贺素仁， 詹炳根， 周 安， 周万良

（1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学 安徽土木工程结构与材料省级实验室，安徽 合肥 230009）

0 引 言

泛霜是在混凝土和水泥砂浆制品的表面形成的一种白色毛絮状物质。泛霜对建筑物的使用和外观影响很大，严重的泛霜还会影响混凝土结构的力学性能和耐久性［1－2］。研究表明，粉煤灰对泛霜有较好的抑制作用。文献［3］发现CaCO3是泛霜的最典型相；文献［4］在对硫酸盐的风化研究中认为粉煤灰能够抑制硫酸盐引起的泛霜是由于孔结构的细化，但没有分析具体原因；文献［5］认为粉煤灰与Ca（OH）2发生反应形成凝胶，凝胶吸附了大量的Na＋，从而抑制硫酸钠和碳酸钠的析出。

本文通过给定的环境温度和相对湿度条件，模拟泛霜发生的过程，对泛霜组分、数量及硬化水泥浆孔结构进行分析，研究粉煤灰对泛霜的抑制效果及作用机理。

1 试验

1.1 试验原材料

选用铜陵水泥厂产的525＃纯硅酸盐水泥，其化学组分、矿物组成见表1和表2所列；南京华能Ⅰ级超细粉煤灰（FA），其化学成分见表1所列； 拌合水为去离子水。

表1 水泥和粉煤灰化学组分及其质量分数 %

表2 水泥矿物组成及其质量分数 %

1.2 试验方案

1.2.1 试件制备

成型水泥浆，水胶比0.45，内掺不同量的粉煤灰替代水泥。粉煤灰掺量以及试件标号分别为：0（粉煤灰掺量为0）、FA1（粉煤灰掺量为10%）、FA2（粉煤灰掺量为20%）、FA3（粉煤灰掺量为30%）。

在温度为（20±2）℃，相对湿度为（50±5）%的环境下，成型水泥浆试件。试件尺寸为40mm×40mm×40mm。按照文献［6］进行搅拌、装模。试件成型后24h脱模，置于温度20℃，相对湿度95%的标准恒温恒湿箱养护。7d后进行泛霜试验。

1.2.2 泛霜试验

将试样顶面或有孔洞的面朝上分别置于浅盘中，往浅盘中注入蒸馏水，水面高度与试件上表面平行。用透明材料覆盖在浅盘上，并将试样暴露在外面，记录时间。试样浸在盘中的时间为7d，开始2d内经常加水以保持盘内水面高度，以后则保持浸在水中即可。7d后取出试样，在同样的环境条件下放置4d，然后在（105士5）℃鼓风干燥箱中干燥至恒量取出冷却至常温。记录干燥后的泛霜程度。7d后开始记录泛霜情况，每天1次。

1.2.3 泛霜分析

参照文献［7］对试件泛霜情况进行拍照，采用图像分析软件Image－ProPlus6.0对试件表面泛霜的面积进行测量，计算泛霜面积占总面积的百分比，评价试件表面泛霜程度。

刮取试件上的泛霜，采用D／MAX2500VL／PC型X射线衍射仪（X－Ray diffractometer）进行XRD分析，确定具体组分。

采用美国贝克曼库尔特SA3100比表面和孔径分析仪进行氮吸附试验，测定孔径分布。将经过泛霜的试件从养护环境中取出，浸入无水酒精中终止水化。取出试块，放入烘箱内，在60℃下烘24h，取出试块，去除试件表面杂质进行分析。

2 试验结果与分析

2.1 试件泛霜XRD分析

试件泛霜的XRD分析如图1所示，从图1可以看出，试件表面泛霜的成分主要为CaCO3、Ca（OH）2，还有 Na2SO4、K2SO4等一些盐类物质。Ca（OH）2是水泥水化产物，CaCO3由Ca（OH）2和空气中CO2反应生成。水泥中的Na2O、K2O通过水化作用分离出来形成强碱NaOH和KOH，对CaCO3的形成起重要作用［3］。另外，水泥中含有Na2SO4、K2SO4等碱盐，这些水溶性盐类随水分迁移至表面，蒸发后在试件表面形成泛霜。

图1 试件泛霜的XRD分析

2.2 试件表面泛霜数量以及试件强度

试件表面泛霜数量及试件抗压强度见表3所列。

表3 试件泛霜数量以及试件抗压强度

由表3可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，试件的抗压强度小幅提高，泛霜趋势得到了有效的抑制。粉煤灰掺量为0%～10%时，泛霜数量缓慢降低；在10%～20%时，泛霜变化最为明显；直到20%～30%，泛霜数量的趋势又变得较为缓和。在加入30%的粉煤灰试件中，泛霜数量仅为22.9%，比0号试件降低了近70%，抑制效果明显。在掺量较低的情况下，粉煤灰对泛霜的抑制作用是有限的。掺量提高虽然可以抑制泛霜，却不能完全消除。

结合泛霜数量以及泛霜成分分析，可以认为粉煤灰抑制泛霜主要是减少了Ca（OH）2的析出以及相应地降低CaCO3的生成。粉煤灰具有很强的火山灰效应，与水泥水化产生的Ca（OH）2反应生成大量的低Ca／Si凝胶，而且在水化过程中一部分铝固溶到 C－S－H 凝胶中形成 C－A－S－H凝胶［8］，消耗了水化产物 Ca（OH）2。同时，低Ca／Si凝胶吸收孔溶液中的Na＋、K＋离子，降低了孔溶液的碱度，CO2溶到水中与Ca2＋发生反应形成CaCO3的过程受到抑制。

2.3 试件孔结构分析

通过氮吸附法得出不同粉煤灰掺量试件氮吸附－脱附等温线如图2所示。

从图2中可以看出，试件0、FA1、FA2、FA3的氮吸附－脱附等温线均存在毛细孔凝结引起的“磁滞回线”现象，表明4个试件中均有连通中孔或窄缝孔存在。在所有的相对压力范围内，随着粉煤灰掺量的增加，试件的吸附量明显减少，同时“磁滞回线”也越来越不明显，由此可以看出，4个试件的孔结构存在很大差异。粉煤灰的掺入，明显地改变了硬化水泥浆的孔结构。高掺量粉煤灰硬化水泥浆体具有更细小和均匀的孔结构。

图2 试件氮吸附－脱附等温线

根据孔径（d）把孔隙划分为4个等级［9］，d＜20nm为无害孔；d＝20～50nm为少害孔；d＝50～100nm为有害孔；d＞100nm为多害孔。

依据Mehta对孔径的分布，不同粉煤灰掺量试件的孔径分布见表4所列。

表4 试件孔径分布

从表4可以看出，粉煤灰的掺入显著地改善了硬化后水泥浆体的孔结构，大孔减少微孔增加。这与文献［10］的研究结果相一致。随着粉煤灰掺量的增加，试件的平均孔径不断减小。粉煤灰掺量为10%，试件的平均孔径为16nm，当粉煤灰掺量达到20%时，平均孔径直线下降，只有10.9nm。粉煤灰掺量为30%时，平均孔径由原来的17.3nm减小到6.7nm，这正好与试件泛霜数量相对应。

同时，随着粉煤灰掺量的增加，小于20nm的无害孔明显增多，当粉煤灰掺量为30%时，小于20nm的孔约占73%，而大于100nm的有害孔仅为3.4%。

结合掺有粉煤灰试件的泛霜情况和孔结构分析来看，影响试件泛霜的主要孔径为2～50nm。试件孔径分布的比例与泛霜数量之间存在着一定的关系。小于50nm的孔的比例越大，试件泛霜数量越小。粉煤灰由于其微集料效应，大量细小的粉煤灰颗粒填充在熟料矿物的水化产物孔隙中，将原来的大孔分割为很多细小且互不连通的小孔，提高了硬化水泥浆体的密实度［5］，从而阻断了盐碱的析出，抑制了泛霜。

3 结束语

粉煤灰对泛霜有很好的抑制效果。低掺量抑制作用较小，随着粉煤灰掺量的增加，抑制效果变得明显，但不能完全消除泛霜。粉煤灰的火山灰效应以及微集料效应，降低了孔溶液的碱度，细化了结构孔径，有效地抑制了泛霜。

［1］ 秦麟卿，谢济仁.析霜对混凝土的破坏与防治［J］.混凝土，1999（6）：42－45.

［2］ 尤征文，张德琛.彩色混凝土地面砖返霜的抑制［J］.混凝土，1991（4）：50－52.

［3］ Dow C，Glasser F P.Calcium carbonate efflorescence on portlant cement and building materials［J］.Cement and Concrete Research，2003，33（7）：147－154.

［4］ Nehdi M，Hayek M.Behavior of blended cement mortars exposed to sulfate solutions cycling in relative humidity［J］.Cement and Concrete Research，2005，35（7）：731－742.

［5］ Hong S Y，Glasser F P.Alkali sorption by C－S－H and C－AS－H gels：partⅡ，role of alumina［J］.Cement and Concrete Research，2002，32（7）：1101－1111.

［6］ GB／T 1346－2001，水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法［S］.

［7］ 张 星.干粉砂浆泛碱抑制研究［D］.北京：北京工业大学，2008.

［8］ 王 荃，詹炳根，杨 磊，等.粉煤灰抑制ASR的机理分析［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（4）：549－552.

［9］ Metha P K.Concrete structure，properties and materials［M］.Upper Saddle River，N J：Prentice－Hall，1993：26－35.

［10］ 施惠生，方泽锋.粉煤灰对水泥浆体早期水化和孔结构的影响［J］.硅酸盐学报，2004，32（1）：95－98.