粉煤灰對高性能混凝土性能的理論分析

王艷輝

粉煤灰對高性能混凝土性能的理論分析

王艷輝

混凝土摻加粉煤灰后，使混凝土表現(xiàn)出優(yōu)異的各種性肚，本文從物理作用、化學(xué)作用兩個角度對混凝土產(chǎn)生的各種性肚表現(xiàn)進行論述和理論分析。

粉煤灰；混凝土性肚；理論；分析

粉煤灰在公路、鐵路工程中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在高性能混凝土中更是離不開粉煤灰，目前大跨度橋梁、超高程泵送混凝土、海洋跨海橋梁工程、高速鐵路橋梁隧道工程、惡劣環(huán)境下的混凝土工程等均使用粉煤灰。粉煤灰作為一種活性礦物摻合料，對混凝土的強度、耐久性、新拌混凝土等各項性能指標(biāo)均有著優(yōu)異的性能，下面先從粉煤灰對混凝土的性能影響說起，再剖析粉煤灰對混凝土產(chǎn)生以上性能的原理以及在實際工程中應(yīng)用的效果。

一、粉煤灰及粉煤灰對混凝土性能的影響

1、粉煤灰也叫飛灰（fly ash），是由燃煤電廠煙囪收集的灰塵，其中含有大量的球狀玻璃珠，以及莫來石、石英和少量礦物結(jié)晶相。

2、摻粉煤灰后對新拌混凝土性能的影響

（1）增加漿體含量、增大粘聚性、不易離析、改善可泵性、容易振實；

（2）延緩拌合物凝結(jié)時間、減小坍落度損失；

（3）減小泌水速率，但凝結(jié)時間延長(尤其低溫季節(jié)），需要及早覆蓋養(yǎng)護；

（4）降低水化熱；

3、摻粉煤灰后對硬化混凝土性能的影響

（1）早期強度發(fā)展速率延緩（程度取決所用水泥及粉煤灰摻量），但也隨溫度升高而加快；

（2）早期應(yīng)力松弛作用強、抗裂性能好；

（3）后期微結(jié)構(gòu)密實、強度增長幅度大、耐久性良好；（4）預(yù)防混凝土的耐久性病害發(fā)生，如堿—骨料反應(yīng)；（5）提高混凝土抵抗環(huán)境因素劣化破壞的能力，如：抗硫酸鹽侵蝕、抗氯離子滲透等；

二、粉煤灰對混凝土產(chǎn)生各項性能的原理分析

1、粉煤灰的?潤滑作用?

在顯微鏡下顯示，粉煤灰中含有 70%以上的玻璃體（玻璃微珠或空心玻璃微珠），該玻璃體粒形完整、表面光滑、質(zhì)地致密。這種形態(tài)對混凝土而言，能起到減水作用、潤滑作用、致密作用和勻質(zhì)作用，促進初期水泥水化的解絮作用，改變拌和物的流變性質(zhì)、初始結(jié)構(gòu)以及硬化后的多種功能，尤其對泵送混凝土，能起到良好的潤滑作用。另外，粉煤灰的?玻璃微珠?效應(yīng)能使混凝土的干縮變形減小，抗裂性能提高。

2、粉煤灰的?增強作用?

結(jié)構(gòu)混凝土中摻用高質(zhì)量粉煤灰等摻合料及適宜外加劑的?雙摻?技術(shù)，是制作高性能混凝土的重要技術(shù)手段之一。在結(jié)構(gòu)混凝土中單純使用水泥，不摻用粉煤灰等摻合料時，則不具有高性能混凝土的品質(zhì)，其主要原因是單純水泥水化硬化后，水泥的水化反應(yīng)生成物有水化硅酸鈣、水化鋁（鐵）酸鈣、氫氧化鈣和水化硫鋁酸鈣等，其中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣是導(dǎo)致水泥混凝土耐久性差的根源，特別是氫氧化鈣大片狀結(jié)晶，在有（壓）水滲透的條件下，首先被軟水溶出，造成軟水侵蝕，同時導(dǎo)致混凝土的孔隙率增大，抗?jié)B性、耐水性及抗氯鹽滲透性變差，更容易發(fā)生冰凍、鹽凍、堿集料反應(yīng)和鋼筋銹蝕等破壞；當(dāng)同時發(fā)生硫酸鹽侵蝕時，硫酸根將與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣一起，在硬化混凝土中，生成高硫型水化硫鋁酸鈣，這就是俗稱的?水泥桿菌?。如果將混凝土配制成以耐久性指標(biāo)作為重要基本特征的高性能混凝土，在其水泥水化產(chǎn)物中，就必須設(shè)法減少或消除氫氧化鈣這種有損強度、耐久性的大結(jié)晶體。粉煤灰等活性摻合料具有與水泥水化生成的氫氧化鈣反應(yīng)的特性，活性摻合料與氫氧化鈣發(fā)生的反應(yīng)比水泥水化滯后，稱作?二次反應(yīng)?，粉煤灰等活性摻合料的主要成分是氧化硅和氧化鋁，二次反應(yīng)的生成物依然是水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣膠體，水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣是水泥石中提供強度的主要礦物來源。這就不僅使耐久性改善，而且使混凝土強度提高。

3、粉煤灰的?微集料效應(yīng)?

（1）粉煤灰中粒徑很小的微珠和碎屑，在水泥石中可以相當(dāng)于未水化的水泥顆粒，極細小的微珠相當(dāng)于活潑的納米材料，能明顯的改善和增強混凝土及制品的結(jié)構(gòu)強度，提高勻質(zhì)性和致密性。

（2）經(jīng)試驗研究表明，粉煤灰自身粒度分布合理，總體粒度為0.5～300微米，其中玻璃珠粒徑在0.5～5微米部分的含量約占總質(zhì)量的50～70%，是粉煤灰組成的主體，還有一部分漂珠和少量粗粒的海綿顆粒 5～300微米，由此可見粉煤灰自身顆粒級配也非常良好。

4、粉煤灰的?填充作用?

硅酸鹽水泥的比表面積為300～350m2/kg、平均粒徑約為10.4微米；粉煤灰的比表面積為2000m2/kg、平均粒徑約為0.95微米；由此可見粉煤灰的粒徑比水泥更細、約是水泥粒徑的 1/10，可填充于水泥顆粒間隙之間，使水泥混凝土結(jié)構(gòu)更加密實。

三、粉煤灰在實際工程中的應(yīng)用效果

1、改善了混凝土拌和物的和易性、易于振實：粉煤灰改善混凝土拌和物的和易性效果比較顯著，對于貧混凝土和細集料用量不足的混凝土特別有效。另外，摻粉煤灰的混凝土澆筑與普通不摻粉煤灰的混凝土澆筑相比，相同坍落度更易于振實，但摻粉煤灰的混凝土應(yīng)嚴防過振，以免使較輕的粉煤灰集中在表面浮漿中，粉煤灰浮漿強度很低，極不耐磨，色澤較差。

2、增強混凝土的可泵性：對于摻加粉煤灰的泵送混凝土來說，除了因改善和易性而提高了易泵性之外，同時由于泌水性和離析現(xiàn)象得以改善，以及粉煤灰本身的球形玻璃體效應(yīng)，可以得到更好的減阻效果。

3、減少混凝土的徐變：混凝土的徐變對工程是不利的，經(jīng)試驗研究摻粉煤灰的混凝土和基準混凝土的對比，前期二者徐變值接近，而摻粉煤灰的混凝土徐變值后期明顯較小，經(jīng)加荷確定約減少50%。

4、減少水化熱、降低溫度收縮：混凝土中水泥水化反應(yīng)要放出熱量，在大體積混凝土構(gòu)件中，會出現(xiàn)中心與邊緣溫度差而產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。摻粉煤灰的混凝土，不僅溫度收縮因溫升降低可以明顯減小，而且由于粉煤灰的二次反應(yīng)造成了摻粉煤灰的混凝土比普通水泥混凝土凝結(jié)慢，緩凝0.5～1h，其放熱速率明顯降低，減少混凝土內(nèi)部由于水化熱而產(chǎn)生的升溫，減少了混凝土熱膨脹出現(xiàn)裂縫的危害。

5、提高混凝土抗?jié)B能力：清華大學(xué)覃維祖教授提出：?高效減水劑與復(fù)合礦物摻合料的超迭加效應(yīng)大大降低混凝土的滲透性，從而明顯提高混凝土對各種侵蝕作用的抵抗力?，本文所提及的粉煤灰僅是復(fù)合礦物摻合料中的一種。由于摻粉煤灰的混凝土能減少用水量和降低水膠比，并且在和水泥水化過程中析出氫氧化鈣生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣凝膠，使水泥石中毛細孔的數(shù)量減少，孔徑變小，增強了對液體和氣體的滲透和擴散作用的抵抗力。

混凝土滲透性與耐久性之間有著密切的關(guān)系，滲透性是混凝土耐久性的一個重要指標(biāo)，它反映了混凝土內(nèi)部孔隙的大小、數(shù)量、分布及連通等情況，是混凝土抵抗各種介質(zhì)侵入能力的體現(xiàn)?；炷涟l(fā)生凍融破壞、碳化、堿骨料反應(yīng)、硫酸鹽腐蝕、內(nèi)部鋼筋銹蝕等均是由于水、CO2氣體、有害離子等侵入混凝土內(nèi)部所致，因此，混凝土獲得高耐久性與長壽命的關(guān)鍵是提高混凝土的滲透性，而混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)特性決定了混凝土的滲透性。

通過上述理論分析，粉煤灰作為高性能混凝土中的一種礦物摻合料，對提高混凝土耐久性的作用是非常大的。與普通混凝土相比，其抗?jié)B性、電通量、抗裂性、抗凍性等耐久性指標(biāo)均得到明顯提高。

當(dāng)前，正值國家基礎(chǔ)設(shè)施大發(fā)展時期，對于重點工程均明確要求使用高性能混凝土，粉煤灰作為活性礦物摻合料的一種，其作用越來越顯著，也將更多的被應(yīng)用于高性能混凝土工程中。

TU201

A

1674-3954（2011）02-0036-01

姓名：王艷輝 性別：男 出生年月：1974年3月18日

身份證號：230805197403181011

畢業(yè)院校：黑龍江工程學(xué)院（大專學(xué)歷）、成春工程學(xué)院（本科學(xué)歷） 人事檔案存放在黑龍江省農(nóng)墾人才市場

主要經(jīng)歷：1996年畢業(yè)至2009年，從事高速公路施工及監(jiān)理工作，2010年開始從事高速鐵路監(jiān)理工作