粉煤灰混凝土的性能研究

劉 剛

粉煤灰是火力發(fā)電廠煤粉在鍋爐中燃燒后排出的灰色粉狀廢棄物，是一種具有活性的人工火山灰質(zhì)材料。當(dāng)前，其全球的產(chǎn)量約6.5億t，其中超過50%未被利用，不是被長(zhǎng)期堆積，就是被處理掉。只有很小比例的粉煤灰被當(dāng)作一種高價(jià)值的資源材料，用作混凝土中的水泥組分材料。用粉煤灰大量替代水泥摻加到混凝土中不僅可以減少污染、節(jié)約能源、降低混凝土的經(jīng)濟(jì)成本，而且使混凝土的各方面性能得到改善。因此粉煤灰混凝土具有“綠色環(huán)?！钡膽?yīng)用前景，能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

粉煤灰作為混凝土的礦物活性摻合料，具有形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)。在顯微鏡下顯示，粉煤灰中含70%以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，質(zhì)地致密。這種形態(tài)能起到減水作用、致密作用和勻質(zhì)作用，促進(jìn)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(duì)泵送混凝土，能起到良好的潤(rùn)滑作用，這就是粉煤灰的“形態(tài)效應(yīng)”。因粉煤灰中的化學(xué)成分含有大量活性SiO2及Al2O3，在潮濕的環(huán)境中與Ca(OH)2等堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)，對(duì)粉煤灰制品及混凝土能起到增強(qiáng)作用和堵塞混凝土中的毛細(xì)組織，提高混凝土的抗腐蝕能力，這是粉煤灰的“活性效應(yīng)”。粉煤灰的“微集料效應(yīng)”是指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(xì)小的微珠相當(dāng)于活潑的納米材料，能明顯改善和增強(qiáng)混凝土及制品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高勻質(zhì)性和致密性。

1 粉煤灰對(duì)混凝土施工性能的影響

摻加粉煤灰可以改變混凝土和易性，增加混凝土粘性，減少離析與泌水，降低由于水化熱帶來的混凝土溫度升高，減少或消除混凝土中堿集料反應(yīng)，同時(shí)也可以節(jié)省水泥用量。

1.1 和易性

粉煤灰混凝土中膠凝物質(zhì)——水泥和粉煤灰數(shù)量要比水泥混凝土多。粉煤灰比重較輕，同樣重量粉煤灰的體積大于水泥的體積，膠凝材料的漿體體積增加將使混凝土有較好的塑性和較好的粘性，粉煤灰的球形顆粒將有利于混凝土的流動(dòng)性能，這些使混凝土的和易性得到改善。

1.2 泌水

粉煤灰含有較多的微細(xì)顆粒，有助于截?cái)嗷炷羶?nèi)泌水通道，降低混凝土的泌水率。

1.3 改善泵送性能

粉煤灰與水泥細(xì)度相近或比水泥還細(xì)，粘聚性強(qiáng)，提高了抗離析能力，提高了混凝土的穩(wěn)定性，保持混凝土可泵性和勻質(zhì)性。摻加粉煤灰的混凝土坍落度損失小，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，從而延長(zhǎng)了允許的運(yùn)送時(shí)間和運(yùn)送距離，擴(kuò)大了泵送混凝土應(yīng)用范圍，不僅改變混凝土的泵送性能，而且還可以延長(zhǎng)泵送機(jī)械使用壽命。

1.4 減少堿—骨料反應(yīng)

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。發(fā)生堿骨料反應(yīng)需要具備三個(gè)條件:

1)混凝土的原材料水泥、混合材、外加劑和水中含堿量高;

2)骨料中有相當(dāng)數(shù)量的活性成分;

3)潮濕環(huán)境，有充分的水分或濕空氣供應(yīng)。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)。

2 粉煤灰的摻加對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

混凝土的力學(xué)性能一般包括:強(qiáng)度指標(biāo)、彈性模量等性能，而強(qiáng)度指標(biāo)是其中最重要的力學(xué)性能。通常研究中把混凝土的7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度以及劈拉強(qiáng)度作為衡量混凝土力學(xué)性能是否合格的最重要的指標(biāo)，彈性模量也是比較重要的指標(biāo)。隨著粉煤灰的摻入，混凝土的早期強(qiáng)度會(huì)比不摻粉煤灰的普通混凝土的強(qiáng)度低，但是其增長(zhǎng)速率快，到中后期會(huì)達(dá)到甚至超過普通混凝土。與工作性能相似，摻入不同量的粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度也有較大的影響:隨著粉煤灰摻量增加，混凝土的表觀密度減小，混凝土早期強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量而變化，當(dāng)摻量較低(在20左右)時(shí)，對(duì)7 d強(qiáng)度影響不大，而當(dāng)摻量較高(＞30)時(shí)，早期強(qiáng)度明顯降低;而摻加粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，而且在一定范圍內(nèi)(＜50)隨粉煤灰摻量增加而增大。然而，在摻加粉煤灰后，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的提高幅度不如抗壓強(qiáng)度提高的幅度大，因此，劈拉強(qiáng)度成為限制粉煤灰混凝土抗拉性能的一個(gè)重要因素。在彈性模量方面，摻粉煤灰混凝土的彈性模量較普通混凝土略高，但隨粉煤灰摻量的增大而降低。此外，由于粉煤灰的摻入，會(huì)使混凝土的早期強(qiáng)度和極限拉伸值過低，有可能使混凝土無法承受早期的溫度應(yīng)力和干縮應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。在混凝土中摻入粉煤灰替代水泥，可以有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性能，但要進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確定其最佳摻量。此外，在施工中還要注意摻粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度較低的特點(diǎn)。

3 粉煤灰混凝土的耐久性能

3.1 抗?jié)B性、抗凍性

在粉煤灰摻量很高的情況下，混凝土仍具有良好的抗?jié)B性能。粉煤灰混凝土優(yōu)良的抗?jié)B性能為實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐所證實(shí)，如有防水要求的建筑工程，常采用摻加粉煤灰的措施來提高混凝土的抗?jié)B性能?；炷恋目箖鲂耘c混凝土的抗拉強(qiáng)度、孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)特征有關(guān)?；炷恋目估瓘?qiáng)度高，孔隙率低，孔隙細(xì)小不連通，其抗凍性就好。粉煤灰恰恰改善了混凝土這幾方面的性能，使混凝土的抗凍性提高。高摻量粉煤灰混凝土亦具有適宜的氣孔參數(shù)及令人滿意的抗凍性;但與普通混凝土相比，其抗鹽凍剝蝕性能較差。

3.2 耐蝕性

粉煤灰混凝土耐溶出性侵蝕、酸性侵蝕和鹽類侵蝕的能力增強(qiáng)。其效應(yīng)如下:

1)粉煤灰使混凝土的密實(shí)度提高，阻止了軟水和腐蝕介質(zhì)的滲透;

2)粉煤灰混凝土中水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2的量少;

3)粉煤灰使高鹽基的水化鋁酸鈣水解成為極限石灰濃度較低的低鹽基水化鋁酸鈣，因而消除或減少了高硫型水化硫鋁酸鈣形成的可能性，更易形成低硫型水化硫鋁酸鈣。低硫型水化硫鋁酸鈣在遠(yuǎn)離含鋁固相表面的液相中以分散狀析出結(jié)晶，填充原來的充水空間，不僅不會(huì)產(chǎn)生有害的內(nèi)應(yīng)力，而且還可作為水泥石的有效組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)水泥石的密實(shí)性和強(qiáng)度。

3.3 碳化

粉煤灰對(duì)混凝土碳化的影響具有兩面性:一方面，粉煤灰的取代效應(yīng)和二次反應(yīng)使混凝土中Ca(OH)2的量減少，碳化進(jìn)程加快，這是不利的一面;另一方面，粉煤灰的微集料效應(yīng)使混凝土孔隙細(xì)化，結(jié)構(gòu)致密，阻止CO2和水的滲透，延緩了碳化進(jìn)程。粉煤灰混凝土綜合抗碳化性能有所提高，有利于保護(hù)鋼筋表面的鈍化膜。

3.4 鋼筋防銹

粉煤灰混凝土因密實(shí)性提高，孔隙結(jié)構(gòu)改善和水化產(chǎn)物的變化，具有較高的抗氯離子滲透能力和較高的電阻抗，從而有效地抑制氯離子對(duì)鋼筋的電化學(xué)銹蝕及雜散電流對(duì)鋼筋的腐蝕，使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)能力提高。

3.5 堿骨料反應(yīng)

水泥中強(qiáng)堿含量高、活性骨料和水的存在是堿骨料反應(yīng)發(fā)生的充要條件。粉煤灰結(jié)合了水泥中95%的強(qiáng)堿，且不會(huì)浸出，破壞了產(chǎn)生堿骨料反應(yīng)的條件，消除或減輕了堿骨料反應(yīng)的危害。

此外，粉煤灰還能提高混凝土的耐磨性和耐熱性。

4 結(jié)語

粉煤灰作為燃煤電廠的副產(chǎn)品，量大且來源穩(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，而且提高了混凝土的強(qiáng)度，明顯改善混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性。由于粉煤灰混凝土的性能較好，在各種大大小小的工程中應(yīng)用變得日益廣泛，具有顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1]張?jiān)粕?粉煤灰與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[J］.腐蝕與防護(hù)，2002，23(7):305.

[2]李秋義，李家和，楊向?qū)?高摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J］.低溫建筑技術(shù)，2002(2):42-43.

[3]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.

[4]陳月順，劉 莉，吳宏偉.粉煤灰的摻量對(duì)混凝土抗?jié)B性的影響[J］.新型建筑材料，2007(3):19-22.

[5]余學(xué)芳，董邑寧.粉煤灰混凝土的抗裂性分析[J］.混凝土，2003(2):48-49，63.

[6]谷章昭，楊錢榮，吳學(xué)禮.大摻量粉煤灰混凝土[J］.粉煤灰，2002，2(25):28.

[7]錢覺時(shí).粉煤灰特性與粉煤灰混凝土[M］.北京:科學(xué)出版社，2002.

[8]李景民.試論粉煤灰混凝土的耐久性[J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2002，12(1):160.

[9]劉數(shù)華，方坤河，申海蓮，等.粉煤灰對(duì)混凝土的需水量、坍落度和泌水性的影響[J］.粉煤灰綜合利用，2005(3):47-48.