粉煤灰在現(xiàn)代混凝土中的應(yīng)用

劉玉國(guó)

（黑龍江省城鄉(xiāng)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 概述

早在2000 多年前的古羅馬時(shí)期，人類就用火山灰與石灰混合作為膠凝材料，建造了許多雄偉的建筑物，例如萬(wàn)神廟，其直徑44m的半球形穹頂就使用了上萬(wàn)噸這種膠凝材料和凝灰?guī)r輕骨料拌合而成的混凝土；還有聞名于世的羅馬大斗獸場(chǎng)等。如今在混凝土中摻用的粉煤灰，也是一種火山灰材料，大量的實(shí)踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其長(zhǎng)期性能得到大幅度的改善，對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的使用壽命有重要意義。

2 粉煤灰在混凝土中的作用及其機(jī)理

在混凝土中常摻有一定量粉煤灰，作為水泥的替代材料，絕大多數(shù)情況下是以如下方式應(yīng)用的：在早期強(qiáng)度要求很低，長(zhǎng)期強(qiáng)度大約在25～35MPa的大體積水工混凝土中，大摻量地替代水泥使用；在結(jié)構(gòu)混凝土里較少量地替代水泥（10～25%）；在強(qiáng)度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理和應(yīng)用技術(shù)，多年來(lái)進(jìn)行了大量的研究工作，取得了不少進(jìn)展，這些進(jìn)展對(duì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用起了一定的推動(dòng)作用。如摻用的方法從等量替代水泥，發(fā)展到超摻法、代砂法以及與化學(xué)外加劑同時(shí)使用的雙摻法。對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理，從主要是火山灰質(zhì)材料特性的作用（消耗了水泥水化時(shí)生成薄弱的，而且往往富集在過(guò)渡區(qū)的氫氧化鈣片狀結(jié)晶，由于水化緩慢，只在后期才生成少量C-S-H 凝膠，填充于水泥水化生成物的間隙，使其更加密實(shí)），逐步發(fā)展到分析它還具有形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)等。

3 粉煤灰混凝土的物理力學(xué)性能

3.1 強(qiáng)度

在物理作用方面，粉煤灰的摻入可分散水泥顆粒，使水泥水化更充分，提高了水泥漿的密實(shí)度，降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料一水泥漿界面強(qiáng)度的提高；在化學(xué)火山灰作用方面，粉煤灰顆粒與Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣膠體，有利于混凝土強(qiáng)度的提高。

3.2 和易性

粉煤灰對(duì)混凝土和易性的改善作用包括:(1)優(yōu)質(zhì)粉煤灰中含有70%以上的球狀玻璃體，其表面光滑無(wú)棱角，性能穩(wěn)定，在混凝土泵送、振搗過(guò)程中起類似潤(rùn)滑的作用；(2)新拌混凝土中水泥顆粒易聚集成團(tuán)，粉煤灰的摻入可有效分散水泥顆粒，釋放更多的漿體來(lái)潤(rùn)滑骨料，有利于混凝土工作性能的提高；(3)摻入粉煤灰可以補(bǔ)償細(xì)骨料中細(xì)屑的不足，中斷砂漿基體中泌水渠道的連續(xù)性，同時(shí)品質(zhì)良好的粉煤灰在同樣稠度下能減少砼的拌和用水量，使混凝土中的水灰比降低到更低水平，減少泌水和離析現(xiàn)象。

3.3 徐變

28 天齡期以前，砼強(qiáng)度較低，其相應(yīng)齡期的徐變應(yīng)變也較普通砼的大，然而與普通砼等強(qiáng)度的粉煤灰砼在此后所有齡期的徐變均小于普通混凝土。

3.4 耐久性

由于粉煤灰減少了混凝土的孔隙，使混凝土的抗?jié)B性明顯提高，改善了混凝土的抗化學(xué)腐蝕的能力，還能有效地減小堿-骨料反應(yīng)引起的混凝土膨脹，極大地提高了混凝土的耐久性。

3.5 水化熱

用粉煤灰代替部分水泥能有效降低水化熱，降低混凝土的絕熱升溫。

3.6 抗?jié)B性

粉煤灰的3 種效應(yīng)均能提高混凝土的抗?jié)B性:形態(tài)效應(yīng)。粉煤灰混凝土的鋁硅酸鹽玻璃微珠，可填充水泥漿體，提高混凝土抗?jié)B性；活性效應(yīng)。粉煤灰中SiO2、Al2O3與水泥的水化物反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的抗?jié)B性；微集料反應(yīng)。粉煤灰中微細(xì)顆粒分布于水泥顆粒之間，有利于混和物的水化反應(yīng)，增加了混凝土的密實(shí)性，提高混凝土的抗?jié)B性。

3.7 對(duì)鋼筋銹蝕的影響

影響粉煤灰混凝土護(hù)筋性的主要因素為混凝土的堿度和孔結(jié)構(gòu)。混凝土中的鋼筋能夠防銹是由于混凝土的堿性在金屬表面形成一個(gè)細(xì)微的氧化膜。最新研究表明，摻入粉煤灰能降低混凝土的孔隙率，并使混凝土孔結(jié)構(gòu)得到細(xì)化，加大了Cl-的擴(kuò)散難度，取得了良好的防腐效果。

3.8 對(duì)堿-骨料反應(yīng)的影響

堿-骨料反應(yīng)是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的堿發(fā)生反應(yīng)，生成吸水產(chǎn)物，體積增大，導(dǎo)致混凝土的膨脹和開裂?；炷翂A-骨料反應(yīng)的發(fā)生條件除骨料具有堿活性外，還需混凝土中具有高堿性，還要有水。粉煤灰取代部分水泥，不僅能降低混凝土的有效含堿量，還能產(chǎn)生物理化學(xué)作用，抑制堿-骨料反應(yīng)。

3.9 抗凍性

混凝土的引氣量和強(qiáng)度是影響混凝土抗凍性的主要因素，滿足抗凍性要求的引氣量取決于混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，混凝土強(qiáng)度越高，滿足抗凍性所需的引氣量越低。對(duì)于引氣量小于3.5%的粉煤灰混凝土，其水灰比對(duì)抗凍性有顯著的影響，則其水灰比對(duì)混凝土的抗凍性影響不大

4 粉煤灰混凝土的應(yīng)用

目前許多規(guī)范中規(guī)定的鋼筋混凝土中的摻量限制（例如25%），對(duì)配制中低強(qiáng)度的混凝土來(lái)說(shuō)，恰恰是最不利于發(fā)揮粉煤灰作用的摻量。換句話說(shuō)，粉煤灰必須用大摻量，才能發(fā)揮良好的效果。這是為什么呢？摻用粉煤灰要想取得良好效果，水膠比必須低，而中低強(qiáng)度混凝土的水泥用量通常在350kg/m3以下。這種條件下，即使摻用再好的減水劑，水灰比（水膠比）也只能在0.50 左右。因?yàn)樵贉p小時(shí)，漿體體積就滿足不了填充骨料空隙并形成足夠厚度潤(rùn)滑層的需要。當(dāng)摻加粉煤灰時(shí)，由于它比水泥輕，等重量替代水泥時(shí)可以增大膠凝材料的體積，所以可以使混凝土的水膠比降低。但是當(dāng)其摻量較小時(shí)（如規(guī)定的25%以內(nèi)），增大膠凝材料的體積有限，降低水膠比的作用也就有限。大摻量粉煤灰混凝土不僅強(qiáng)度發(fā)展效果良好，而且各種耐久性能也十分優(yōu)異。由于能夠明顯降低水化溫升，也大大減小了混凝土早期出現(xiàn)開裂的危險(xiǎn)，可以說(shuō)是一種適用于除了早期強(qiáng)度要求非常高以外，能夠滿足各種工程條件，尤其是侵蝕性嚴(yán)酷環(huán)境要求的高性能混凝土耗量來(lái)評(píng)價(jià)。當(dāng)然，任何事物都有它的兩面性，大摻量粉煤灰混凝土也存在局限性。其中，粉煤灰-水泥-化學(xué)外加劑之間的相容性，表現(xiàn)為混凝土水膠比能否有效地降低，使粉煤灰能充分發(fā)揮作用，自然是應(yīng)用這種混凝土首先要檢驗(yàn)的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)水膠比只能在0.40 以上時(shí)，在中等強(qiáng)度要求的混凝土中使用的效果就可能成問(wèn)題了。其次，由于大摻量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度減少，因此對(duì)于水泥質(zhì)量的穩(wěn)定性和粉煤灰品質(zhì)的穩(wěn)定性就比較高，當(dāng)兩者的質(zhì)量產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)給使用效果帶來(lái)明顯的影響。

5 混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展

混凝土材料是當(dāng)今用量最大、用途最廣泛的建筑材料，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全世界的耗用量接近100億噸。如此巨大的用量，伴隨著生產(chǎn)、使用過(guò)程帶來(lái)礦石資源、能源的消耗，以及對(duì)大氣和環(huán)境造成的污染，已引起全世界業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

我國(guó)的水泥產(chǎn)量多年來(lái)居世界首位，占1/3以上。同時(shí)我國(guó)粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，有關(guān)部門仍在計(jì)劃投資建設(shè)更多水泥廠。過(guò)去在混凝土里摻用粉煤灰，是為了節(jié)約水泥、降低工程材料費(fèi)用，今天對(duì)混凝土摻用粉煤灰的認(rèn)識(shí)，應(yīng)該提高到保護(hù)環(huán)境、保護(hù)資源，使混凝土材料可長(zhǎng)久地持續(xù)應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的高度上來(lái)認(rèn)識(shí)。

大摻量粉煤灰混凝土不僅可以改善混凝土的各項(xiàng)性能，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時(shí)可以大幅度減小耗費(fèi)能源多、污染環(huán)境嚴(yán)重的硅酸鹽水泥用量，因此也是一種綠色混凝土。從這個(gè)角度出發(fā)，推廣大摻量粉煤灰混凝土在我國(guó)土木建筑工程中的應(yīng)用，是一件于國(guó)于民有顯著效益的事業(yè)，必定有強(qiáng)大的生命力，有廣闊的發(fā)展前景。

6 總結(jié)

粉煤灰作為燃煤電廠的副產(chǎn)品，量大且來(lái)源穩(wěn)定，如果利用不好，不僅占地、占水域，而且污染環(huán)境。對(duì)于工程中添加粉煤灰作為混凝土的成分，不但節(jié)約了成本，提高了混凝土的強(qiáng)度，明顯改善混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性，具有顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1]牛季收，王保君.粉煤灰在混凝土的效應(yīng)及應(yīng)用[J].鐵道建筑，2004，(3):74-77.

[2]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1999.24.

[3]吳思宇.粉煤灰在高性能混凝土中的應(yīng)用中南大學(xué)土木建筑學(xué)院湖，建筑工程，2009.4.