粉煤灰對高性能混凝土綜合性能影響的研究

魏秀瑛 張同文

（湖南交通工程職業技術學院，湖南 衡陽 421001）

粉煤灰對高性能混凝土綜合性能影響的研究

魏秀瑛 張同文

（湖南交通工程職業技術學院，湖南 衡陽 421001）

優質粉煤灰合理地應用于高性能混凝土中，不但能部分代替水泥，降低工程造價，而且其特有的性能還有效地改善和提高混凝土的性能。該論文就粉煤灰與水泥的作用及對高性能混凝土性能的影響進行了系統的研究分析，對粉煤灰在高性能混凝土中的工程應用具有一定的參考價值。

高性能混凝土；粉煤灰；密實度；強度；耐久性；工作性

1 . 前 言

高性能混凝土（HPC）水灰比一般較小，水泥石中有一部分水泥是不能水化的，只能起填充作用，所以，在配制高性能混凝土時，一般摻平均粒徑遠小于水泥粒徑的如粉煤灰等超細粉狀礦物活性材料來置換水泥，這些礦物外加劑和化學外加劑作為HPC第五、六組分摻合料對水泥石孔結構起填充作用，提高水泥石的密實度，改善水泥石與粗骨料間的界面結構，提高了混凝土的強度、耐久性以及工作性能，改善了其抗滲性、抗化學腐蝕性和徐變性能，同時能有效地降低水化熱。

粉煤灰也叫飛灰（fly ash）,簡稱FA，它是由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、石英及少量的礦物結晶相（方解石、鈣長石、β-C2S、赤鐵礦和磁鐵礦等），優質粉煤灰合理地應用于混凝土中，不但能部分代替水泥，節省工程造價，而且，其特有的性能可以很有效地用于各種使用要求的混凝土中，以改善和提高混凝土的性能。

2 . 粉煤灰與水泥作用的效應分析

在混凝土中摻入粉煤灰，消耗了水泥水化時所的生成薄弱的、而且往往富集在過渡區的氫氧化鈣片狀結晶，由于緩慢的水化作用，在后期生成少量的C-S-H凝膠，填充于水泥水化生成物的間隙，使混凝土更加密實；對于高性能混凝土用的優質和磨細的粉煤灰，還存在著活性效應、微集料效應和形態效應等。實踐已經證明，摻粉煤灰的混凝土，其長期性能可以得到大幅度改善，對延長結構的使用壽命有重要的意義。

2.1 活性效應。粉煤灰中的活性成分與水泥水化產物氫氧化鈣反應生成硅酸鈣凝膠，成為膠凝材料的一部分。同時，二次水化反應遲于水泥熟料，反應產物填充于水泥水化產物的孔隙中，使水泥石的孔隙細化，孔隙率減小，密實度增加，強度提高。實驗證明，粉煤灰水化反應的主要產物是I型或IZ型的C-S-H凝膠，分布于粉煤灰玻璃微珠的表層。這種產物與熟料的水化產物交叉聯接，促進了強度的增長。但由于火山灰反應的潛在性質，玻璃相組分的這種水化反應只有到硬化的后期才能明顯表現出來，使混凝土后期強度得以提高。

2.2 微集料效應，粉煤灰的微集料效應是指粉煤灰微細顆粒均勻分布于水泥漿體的基相之中，就像微細的集料一樣。在未摻粉煤灰之前，微集料只指水泥漿體中水泥熟料顆粒尚未水化的內芯，它具有比水泥凝膠更高的強度，而且還能與凝膠相結合，摻加粉煤灰后，粉煤灰微粒取代部分熟料微粒同樣可起微集料的作用。這一方面是由于玻璃微珠本身強度較高(厚壁空心微珠的抗壓強度在700MPa以上)，同時也由于粉煤灰微粒在水泥漿體中分散狀態良好，有助于混凝土中孔隙和毛細孔的充填和“細化”。另外，由于粉煤灰表層的水化層擴散速率比熟料顆粒的水化層擴散速率要緩慢得多，在保持微集料狀態的時間上更長。粉煤灰填充性的微集料作用，減少了水泥漿體中的含氣量，又因能降低混凝土的泌水性，有利于“細化孔隙”，所以致密化的貢獻較大。

2.3 形態效應，粉煤灰多為球形顆粒，在混凝土拌合物中起到“滾珠”作用，優質粉煤灰可提高拌合物的流動性。

3 粉煤灰對混凝上性能的影響：

3.1 FA對新拌混凝工作性的影響

3.1.1 對和易性的影響

圖3.1細骨料的細度模數與FA混凝土用水量的關系

粉煤灰對混凝土和易性的改善作用有以下幾點:首先，優質粉煤灰中含有70%以上的球狀玻璃體，這些球狀玻璃體表面光滑無棱角，性能穩定，在混凝土的泵送、振搗過程中起著一種類似于軸承的潤滑作用；第二，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，有利于混凝土性能的提高；第三，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性，同時優質良好的粉煤灰在同樣的稠度下能減少混凝上的拌和用水量，使混凝上中的水灰比降低到更小水平，減少泌水和離析現象。單方用水量的降低與粉煤灰的品種，與水泥的置換率、混凝土的配合比以及細骨料的細度模數有關，通過圖3.1可以看出，粉煤灰對水泥的置換率到達25%時，標準稠度用水量降低7%左右，因此，可以判定，粉煤灰的細度越大，燒失量越低，細骨料的細度模數越大，混凝土到達相同稠度時的用水量就越低。

3.1.2 對膠凝材料流動性的影響

關于粉煤灰對膠凝材料系統流動性的影響，可采用測定膠砂流動度比的試驗方法進行系統的研究。流動度比是指在固定水灰比下，粉煤灰水泥砂漿與未摻粉煤灰的水泥砂漿的流動度之比，該值能夠直觀地反應出摻粉煤灰后對膠砂流動性的改善效果。通過研究發現，隨著水膠比的降低，不摻粉煤灰的水泥膠砂需要借助較多的高效減水劑，才能達到理想的流動性，而摻入細度、粒型較好的粉煤灰能明顯改善膠砂的流動性，使減水劑的用量大大減少。

3.1.3 對凝結時間的影響

摻粉煤灰一般會使混凝土的凝結時間延長，粉煤灰的緩凝作用的大小和粉煤灰的摻量、細度、化學成分等因素有關。工程中，對于低水膠比的混凝土，由于水化后形成的水泥石結構非常致密，水不容易滲入內部，為保證水泥初凝后的水化能夠正常進行，應該在水泥初凝后立即進行灑水養護。當摻入粉煤灰取代部分水泥時，隨著粉煤灰摻量的增加，其凝結時間會有所延長，而在高性能混凝土中，粉煤灰對凝結時間會產生影響之外，水泥的性能、用水量、環境溫度等也會對凝結時間產生影響。因此，預測高性能混凝土凝結時間應通過試驗確定。

3.2 FA對混凝土力學性能的影響

粉煤灰對混凝上強度有三種影響:減少用水量、增大膠結材含量和通過長期火山灰反應提高其強度。低鈣粉煤灰中的微粒為硅氧四面體結構，自身的活性很低。在水泥的最終產物中，高堿性水化硅酸鈣和Ca(OH)2膠體的結晶強度很低，特別是Ca(OH)2僅是托勃莫來石強度的1-2%，而Ca(OH)2體積占整個水泥石體積的25%。粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物，能逐步與Ca(OH)2及高堿性水化硅酸鈣發生二次反應，生成強度較高的低堿性水化硅酸鈣，這樣，不但使水泥石中水化膠凝物質的數量增加，而且也使其質量得到大幅度提高，有利于混凝上強度的提高。同時，粉煤灰的摻入可分散水泥顆粒，使水泥水化更充分，提高水泥漿的密實度，使混凝上中骨料與水泥漿的界而強度提高。粉煤灰對抗拉強度和抗彎強度的貢獻比抗壓強度還要大，這對混凝上的抗裂性能有利。粉煤灰混凝上的彈性模量與抗壓強度相類似，早期偏低，后期逐步提高，到28d時可比基準混凝上提高5-10%。對混凝土長期強度的影響除與粉煤灰的質量、與水泥的置換率有關外還與水泥的品種、水灰比及養護條件有關。研究發現，優質粉煤灰置換25%硅酸鹽水泥時，標準條件下養護3～6個月可與不含FA的混凝土達到相同的強度。如圖3.2所示。

粉煤灰的二次水化反應一般在混凝上澆筑14d以后才開始進行，在溫度低時，該反應所需的時間更長。如果對混凝上的早期強度有嚴格要求，粉煤灰的摻量宜小于30%，冬季施工非大體積混凝上時，粉煤灰的摻量宜小于20%，由于現代混凝土中外加劑的使用，一方面，可減少混凝上拌和用水量，減小水灰比，提高混凝上中水泥的濃度；另一方面，減水劑能使水泥中硅酸鈣水化所產生的Ca(OH)2增多，有利于粉煤灰與Ca(OH)2的二次水化反應，激發粉煤灰的活性，這對于改善粉煤灰的早期強度是有效的，另外，使用粉煤灰活性激發劑或在非大體積混凝上中使用早強型水泥，也可以補償粉煤灰的摻入對混凝上早期強度的影響。

為保證高性能混凝土的耐久性和工作性，活性礦物摻合料是必不可少的組分。但礦物外加劑的摻入，會影響混凝土的強度發展，特別是早期強度。在配置HPC時，應采用優質的摻合料，對于FA，一般希望采用粒徑10um、比表面積約為7850cm2/g，應特別注意優質粉煤灰和礦渣的需水量比都小于100%，對混凝土有明顯的減水增強的作用。

3.3 FA對混凝土水化熱的影響

圖3.2 FA置換率和混凝土抗壓強度

粉煤灰對降低混凝土水化熱的作用十分明顯。低鈣粉煤灰在頭幾天的水化程度并不明顯，所產生的水化熱僅及水泥的一半。在混凝上中用粉煤灰取代20%的水泥，可使混凝上7d的水化熱下降11%。1～28d齡期內，大致為摻入粉煤灰的百分數，就是溫升和水化熱降低的百分數。在大體積混凝土中粉煤灰的摻入一般可使水化熱峰出現的時間延緩至3d以后才出現，可以有效防止混凝土產生溫度裂縫。

3.4 FA對混凝土耐久性的影響

3.4.1 對抗滲性的影響

影響混凝土抗滲性的主要因素是混凝土的孔結構，包括孔的大小、數量、曲折度以及分布狀況等。粉煤灰中的微細顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，發生火山灰反應生成二次C-S-H凝膠，可以填充其中的孔隙，改善混凝上中水泥石的孔結構，使總的孔隙率降低，大孔數量減少，小孔數量增多，孔結構進一步細化，分布更為合理，混凝上更加密實，抗滲性能得以提高。粉煤灰混凝土抗滲性能比基準混凝上有所提高，這在于火山灰反應，使普通混凝土內性能小穩定的氫氧化鈣轉為結構上致密、性能上穩定的膠凝物質，使其提高了混凝土的抗滲性。粉煤灰的火山灰反應是一個長期進行的過程，不斷進行的火山灰反應，使粉煤灰混凝上的孔結構進一步優化，混凝上的抗滲性也進一步改善。粉煤灰混凝上的抗滲性能與粉煤灰的摻量和混凝土的齡期有關。當粉煤灰的摻量為30%時，其滲透系數僅為純水泥混凝土的38.5%；65d齡期的滲透系數可比28d時提高一個數量級。

3.4.2 對抗凍性的影響

粉煤灰混凝土28d以前齡期，混凝土的孔結構較純水泥混凝土的大，故粉煤灰混凝土的早期抗凍性要下降。隨著粉煤灰摻量的增加，抗凍性下降的幅度也越大。但隨著齡期的增長，其抗凍性下降的幅度大大縮小。在等強超量取代的條件下，則對抗凍性的影響不大。在混凝土中以15%的粉煤灰代替相應的水泥，其抗凍性超過基準混凝土，但摻量太高(50%)時，經過150-200次凍融，混凝土出現明顯破壞。粉煤灰的摻入量與混凝土抗凍性能的關系，如圖3.3所示。混凝土的含氣量也是影響混凝土抗凍能力的重要因素。對處于嚴寒地區的粉煤灰混凝土工程，摻入適量的引氣劑，可提高其抗凍性能。粉煤灰的含碳量、燒失量、碳化性質、細度以及粉煤灰的摻量等會影響混凝土的含氣量。隨粉煤灰摻量的增加，在相同引氣劑摻量下，混凝土的含氣量呈下降趨勢，影響混凝土的抗凍性。一般認為這是由于引氣劑引入的氣泡被粉煤灰中的細微顆粒吸附成的。對引氣量小于3.5%的粉煤灰混凝土，其水灰比對抗凍性有顯著的影響，水灰比越小，抗凍性能越好，如果混凝土中有足夠的含氣量，則其水灰比對混凝土的抗凍性能影響不大。

3.4.3 對混凝土碳化性能的影響

圖3.3 粉煤灰摻量與混凝土抗凍性

粉煤灰混凝土的抗碳化性能較差。粉煤灰混凝土中，由于的水泥用量的減少，水泥水化析出的Ca(OH)2數量也相應減少，而且，火山灰反應也消耗了一定量的Ca(OH)2，使混凝土的PH值降低，會增加混凝土的碳化速度。特別在水化早期，粉煤灰火山灰反應程度低，粉煤灰、水泥體系孔結構疏松，CO2、O2、水分等入侵阻力小，因此碳化深度較大。隨著齡期的增長和粉煤灰火山灰效應的逐漸發揮，碳化速度將逐漸降低。研究中發現，粉煤灰混凝土的碳化深度隨水灰比及粉煤灰摻量的增加而有所增加。在水灰比為0.5～0. 55，粉煤灰摻量不大于30%和一般施工水平的情況下，15～17年混凝土的碳化深度可達20mm左右。因此，對高性能混凝土的材料選擇中，要考慮FA混凝土的碳化問題，國家標準GBJ146-90中規定了粉煤灰在混凝土中取代水泥的限量，見表3.1。

碳化反應在一定的相對濕度范圍內進行最快，否則，反應較慢。當相對濕度在25%以下或者接近100%，即混凝土在充分干燥或水飽和的場合，混凝土都不易產生碳化收縮。在基礎工程等不與大氣接觸的混凝土工程中，由于與CO2隔絕，不會發生碳化反應，因此可較多地摻加粉煤灰，以充分降低混凝土的水化熱，提高混凝土的耐久性。采用超量取代法，較低的水膠比，同時摻加以減水劑為主的外加劑進行配合比設計，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。

表3.1 FA取代水泥最大限量 單位：%

3.4.4 FA對混凝土堿-集料反應的影響

國內外的工程實踐已經表明，粉煤灰可以有效抑制混凝土堿-集料反應粉煤灰對ASR的抑制作用表現為混凝土中的堿和Ca(OH)2的相互作用。一方面，粉煤灰中的活性成分S02, Al203與水泥的水化產物Ca(OH)2反應，降低混凝上的堿度；另一方而粉煤灰較大的比表面積可吸收K+、Na+, OH-，使之富集在粉煤灰微粒的表面，使骨料周圍的堿金屬離子及OH-減少，降低混凝上孔隙中的堿濃度，從而削弱了混凝上的堿-集料反應。研究中發現，粉煤灰摻量大于20%時，抑制堿-集料反應才有效，當摻入30%時可有效抑制堿-集料反應。低鈣粉煤灰中的有效Na20和K20都能加速水泥的水化反應，并且能激發粉煤灰中化學活性成分S02, Al203與Al203的二次水化反應，因此粉煤灰中的有效堿是有益的，在計算混凝土的總堿量時，粉煤灰帶入的有效堿量可按粉煤灰總堿量的15%計算。

3.4.5 FA對混凝土抗腐蝕性的影響

粉煤灰混凝上抗硫酸鹽侵蝕的能力有所提高。一方而，由于減少了水泥用量，也就減少了混凝上受腐蝕的內部因素；另一方而，粉煤灰的細微顆粒均勻分散到水泥漿體中，會成為大量水化物沉積的核心，隨著水化齡期的發展，這些細微顆粒及其水化反應產物填充水泥石孔隙，改善了混凝上的孔結構(“微集料效應”)，逐漸降低混凝上的滲透性，阻礙侵蝕性介質侵入。氯鹽是促使鋼筋銹蝕，威脅鋼筋混凝上建筑物耐久性的最危險物質，是促使混凝上中鋼筋去鈍化的無可匹敵的殺手。

對于高性能混凝土粉煤灰質量應滿足表3. 2的規定。在施工現場必須控制礦物摻合料與配合比選擇時所采用的材料相同，現場應按施工配合比用量通過計量加入。配制高性能混凝土的礦物摻合料（Ⅰ級粉煤灰、磨細礦粉）應符合GB1596-91和GB/T18046-2000的規定。Ⅰ級粉煤灰需水量比不應大于100%，磨細礦粉比表面積應大于450m2/kg。滲入的引氣劑、保坍劑及其他改善混凝土性能的外加劑應符合GB8076的規定，其品種及數量由試驗確定。

4. 結束語

粉煤灰曾被認為是工業“三廢”之一，目前，全世界粉煤灰的年產量約為500億噸，我國年排放粉煤灰約11000萬噸，利用率僅為42%，隨著工業的發展，粉煤灰排放量還將逐年大幅增加。因此，合理地推廣應用粉煤灰，不僅能節約土地和能源，而且能保護和治理環境，具有重要的現實意義。

[1]魏鴻漢,建筑材料[M].北京:建筑工業出版社,2007.

[2]韋于民.大摻量粉煤灰在混凝上中的應用[J].監理簡訊,2001,(6).；

[3]陳建奎.混凝土外加劑的原理與應用[M].北京：北京計劃出版社，1996.

[4]P.K.Mehta, Aitcin Pierre-Claude C. Principles underlying production of high performance concrete[J]. Cem Concr Aggregates. 1990，12 (2): 70一78.

[5]姚燕.新型高性能混凝土的耐久性的研究與工程應用[M].北京:中國建材工業出版社,2004.

[6]張雅杰.粉煤灰在混凝土中適宜摻量的研究[J].粉煤灰綜合利用,2004,(1).

[7]馮乃謙.高性能混凝土結構[M].北京:機械工業出版社，2004.

（責任編校：何俊華）

TU528

A

1673-2219（2010）08-0054-04

2010－03－25

魏秀瑛（1973－）女，碩士、講師、工程師、國家一級注冊建造師、監理工程師，主要從事建筑構造、工程材料等教學研究及現場實踐工作。