粉煤灰在混凝土中的应用

　　摘要：我国的能源以燃煤为主，每年都有大量的粉煤灰排放，不仅占用土地，而且对环境造成很大的危害。由于粉煤灰对混凝土具有火山灰效应、形貌效应、填充效应等，近年来，越来越多的工程中使用粉煤灰为掺合料添加在混凝土中，使得混凝土的性能得到进一步的改善，同时降低了混凝土的成本，节约了资源。

　　关键词：粉煤灰,混凝土,作用,性能

　　一 引言

　　二十世纪七十年代，美国佛罗里达州运输局在建造跨越Tampa海湾分段预应力桥梁—阳光高架桥工程中，掺用了大量粉煤灰，工程取得了意外的成功。与此类似，我国港口工程建设部门通过试验研究，并在深圳盐田港建设过程中进行试用的基础上，于2001年颁布的交通部行业规范《海港工程混凝土防腐蚀技术规范》里规定：“在受侵蚀作用严重的环境中应采用高性能混凝土，高性能混凝土中应掺有矿物掺合料，其中粉煤灰掺量为25%～50%，磨细矿渣掺量为50%～80%，硅灰掺量为5%～10%。”

　　近些年来，掺有矿物掺合料，主要是粉煤灰的混凝土在各种结构工程中的应用日益普遍，粉煤灰混凝土的耐久性能较一般混凝土要好，其建筑物的使用寿命增加，减少了国家的经济投入。

　　二、粉煤灰对混凝土性能的改变可以分为三个阶段：

　　2.1 新拌混凝土阶段

　　2.1.1 凝结时间

　　由于粉煤灰具有火山灰的性质，混凝土中掺加粉煤灰后要推迟混凝土的凝结时间。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的凝结时间就越长。掺加粉煤灰后混凝土的用水量减少，而凝结时间则相应的延长。粉煤灰掺量为25%的混凝土的延长时间如表1所示。不同的粉煤灰对混凝土的凝结时间有不同的影响，试验所用粉煤灰为Ⅱ级灰。

　　2.1.2 和易性

　　一般常采用超量取代法设计粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土中胶凝物质—水泥和粉煤灰数量增加。粉煤灰的比重较轻，因此，相同重量的情况下，粉煤灰的体积大于水泥的体积。胶凝材料的浆体体积增加将使混凝土具有较好的可塑性和粘性，这些都将改善混凝土的和易性。

　　粉煤灰对混凝土和易性的改善还有以下几点：1)优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体，这些球状玻璃体表面光滑无棱角，性能稳定，在混凝土的泵送、振捣过程中起着一种类似于轴承的润滑作用。2)新拌混凝土中，水泥颗粒聚集成团，粉煤灰的掺入可有效的分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料，有利于混凝土工作性能的提高。3)品质良好的粉煤灰在同样的稠度下，能减少混凝土的拌和用水量，使混凝土的水灰比降到更小，减少混凝土泌水和离析的现象。

　　2.1.3 泌水性

　　混凝土中掺入粉煤灰，能弥补水泥和细集料的不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性，同时，粉煤灰作为水泥的取代材料，在同样的稠度下，会使混凝土的用水量有不同程度的降低，因而，掺用粉煤灰对改善混凝土的泌水性是有利的。

　　2.1.4 可泵性

　　粉煤灰混凝土具有良好的泵送性能。粉煤灰混凝土的保水性良好，其压力泌水值较小，初期的压力泌水率明显低于不掺粉煤灰的混凝土。由于粉煤灰在混凝土中的缓慢的水化作用，导致粉煤灰混凝土的水化热降低和水化热高峰值的推迟，以及减水剂引起的大量微小气泡所具有的阻止拌合物的沉降分层的作用，使得粉煤灰混凝土的塌落度损失明显减少。粉煤灰的球形颗粒和光滑的表面，使混凝土在泵送及振捣过程中减小了摩擦阻力，有利于混凝土在泵送时自流和在振捣时的自密。

　　2.2 硬化中的混凝土阶段

　　2.2.1 调节硬化过程

　　混凝土的硬化是混凝土终凝的延续，是混凝土强度增长的开始。粉煤灰混凝土的强度增长主要取决于粉煤灰火山灰效应，即粉煤灰中的活性组分与水泥浆体中的氢氧化钙作用生产的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙的速度与数量。但由于在氢氧化钙薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性组分反应，反应产物在层内逐级聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度，不会使强度有较大的增长。

　　随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，这就是粉煤灰混凝土早期强度增长较低，后期强度增长较高的主要原因。

　　2.2.2 降低水化热

　　混凝土中水泥的水化热是放热反应，在混凝土中掺入粉煤灰，由于减少了水泥用量，可以降低混凝土的水化热，特别是低钙粉煤灰在头几天的水化程度并不明显，所产生的水化热仅有水泥的一半。1～28d龄期内，混凝土中掺入粉煤灰的百分数，就是温升和水化热的百分数。

　　粉煤灰混凝土水化放热的多少和速率取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量。例如。以重量计，用粉煤灰取代30%的水泥时，可使因水化热导致的温升降低15%左右。众所周知，温度升高时，水泥的水化热速率会明显的加快。研究表明，与20℃相比。在30℃时，硅酸盐水泥的水化速率要加快一倍。一些大型、超大型的混凝土结构，其断面尺寸加大，混凝土设计强度提高，所用水泥等级高，单位用量大，施行新标准后水泥的粉磨细度增大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化过程温升明显加剧，这是导致很多混凝土结构物在施工期间，模板刚拆除就发现有大量的裂缝的原因。掺入粉煤灰后，可以减少水泥的水化热，减少结构物因温度而造成的裂缝。

　　2.3 硬化后的混凝土阶段

　　2.3.1 提高后期强度

　　粉煤灰对混凝土强度有三种影响：减少用水量，增大胶凝材料的含量和通过长期火山灰反应提高混凝土的后期强度。

　　当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要取决于粉煤灰的火山灰效应。粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物，能逐步与氢氧化钙及高碱性水化硅酸钙发生二次反应，生成强度较高的低碱性水化硅酸钙，这样不仅使水泥石中水化胶凝物质的数量增加，而且也使其质量得到大幅度的提高，有效的提高了混凝土的强度。粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高水泥浆的密实度，使混凝土中骨料与水泥浆的界面强度提高。

　　粉煤灰对抗拉强度和抗弯强度的贡献比抗压强度还要大，这对混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的弹性模量与抗压强度类似，早期偏低，后期逐步提高，到28d时可比基准混凝土提高5%～10%。

　　粉煤灰的二次水化反应一般在混凝土浇筑14天后开始进行，在低温时，该反应所需时间更长。如果对混凝土早期强度有严格要求的，粉煤灰掺量不宜超过30%。冬季施工，非大体积混凝土时，粉煤灰掺量不宜超过20%。

　　2.3.2 提高各项耐久性

　　混凝土的耐久性包括抗冻性、抗渗性、抗侵蚀性等。

　　2.3.2.1抗冻性

　　粉煤灰混凝土28d以前龄期，混凝土的孔结构比较粗，故粉煤灰混凝土的早期抗冻性要下降。随着龄期的增长，其抗冻性下降幅度减小。在等强超量取代的条件下，则对混凝土的抗冻性影响不大。在混凝土中以20%的粉煤灰代替相应的水泥，其抗冻性超过基准混凝土。但掺量太高(大于50%)时，经过150～200次冻融时，混凝土出现明显的破坏。

　　混凝土的含气量也是影响混凝土抗冻性能的重要因素。粉煤灰的含碳量、烧失量、碳化性质、细度及粉煤灰的掺量等都会影响混凝土的含气量。对引气量小于3.5%的粉煤灰混凝土其水灰比对抗冻性能有显著的影响，水灰比越小，其抗冻性能越好。如果混凝土中有足够的含气量，则其水灰比对混凝土的抗冻性能影响较小。

　　从冻融破坏的原理可知：混凝土的抗冻融性和其内部的孔结构、原材的渗透系数、降温速率、冻融次数、冻融龄期、混凝土的强度等因素有关。起重最重要的因素是它的孔结构，而混凝土的孔结构和强度又由混凝土的水灰比、水泥用量、水泥品种、骨料、含气量、有无外加剂和养护方法等决定。

　　经过试验表明，粉煤灰混凝土的28d抗冻性随着粉煤灰掺量的增加而降低，随强度等级的升高，抗冻性也明显提高。此外，粉煤灰品质越好，其混凝土的抗冻性能越好。

　　2.3.2.2抗渗性

　　混凝土的抗渗性是指抵抗压力水渗透的能力。混凝土渗透能力的形成，主要是由于混凝土中多余水分蒸发后留下了孔洞和孔道，同时新拌混凝土中因泌水在粗颗粒与钢筋下缘形成的水膜，或泌水留下的孔道和水囊，在压力水的作用下会形成内部渗水的渠道。再加上施工缝处理不好、振捣不密实等都能引起混凝土渗水，甚至引起钢筋的锈蚀和保护层开裂、剥落等破坏现象。

　　当混凝土中掺入粉煤灰时，由于粉煤灰的火山灰反应，生成水化硅酸钙，填充在缝隙中，因而增强了混凝土抗渗能力，且随粉煤灰掺量的增加，粉煤灰混凝土抗渗性能也相应地提高。

　　试验表明，粉煤灰混凝土的抗渗性能要比普通的混凝土好，主要是因为，粉煤灰改善了混凝土的和易性，容易浇捣密实，使混凝土结构密实度提高，掺入减水剂后，粉煤灰混凝土的工作性能得到进一步的改善，硬化混凝土密实度进一步提高，特别是胶凝材料水化的程度大幅度的提高。由于减水剂减小了混凝土的泌水性，而粉煤灰中活性成分与水泥组分在外加剂的激发下发生二次反应，产生的胶凝物质能够细化和堵塞混凝土的渗水渠道，这对提高混凝土的抗渗性能起到有益的作用。

　　2.3.2.3抗侵蚀性

　　粉煤灰混凝土的抗侵蚀性能力比普通混凝土有所提高。一方面，由于减少水泥用量，也就减少了混凝土受侵蚀的内部因素，粉煤灰掺量越大，这种作用越明显;另一方面，粉煤灰的细微颗粒均匀地分散到水泥浆体中，会成为大量水化物沉积的核心，随着水化龄期的发展，这些细微颗粒及其水化产物填充水泥石孔隙，改善了混凝土的孔结构，逐步降低混凝土的渗透性，阻碍侵蚀性介质的侵入，提高了混凝土的抗侵蚀性能。

　　三 粉煤灰混凝土与普通混凝土性能的对比

　　在塌落度和二十八天强度对等的条件下，粉煤灰混凝土与普通混凝土性能对比结果如下：1)和易性、泌水性、水化性、抗侵蚀性等与普通混凝土相比有较大的改善;2)塌落度损失、最大抗压强度、收缩性、抗渗性等好于普通混凝土;3)凝结时间、弹性模量、抗冻性、耐磨性等与普通混凝土相近;4)早期强度、抗碳化能力不及普通混凝土。

　　由于粉煤灰的水化速度小于水泥熟料，掺加粉煤灰后，粉煤灰混凝土早期强度低于普通混凝土，且粉煤灰掺量越高，早期强度就越低。粉煤灰混凝土的强度发展要比普通混凝土缓慢，这对工程施工进度有一定的影响，尤其是在冬季施工中更加突出。对于高抗冻性的混凝土中必须要掺入一定的引气剂，低温施工时要掺入早强剂或防冻剂，并采取相应的保温措施。对早期脱模或提前负荷的混凝土要掺入高效减水剂或早强剂等外加剂。

　　要稳定粉煤灰混凝土的质量和提高粉煤灰在混凝土中的利用率，就必须提高和稳定粉煤灰的质量，因此，对于粉煤灰的开发和利用还有待于深入研究。

　　四 小结

　　粉煤灰混凝土的前期强度增长较少，后期强度增长较高，其收缩性、抗渗性、抗侵蚀性等效果显著，体积稳定性和耐久性能良好。长期以来，我国在水利水电工程建设中广泛应用了粉煤灰。近几年，工业、民用建筑也逐步开始大量应用粉煤灰。在大体积结构混凝土、泵送混凝土、抗渗结构混凝土、碾压混凝土中广泛应用过了粉煤灰，此外，地下工程、港口工程、道路桥梁工程等均开始引用粉煤灰混凝土。今后，粉煤灰混凝土将在更多的工程领域中获得更广泛的应用。

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