粉煤灰在現(xiàn)代混凝土中的應用

劉玉國

（黑龍江省城鄉(xiāng)規(guī)劃勘測設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 概述

早在2000 多年前的古羅馬時期，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，例如萬神廟，其直徑44m的半球形穹頂就使用了上萬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，大量的實踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其長期性能得到大幅度的改善，對延長結構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用的：在早期強度要求很低，長期強度大約在25～35MPa的大體積水工混凝土中，大摻量地替代水泥使用；在結構混凝土里較少量地替代水泥（10～25%）；在強度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。對于粉煤灰的作用機理和應用技術，多年來進行了大量的研究工作，取得了不少進展，這些進展對粉煤灰在混凝土中的應用起了一定的推動作用。如摻用的方法從等量替代水泥，發(fā)展到超摻法、代砂法以及與化學外加劑同時使用的雙摻法。對于粉煤灰的作用機理，從主要是火山灰質材料特性的作用（消耗了水泥水化時生成薄弱的，而且往往富集在過渡區(qū)的氫氧化鈣片狀結晶，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），逐步發(fā)展到分析它還具有形態(tài)效應、填充效應和微集料效應等。

3 粉煤灰混凝土的物理力學性能

3.1 強度

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度的提高；在化學火山灰作用方面，粉煤灰顆粒與Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣膠體，有利于混凝土強度的提高。

3.2 和易性

粉煤灰對混凝土和易性的改善作用包括:(1)優(yōu)質粉煤灰中含有70%以上的球狀玻璃體，其表面光滑無棱角，性能穩(wěn)定，在混凝土泵送、振搗過程中起類似潤滑的作用；(2)新拌混凝土中水泥顆粒易聚集成團，粉煤灰的摻入可有效分散水泥顆粒，釋放更多的漿體來潤滑骨料，有利于混凝土工作性能的提高；(3)摻入粉煤灰可以補償細骨料中細屑的不足，中斷砂漿基體中泌水渠道的連續(xù)性，同時品質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，砼強度較低，其相應齡期的徐變應變也較普通砼的大，然而與普通砼等強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腐蝕的能力，還能有效地減小堿-骨料反應引起的混凝土膨脹，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 種效應均能提高混凝土的抗?jié)B性:形態(tài)效應。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。粉煤灰中SiO2、Al2O3與水泥的水化物反應，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。粉煤灰中微細顆粒分布于水泥顆粒之間，有利于混和物的水化反應，增加了混凝土的密實性，提高混凝土的抗?jié)B性。

3.7 對鋼筋銹蝕的影響

影響粉煤灰混凝土護筋性的主要因素為混凝土的堿度和孔結構。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細微的氧化膜。最新研究表明，摻入粉煤灰能降低混凝土的孔隙率，并使混凝土孔結構得到細化，加大了Cl-的擴散難度，取得了良好的防腐效果。

3.8 對堿-骨料反應的影響

堿-骨料反應是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的堿發(fā)生反應，生成吸水產物，體積增大，導致混凝土的膨脹和開裂。混凝土堿-骨料反應的發(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，還能產生物理化學作用，抑制堿-骨料反應。

3.9 抗凍性

混凝土的引氣量和強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度等級，混凝土強度越高，滿足抗凍性所需的引氣量越低。對于引氣量小于3.5%的粉煤灰混凝土，其水灰比對抗凍性有顯著的影響，則其水灰比對混凝土的抗凍性影響不大

4 粉煤灰混凝土的應用

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%），對配制中低強度的混凝土來說，恰恰是最不利于發(fā)揮粉煤灰作用的摻量。換句話說，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。因為再減小時，漿體體積就滿足不了填充骨料空隙并形成足夠厚度潤滑層的需要。當摻加粉煤灰時，由于它比水泥輕，等重量替代水泥時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。但是當其摻量較小時（如規(guī)定的25%以內），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，可以說是一種適用于除了早期強度要求非常高以外，能夠滿足各種工程條件，尤其是侵蝕性嚴酷環(huán)境要求的高性能混凝土耗量來評價。當然，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，自然是應用這種混凝土首先要檢驗的問題。一般來說，當水膠比只能在0.40 以上時，在中等強度要求的混凝土中使用的效果就可能成問題了。其次，由于大摻量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度減少，因此對于水泥質量的穩(wěn)定性和粉煤灰品質的穩(wěn)定性就比較高，當兩者的質量產生波動時，會給使用效果帶來明顯的影響。

5 混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展

混凝土材料是當今用量最大、用途最廣泛的建筑材料，據統(tǒng)計，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、使用過程帶來礦石資源、能源的消耗，以及對大氣和環(huán)境造成的污染，已引起全世界業(yè)內的關注。

我國的水泥產量多年來居世界首位，占1/3以上。同時我國粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于發(fā)展基礎設施建設的需要，有關部門仍在計劃投資建設更多水泥廠。過去在混凝土里摻用粉煤灰，是為了節(jié)約水泥、降低工程材料費用，今天對混凝土摻用粉煤灰的認識，應該提高到保護環(huán)境、保護資源，使混凝土材料可長久地持續(xù)應用于基礎設施建設中的高度上來認識。

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

6 總結

粉煤灰作為燃煤電廠的副產品，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，提高了混凝土的強度，明顯改善混凝土的工作性、力學性能和耐久性，具有顯著的技術、經濟和社會效益。

[1]牛季收，王保君.粉煤灰在混凝土的效應及應用[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:中國鐵道出版社，1999.24.

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