水及离析等。粉煤灰对混凝土工作性能的改善，主要是通过其中的玻璃微珠及细小颗粒的形态效应及微集料效应进行的。这种改善作用主要表现在与工作性能相同的等效混凝土浆体对比上。
由于二次水化反应中的高性能矿物粉吸收大量的Ca(OH)2晶体，使混凝土界面区的Ca(OH)2晶体减小，胶料与集料界面粘结强度得到改善。另外，Ca(OH)2大量被吸走，促进了C3S和C2S的反映速度而导致混凝土早期强度增长加快，后期强度也因高性能矿物粉不断掺与水化继续提高。同时，碱性储备减低，液相碱度降低。
空气中CO2气渗透到混凝土内，与混凝土中碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化，又称作中性化，其化学反应为：Ca（OH）2+CO2＝CaCO3＋H2O。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用，使钢筋表面生成难溶的Fe2O3和Fe3O4，称为纯化膜。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。可见，混凝土碳化作用一般不会直接引起其性能的劣化，对于素混凝土，碳化还有提高混凝土耐久性的效果，但对于钢筋混凝土来说，碳化会使混凝土的碱度降低，同时，增加混凝土孔溶液中氢离子数量，因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱，出现钢筋锈蚀露筋现象，降低了结构强度和刚度。
第二章试验研究
在水灰比相同的情况下，粉煤灰混凝土的坍落度比无粉煤灰的坍落度明显小．理论上是粉煤灰的主要矿物成分是玻璃体，这些球形玻璃体表面光滑、粒度细、质地致密、内比表面积小、对水的吸附力小，这些物理特性不仅使水泥浆体需水量小，而且它们往往填充水泥浆体孔隙中，使混凝土密实性增大．改善了混凝土和易性．本实验是采用粉煤灰是II级品，由于煤种、燃烧情况及细度不同，对浆体流动性的影响也不同。有的粉煤灰取代部分水泥后，浆体流动性增加；有的粉煤灰反而使浆体流动性降低。
若粉煤灰为等量取代
粉煤灰取代水泥量为10％～40％时，随着粉煤灰取代水泥量的增加，混凝土拌合物的坍落度呈上升趋势。这主要得益于粉煤灰的形态效应，即粉煤灰是由大小不等的球状玻璃体组成，其表面光滑致密，在混凝土拌合物中起润滑作用；同时，粉煤灰颗粒粒径比水泥颗粒粒径小，粉煤灰微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，阻止了水泥颗粒粘聚，使滞留于水泥颗粒之间的部分拌和水释放出来…1，从而改善了混凝土拌合物的坍落度。
当粉煤灰取代水泥量超过40％以后，坍落度降低，这是由于较大的粉煤灰比例意味着体系中细粉比例增加，细粉颗粒的比表面积大…，需水量大，导致混凝土拌合物粘稠性增加。但此时的坍落度仍然高于未掺粉煤灰混凝土的坍落度，这说明粉煤灰取代水泥量在10％～50％范围内，粉煤灰对混凝土拌合物的坍落度始终有改善作用。 摘自（粉煤灰对混凝土坍落度影响的试验研究，研究人员：程红云，张伟，郭晗，袁光英，赵文）
综述结论：
（1）不同品质的粉煤灰，取代水泥量相同时，混凝土拌合物坍落度不同。
（2）粉煤灰取代水泥量在10％～50％范围内，粉煤灰对混凝土拌合物的坍落度始终有改善作用
（3）粉煤灰取代水泥量在10％～50％范围内，粉煤灰对混凝土拌合物的坍落度经时损失始终有改善作用。
（4）粉煤灰超量取代时，随着粉煤灰取代水泥量的增加，随着取代系数的增加，混凝土拌合物的坍落度呈下降趋势；随着粉煤灰取代水泥量及取代系数的增加，混凝土拌合物的坍落度经时损失呈上升趋势。
第三章 碳化
3.1 粉煤灰混凝土碳化：
据了解大部分钢筋混凝土结构破坏主要是由于其内部钢筋锈蚀，而导致其钢筋锈蚀的主要原因是因为混凝土保护层的碳化从而导致了其碱度降低，使得钢筋表面的钝化膜破坏了，所以钢筋逐渐被锈蚀。
3.2 碳化机理：
空气中的二氧化碳等酸性气体渗透到混凝土内，与其碱性物质起化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程成为混凝土碳化，其化学反应为Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O 如前所述，水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作 用。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过保护层厚度使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈了。对于钢筋混凝土来说，碳化会使钢筋锈蚀，此时产生体积膨胀，致使混凝土保护层产生开裂，开裂后的混凝土更有利于二氧化碳、水、氧等有害介质的进入，加剧了碳化的进行和钢筋的锈蚀，最后导致混凝土产生顺着钢筋开裂而破坏。另外，碳化作用会增加混凝土的收缩，引起混凝土表面产生拉应力而出现微细裂缝，从而降低混凝土的抗拉、抗折强度及抗渗能力。
碳化作用对混凝土也有一些有利影响，即碳化作用产生的碳酸钙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，从而可提高混凝土碳化层的密实度，对提高抗压强度有利。
3.3 影响碳化速度的主要因素有：
环境中的二氧化碳的浓度、水泥品种、水灰比、环境湿度，温度等。二氧化碳浓度高（如铸造车间），碳化速度快；水灰比小的混凝土较密实，二氧化碳和和水不易侵入，碳化速度就减慢；掺混合材料的水泥碱度较低，碳化速度随混合材料掺量的增多而加快。
影响碳化的最主要因素是混凝土本身的密实性和碱性储备的大小，即混凝土的渗透性及其Ca（OH）2碱性物质含量的大小。可以说，若混凝土的空隙率越小、渗透性越差，密实性越高，Ca（OH）2含量越大，则混凝土的抗碳化性能越好；反之，则越差。但是，影响混凝土密实性及其碱性储备的因素十分复杂。
环境介质的相对湿度也直接影响混凝土的润湿状态和抗碳化性能。在大气非常潮湿，其相对湿度大于80％或100%的情况，混凝土毛细管处于相对的平衡含水率或饱和状态，使其气体渗透性大大降低，使混凝土碳化速度大大降低或者停止；在相对湿度为0-45%的条件下，混凝土处于干燥或含水率非常低的状态，空气中的CO2无法溶解于毛细管水或是溶解量非常有限，使之不能与碱性溶液发生反应，因而混凝土碳化也无法进行；试验证明，当周围介质的相对湿度为50-70%时，混凝土碳化速度最快。所以，在我国GBJ83—85标准中，规定混凝土快速碳化时介质的相对湿度应控制在70±5%。因此，试验前试件必需经过干燥处理，使其含水的润湿状态与环境介质的相对湿度相适应。
环境温度对混凝土的碳化速度影响也是很大的，和一般的化学反应一样，其碳化速度与温度几次方程成正比。但对混凝土碳化来说，情况却比一般化学反应复杂得多。这主要是因为CO2和Ca（OH）2在水中的溶解度是与介质温度成反比的。所以说，随着温度的提高，碳化速度加快，主要是用CO2在空气中扩散系数随温度的提高而增加来解释。但从目前国内外的资料看来，温度对混凝土碳化的影响研究较少，尚给不出具体量的概念。根据苏联C.H.阿列克西耶夫的资料说明,当空气相对湿度为75%,温度从22℃提高到40℃时,碳化大大加速,若温度再提高,则整个碳化过程将至为剧烈。温度与压力周期性的变化，也将加速碳化。所以与国外的有关标准一样，我国国家标准规定，混凝土快速碳化应在20±3℃条件下进行。
3.4 实际工程中，为减少碳化作用对钢筋混凝土结构的不利影响，可采取以下措施：
1.在钢筋混凝土结构中采用适当的保护层，使碳化深度在建筑物设计年限内达不到钢筋表面。
2.根据工程所处环境及使用条件，合理选择水泥品种。
3.使用减水剂，改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实度。
4.采用水灰比小，单位水泥用量较大的混凝土配合比。
5.加强施工质量控制，加强养护，保证振捣质量，减少或避免混凝土出现蜂窝等质量事故。
6.在混凝土表面涂刷保护层，防止二氧化碳侵入等。
3.5 粉煤灰混凝土耐久性改善的机理
粉煤灰是火山灰质材料，具有三种基本效应，这三种效应显著地影响粉煤灰混凝土的耐久性。
1.形貌效应
粉煤灰的主要矿物组成是玻璃体，这些球形玻璃体表面光滑、粒度细、质地致密、内比表面积小、对水的吸附力小，这些物理特性不仅使水泥浆体需水量小，而且它们往往填充水泥浆体孔隙中，使混凝土密实性大大提高，由于需水量小，粉煤灰混凝土干缩性小，固抗裂性好。
2.火山灰效应
高性能矿物粉中的活性SiO2、Al2O3与水泥水化生成的Ca（OH）2反应，生成稳定的水化硅酸钙（C-S-H）及水化铝酸钙（C-A-H），降低Ca（OH）2的浓度，减少了大晶格的Ca（OH）2的形成，同时由于二次水化反应中高性能矿物粉吸收大量的Ca（OH）2晶体，使混凝土界面区的Ca（OH）2晶体减少，胶料与集料界面的粘结强度得到改善。另外，Ca（OH）2被大量吸收，促进了C3S和C2S的反应速度而导致混凝土早期强度增长加快，后期强度也因高性能矿物粉不断参与水化而继续提高。上述反应几乎都在水泥孔隙中进行，大大降低了混凝土内部的孔隙，改变了孔的结构，从而提高了混凝土的密实性。
3．填充效应
粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，不仅能够填充水泥颗粒间的空隙，而且能改善胶料的颗粒级配，并增加水泥胶体的密实度。另外，粉煤灰与Ca（OH）2生成的C-S-H胶凝体填充于毛细孔内，使毛细孔变细或变为不连通的毛细孔，增加了水泥石结构的致密程度，混凝土总孔隙率降低、孔结构变小、有害孔减少，混凝土强度随之提高。
粉煤灰的三种基本效应，使混凝土的密实性大大提高，从而改善了混凝土的抗冻性、抗渗性，减缓了混凝土的碳化作用，并提高了混凝土抗氯离子侵蚀作用，有利于保护钢筋不锈蚀。
3.6 试验研究：粉煤灰掺量对碳化的影响
粉煤灰的掺量越高其抗碳化性能越差。其原因是由于粉煤灰是一种火山灰质材料，具有一定活性，它会与水泥水化后的氢氧化钙相结合，使混凝土的碱度降低，从而减弱了混凝土的抗碳化性能。混凝土的碱度与渗透性是影响其碳化速率的两个本质因素。火山灰反应虽然消耗了混凝土中熟料水化所产生的氢氧化钙、但同时又生成水化硅酸钙，水化铝酸钙等反应产物，它们同样具有吸收二氧化碳的作用。因此，火山灰反应对混凝土的碱度并无影响，而火山灰反应却使混凝土的孔隙率降低、孔径细化、曲折度增加，从而显著提高强度与抗渗性。28d等强度的粉煤灰混凝土碳化速率高于基准混凝土的重要原因之一，是由于取代水泥后熟料数量减小，碱度降低。随着龄期延长，火山灰反应不断增强，达到一定龄期时，抗渗性的提高弥补了碱度的不足，掺粉煤灰混凝土的碳化速率就可能与同龄期的基准混凝土相同，甚至比后者更小。这一龄期的长短与水泥品种和被取代量、粉煤灰品质与掺量、环境温度、湿度等多种因素有关。在实际工程中，由于大气中的二氧化碳浓度极低，碳化进程十分缓慢，掺粉煤灰混凝土的抗碳化能力有可能随着火山灰反应程度的不断提高，而得到较好的改善。
掺入少量的粉煤灰取代水泥，对混凝土的碳化影响不是很明显，但随着掺量的增大混凝土抗碳化性能减小，碳化程度明显。混凝土掺用粉煤灰，对节约水泥、改善混凝土的某些性能有很大作用。但由于粉煤灰是一种火山灰质材料，具有一定活性，它会与水泥水化后的氢氧化钙相结合，使混凝土的碱度降低，从而减弱了混凝土的抗碳化性能。根据研究表明当掺量小于40%左右时其混凝土的抗碳化性能较好。