摘要：通過試驗的方法對FA 結合Cl-的機理進行的研究。試驗結果說明：粉煤灰作為摻合料等量取代部分水泥，能夠增強對氯離子的化學結合能力與物理吸附能力。參加水化的粉煤灰生成了更多可以與Cl-產(chǎn)生化學反應水化鋁酸鹽相及其衍生物，并通過改善混凝土孔結構與孔隙率來提高物理吸附能力，另外未水的粉煤灰顆粒由于其自身的特點，也能吸附部分Cl-，從而降低了混凝土中游離Cl-的濃度，延緩了鋼筋被銹蝕的時間。
關鍵詞：機理；結合；粉煤灰
在海洋環(huán)境、使用除冰鹽的道橋工程及鹽湖和鹽堿地區(qū)域，滲入混凝土中的Cl-是造成混凝土中鋼筋銹蝕的主要原因，而鋼筋腐蝕又是造成鋼筋混凝土結構破壞最重要的原因之一，這往往決定了混凝土結構的使用壽命，是混凝土結構耐久性的重要問題。滲入混凝土中的Cl-在混凝土中有三種存在形式：一種是與水泥中C3A 的水化產(chǎn)物水化鋁酸鹽相及其衍生物反應生成低溶性的單氯鋁酸鈣3CaO. Al2O3.CaCl2.10H2O，即所謂Friede 鹽[1]，稱為Cl-的化學結合；另一種是被吸附到水泥水化產(chǎn)物中或未水化的礦物組分中，稱作Cl-的物理吸附；第三種是Cl-以游離的形式存在于混凝土的孔溶液中，被混凝土組分材料結合的Cl-基本上不會對鋼筋構成危害，只有殘留在混凝土孔隙液中的游離Cl-才會對鋼筋造成破壞。因此,混凝土對Cl- 的結合能力顯得尤其重要。目前雖然有關混凝土組分材料對Cl-結合能力的研究論文較多，但就礦物功能材料本身對Cl- 的結合能力機理方面的研究很少，故本文對此進行了專門研究。本文在參考了大量資料的情況下，對粉煤灰摻入混凝土后對Cl-結合的機理進行了研究。
1 試驗設計
1.1 原材料
水泥（簡稱C）：湖南湘鄉(xiāng)水泥股份有限公司生產(chǎn)，強度等級為42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰（簡稱FA）：湖南湘潭電廠生產(chǎn)的風選I 級粉煤灰，其物理性質見表2；硅灰（簡稱SF）：西北鐵合金廠生產(chǎn)；砂：湖南湘江河砂，中砂，細度模數(shù)為2.7，II 區(qū)級配合格；外加劑：湘潭市潭建減水劑廠，TJ 系列高效減水劑；水：蒸餾水。
試驗用原材料化學組成見表1（本文中涉及到的用量，摻量均以質量分數(shù)計）
1.2 試驗方法
由于對混凝土中Cl-的結合主要是由膠凝材料的水化產(chǎn)物及未水化的活性礦物組分所致，所以進行FA 對混凝土中Cl-結合性能機理研究時采用砂漿進行。粉煤灰等量取代水泥分別為0%、20%、30%、40%、60%，水膠比0.35，齡期28d，并按GB177－85 制成水泥砂漿，將砂漿放入φ5cm×7.5cm 的PCV 管中密封然后進行標準養(yǎng)護，以保持水灰比恒定，到28d 齡期后取出砂漿磨細。用1.25mm 和0.315mm 的篩子收集粒徑在1.25mm－0.315mm之間的顆粒，先測出不同粉煤灰摻量的水泥砂漿的水化程度,然后進行氯離子外滲法的試驗。具體試驗步驟及化學結合與物理吸附的計算方法詳見文獻（2）。水化程度，由試驗測得，即將平行試件在（105±5）°C 下烘至恒重，可得到未水化的自由水含量。由于采取密封養(yǎng)護，水灰比可認為恒定，根據(jù)水灰比就可以計算出單位水泥的耗水量，假定單位水泥需水量為0.25。
2 試驗結果及分析
粉煤灰摻量對結合Cl-性能如圖1 所示。由圖1 可知，與不摻FA 的基準試件相比較，粉煤灰在20%～60%范圍內時，砂漿對Cl-總結合量、化學結合量以及物理吸附量逐漸增加，這因為粉煤灰主要成分是活性Al2O3 和SiO2，作為摻合料加入水泥后，水泥熟料水化后生成的Ca(OH)2 作為堿性激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰水化，生成較多的水化鋁酸鹽相及其衍生物等水化產(chǎn)物并和Cl-反應生成Friede鹽，這樣增強了砂漿對Cl-化學結合能力。但是當FA 摻量為20%、30%時，由于FA 對Cl-的物理吸附能力低于基準試件導致FA 對Cl-總的結合量少于基準試件，這種結果可能是由于粉煤灰摻量在20%～30%時，粉煤灰摻入對Cl-固化的正面效應未能超過由于粉煤灰的摻入引起的28d 時膠凝材料水化程度降低造成的單位質量C-S-H凝膠較少所造成的負面效應所引起的。
硅酸鹽水泥混凝土中，化學結合氯化物的主要成分是水泥的C3A 相。C3A 相首先與硫酸鹽反應生成鈣礬石（ 硫鋁酸鈣）， 然后與氯化物反應生成低溶性的單氯鋁酸鈣3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O,即所謂費氏鹽（Friedel 鹽）。同時，水泥的C4AF 相也會與氯化物生成類似的3CaO·Fe2O3·CaCl2·10H2O，但前者的結合能力遠大于后者。水泥中C3A含量越高，水泥用量越高，氯化物就結合得越多，越有利于保護鋼筋。而FA 中Al2O3 的含量比水泥高的多，等量取代水泥后，二次水化反應生成的硫鋁酸鈣比不摻FA 的要多，這樣就生成的更多的Friedel 鹽，提高的化學結合的能力。
對氯離子的物理吸附主要是通過雙電層來完成的[3]。固體表面帶相反電荷的離子并不是完全正確的排列在一個面上，而是有一定的濃度分布，其電荷分布如圖2 所示。雙電層分為兩部分：一部分緊靠固體表面的不流動層，稱為緊密層，其中包含了被吸附的離子和部分過剩的異電離子，其厚度δ 約為幾個水分子大?。毫硪徊糠謴腁B 到CD，稱為漫散雙電層，在這個層中過剩的異電離子逐漸減少為零，這一層是可流動的。雙電層存在電位差ζ，對異電離子有影響。ζ 絕對值的大小與異電離子在雙電層中的分布有關。異電離子分布在緊密層越多，則ζ 電位絕對值越小，如果在外界環(huán)境加入電解質，離子濃度增大，電解質中與異電離子符號相同的離子會把異電離子擠入緊密層，這樣，緊密層的異電離子就會增加，而漫散層內過剩的異電離子則會減少，漫散層變薄，ζ 電位降低。如圖3 所示?？梢钥闯?，漫散層被壓縮后，總電位Φ 仍保持不便，而ζ 電位隨之降低，雙電層的厚度d 也隨之降低。
膠凝材料的水化產(chǎn)物能有選擇的吸附一些帶電離子和部分過剩的異電離子，形成緊密層，總電位為Φ。在漫散層里吸附另一部分過剩異電離子，其電位為ζ，這便在混凝土的水化產(chǎn)物中形成了雙電層。對于混凝土周圍的海水，海水中的氯離子會擴散進混凝土的孔液中。
擴散進來的氯離子相當于圖3 的電解質。氯離子會把異電離子擠入混凝土水化產(chǎn)物所形成的雙電層的緊密層，使雙電層的厚度d 和電位ζ 都減少。但是，這種過程必然會受到雙電層的電荷斥力，從而阻擋了氯離子向混凝土的深層擴散，減緩了氯離子擴散進混凝土的速度。顯然，這種斥力與氯離子距緊密層的遠近有密切的關系。距離越近，氯離子受雙電層的電荷排斥力就越大，擴散就困難。距離越遠電荷斥力弱，擴散就相對容易。當氯離子在雙電層厚度d 以外，雙電層的電位ζ 為0，則雙電層對氯離子擴散的影響就相當弱。在固液界面上形成的雙電層間還會產(chǎn)生一種相互斥力，即當兩個平行的雙電層相互靠近時，它們之間會產(chǎn)生排斥作用。
對氯離子的物理吸附主要是通過雙電層來完成的。擴散進混凝土的氯離子勢必會擠入緊密層或漫散層，游離的氯離子通過電荷作用穩(wěn)定下來，形成了新的相對穩(wěn)定的雙電層。這一方面對氯離子的擴散起了阻礙作用，另一方面對氯離子產(chǎn)生了物理吸附作用，降低了混凝土孔液中游離氯離子濃度，延長了混凝土的使用壽命。但是這種物理吸附畢竟是靠電荷引力來維持平衡的。這種電荷引力相對較弱，容易被破壞，隨著混凝土使用壽命的增長，擴散進來的氯離子越來越多，而能擠入緊密層的異電離子是有限的，雙電層對氯離子的這種吸附能力會越來越弱。但是，當混凝土的孔隙結構細化，孔徑分布趨于優(yōu)化，則這種物理吸附作用是相對持久的?；炷林袚饺隖A 能夠是混凝土結構孔結構細化，孔徑分布合理，因此能有效提高物理吸附能力。
試驗結果還發(fā)現(xiàn)，隨FA 摻量的增加，試件對Cl-的物理吸附能力比化學結合能力提高快，且28d 時，隨FA 摻量增加，膠凝材料水化程度逐漸降低。這說明水泥中的粉煤灰仍有部分粉煤灰顆粒未能水化，由于粉煤灰顆粒具有較大的比表面積和空心結構，且較大的粉煤灰顆粒內部具有空腔，空腔通過氣孔與表面連接，粉煤灰內部對Cl-的吸附就在粉煤灰球體的表面和粉煤灰的內部空腔相同時進行，這樣就增加了吸附的有效面積，物理吸附的能力增強了，見圖4，在對摻FA 的膠凝材料水化產(chǎn)物用SEM 觀察時發(fā)現(xiàn)大量未水化的FA 顆粒，且部分FA 顆粒表面有氣孔和內部相連或是表面破碎，這樣都增大了FA 對Cl-物理吸附的有效面積。另據(jù)文獻[5]的研究，F(xiàn)A 顆粒本身就有一定的物理吸附Cl-的能力。
3 結論
粉煤灰作為摻合料等量取代部分水泥，能夠增強對氯離子的化學結合能力與物理吸附能力。參加水化的粉煤灰生成了更多可以與Cl-產(chǎn)生化學反應水化鋁酸鹽相及其衍生物，并通過改善混凝土孔結構與孔隙率來提高物理吸附能力，另外未水的粉煤灰顆粒由于其自身的特點，也能吸附部分Cl-，從而降低了混凝土中游離Cl-的濃度，延緩了鋼筋被銹蝕的時間。
參考文獻
[1] 王紹東,黃熤鑌,王智.水泥組分對混凝土結合氯離子能力的影響[J].硅酸鹽學報，2000,28(6) ：570-574.
[2] Tang L, Nilsson L. Chloride binding capacity and binding isotherm of OPC
pastes and mortars [J]. Cement and Concrete Research, 1993,23(2) ：247-253
[3]羅睿,蔡躍波,王昌義等.磨細礦渣抗氯離子侵蝕性能的機理研究[J].土木工程學報,2002,35(6):100～104.
[4]物理化學（第二版）[M].北京：高等教育出版社。1992
[5]馬保國.海洋高性能混凝土（MHPC）的研究[D].武漢：武漢理工大學，2000
作者：中南大學 土木建筑學院 馬昆林
湖南同人置業(yè)股份有限公司 唐湘輝
