粉煤灰高性能混凝土的工程應(yīng)用

尚書一

(中國(guó)二冶集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 概述

粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，資源豐富、價(jià)格代廉，且含有大量的活性成分，是現(xiàn)代混凝土中非常重要的一個(gè)組分。優(yōu)質(zhì)粉煤灰合理地應(yīng)用于混凝圭中，不但能部分代替水泥，節(jié)省工程造價(jià)，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，改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土中的理想摻和料。在現(xiàn)代混凝土中，粉煤灰已經(jīng)與水泥、集料、水、外加劑同樣重要，成為混凝土中的一個(gè)組分。粉煤灰高性能混凝土是以耐久性為主要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的混凝土。它以優(yōu)異的耐久性（而不是高強(qiáng)度）為主要特征，也就是說(shuō)，任何強(qiáng)度等級(jí)的混凝土都可以做成高耐久性混凝土。為達(dá)到高耐久性，粉煤灰混凝土應(yīng)具備的性能是：在新拌狀態(tài)有良好的工作性，即高流動(dòng)性而不離析、不泌水，以使成型均勻、密實(shí)，水化硬化早期的沉降收縮和水化收縮小、溫升低，硬化過(guò)程干縮小，以達(dá)到無(wú)初始裂縫，硬化后的滲透性低。

1 對(duì)“粉煤灰效應(yīng)”的認(rèn)識(shí)

粉煤灰的“功能”和“效應(yīng)”是所有粉煤灰材料技術(shù)和工程的應(yīng)用基礎(chǔ)。在混凝土中摻加粉煤灰，應(yīng)對(duì)粉煤灰的功能作全面的認(rèn)識(shí)，由原來(lái)對(duì)粉煤灰的“火山灰反應(yīng)”及“經(jīng)濟(jì)組分”的概念，擴(kuò)展到“粉煤灰效應(yīng)”的技術(shù)意識(shí)，使得粉煤灰功能能夠更好地服務(wù)于混凝土的性能改善和質(zhì)量提高。粉煤灰在混凝土中的作用有以下幾點(diǎn)：

（1）形態(tài)效應(yīng)：粉煤灰的主要礦物組成是海綿狀玻璃體、鋁硅酸鹽玻璃微珠，這些玩弄玻璃3體表面光滑，粒度細(xì)，質(zhì)地致密，內(nèi)比表面積小，對(duì)水的吸附力小，這一系列的物理特性，不僅減小了混凝土的內(nèi)摩阻力，有利于混凝土流動(dòng)性的提高，而且對(duì)混凝土有不同程度的“減水”作用。

（2）活性效應(yīng)：粉煤灰的活性成分SiO2和AI2O3與水泥的水化產(chǎn)物在有水的情況下發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化硫鋁酸鈣(CA-S-H)，這些反應(yīng)幾乎都在水泥漿孔隙中進(jìn)行，生成的水化產(chǎn)物填充、分割原來(lái)的大孔，使孔隙細(xì)化，可降低混凝土內(nèi)部的孔隙率，改變孔結(jié)構(gòu)，提高混凝各組分的粘結(jié)作用。

（3）微集料效應(yīng)：粉煤灰中的微細(xì)顆料均勻分布在水泥顆粒之中，填充孔隙，起到“細(xì)化孔隙”的作用，同時(shí)，阻止水泥顆粒的相互粘聚，而使之處于分散狀態(tài)，有利于混合物的水化反應(yīng)，粉煤灰不會(huì)完全與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，能長(zhǎng)期保持其“微集料效應(yīng)”。

（4）界面效應(yīng)：集料與水泥石之間的界面是混凝土結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，過(guò)渡區(qū)域的寬度隨水灰比、集料吸附特性不同而異，過(guò)渡區(qū)域具有比水泥漿體更多、更大的孔隙，摻加粉煤灰能減小過(guò)渡區(qū)域?qū)挾龋蓴_過(guò)渡區(qū)域中Ca(OH)2晶體的取向性，提高混凝土中的界面強(qiáng)度和密實(shí)性。

2 粉煤灰混凝土的性能

粉煤灰對(duì)混凝土性能的改變可分為三個(gè)階段：

（1）新拌混凝土階段：影響混凝土的凝結(jié)時(shí)間，改善和易性，改變流變性質(zhì)，提高可泵性等；

（2）硬化中的混凝土階段：調(diào)節(jié)硬化過(guò)程，降低水化熱；

（3）硬化后的混凝土階段：提高后期強(qiáng)度，提高各項(xiàng)耐久性，如抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕性，抑制堿—集料反應(yīng)等。

2.1 強(qiáng)度

粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度有三種影響：減少用水量、增大膠結(jié)材含量和通過(guò)長(zhǎng)期火山灰反應(yīng)提高其強(qiáng)度。低鈣粉煤灰中的微粒為硅氧四面體結(jié)構(gòu)，自身的活性很低。在水泥的最終產(chǎn)物中，高堿性水化硅酸鈣和Ca(OH)2膠體的結(jié)晶強(qiáng)度很低，特別是Ca(OH)2僅是托勃莫來(lái)石強(qiáng)度的1-2%，而Ca(OH)2的體積占整個(gè)水泥石體積的25%。粉煤灰中含有的大量的硅、鋁氧化物，能逐步與Ca(OH)2及高堿性水化硅酸鈣發(fā)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度較高的低堿性水化硅酸鈣，這樣，不但使水泥石中消化膠凝物質(zhì)的數(shù)量增加，而且也使其質(zhì)量得到大幅度提高，有利于混凝土強(qiáng)度的提高。同時(shí)，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(shí)度，使混凝土中骨料與水泥漿的界面強(qiáng)度提高。粉煤灰對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比抗壓強(qiáng)度還要大，這對(duì)混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度相類似，早期偏低，后期逐步提高，到28d時(shí)可比基準(zhǔn)混凝土提高5-10%。與鋼筋的握裹力，粉煤灰混凝土的28d粘結(jié)強(qiáng)度基本與等標(biāo)號(hào)的基準(zhǔn)混凝土相同，但粉煤灰混凝土的均勻性好，粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)值的離散性比基準(zhǔn)混凝土好。

粉煤灰的二次水化反應(yīng)一般在混凝土澆筑14d以后才開(kāi)始進(jìn)行，在溫度低時(shí)，該反應(yīng)所需的時(shí)間更長(zhǎng)。如果對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度有嚴(yán)格要求，粉煤灰的摻量不宜超過(guò)30%,冬季施工非大體積混凝土?xí)r，粉煤灰的摻量不宜超過(guò)20%。由于現(xiàn)代混凝土中外加劑的使用，一方面，可減少混凝土拌和用水量，減小水灰比，提高混凝土中水泥的濃度；另一方面，減水劑能使水泥中硅酸鈣水化所產(chǎn)生的Ca(OH)2增多，有利于粉煤灰與Ca(OH)2的二次水化反應(yīng)，激發(fā)粉煤灰的活性，這對(duì)于改善粉煤灰的早期強(qiáng)度是有效的，另外，使用粉煤灰活性激發(fā)劑或在非大體積混凝土中使用早強(qiáng)型水泥，也可以補(bǔ)償粉煤灰的摻入對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響。

2.2 和易性

粉煤灰對(duì)混凝土和易性的改善作用有以下幾點(diǎn)：

（1）優(yōu)質(zhì)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(wú)棱角，性能穩(wěn)定，在混凝土的泵送、振搗過(guò)程中起著一種類似于軸承的潤(rùn)滑作用。

（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和離析現(xiàn)象。

2.3 收縮

混凝土的收縮與混凝土的拌和用水量和漿體體積有關(guān)，用水量越少，收縮也越小。優(yōu)質(zhì)的粉煤灰需水量比小于100%，拌和水量的減少使摻粉煤灰混凝土28d后的自干燥收縮和干燥收縮都小。粉煤灰混凝土的干縮也隨粉煤灰摻量的提高而降低。但由于粉煤灰混凝土的水化反應(yīng)慢，水份蒸發(fā)快，所以粉煤灰對(duì)混凝土的早期干縮影響很大。為防止粉煤灰混凝土的早期收縮開(kāi)裂，對(duì)其更應(yīng)加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)。

2.4 徐變

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

2.5 碳化性能

粉煤灰混凝土的抗碳化性能較差。粉煤灰混凝土中的水泥用量減少，水泥水化析出的Ca(OH)2數(shù)量也相應(yīng)減少，而且，火山灰反應(yīng)也消耗了一定量的Ca(OH)2，使混凝土的PH值降低，會(huì)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(yīng)程度低，粉煤灰-水泥體系孔結(jié)構(gòu)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(zhǎng)和粉煤灰效應(yīng)的逐漸發(fā)揮，碳化速度將逐漸降低。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(dá)20mm左右。碳化反應(yīng)在一定的相對(duì)濕度范圍內(nèi)進(jìn)行最快，否則，反應(yīng)較慢。當(dāng)相對(duì)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(chǎng)合，混凝土都不易產(chǎn)生碳化收縮。在基礎(chǔ)工程等不與大氣接觸的混凝土工程中，由于與CO2隔絕，不會(huì)發(fā)生碳化反應(yīng)，因此可較多地?fù)郊臃勖夯遥猿浞纸档突炷恋乃療幔岣呋炷恋哪途眯浴２捎贸咳〈ǎ^低的水膠比，同時(shí)摻加以減水劑為主的外加劑進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。

2.6 鋼筋銹蝕

混凝土中的鋼筋能夠防銹是由于混凝土的堿性（PH≥12.5）在金屬表面形成一層致密的鈍化膜。在混凝土中摻加粉煤灰，一方面會(huì)消耗Ca(OH)2，降低混凝土的堿環(huán)境；另一方面，粉煤灰又與Ca(OH)2反應(yīng)生成水化物，提高混凝土的密實(shí)度，增加混凝土的不透水性和對(duì)氯離子擴(kuò)散的阻力，阻礙和防止CO2的侵入，可對(duì)鋼筋起保護(hù)作用，所以粉煤灰的摻入，在防止鋼筋銹蝕方面，可以抵消因堿度降低帶來(lái)的不利影響。粉煤灰在一定的摻量范圍（FA≤24%），對(duì)鋼筋銹蝕基本無(wú)影響，甚至優(yōu)于空白混凝土。但是若粉煤灰的摻量大于30%，混凝土的碳化可使混凝土的PH值由12.5降至8.5左右，在這樣低的PH值條件下，鋼筋不再鈍化。當(dāng)碳化深度到達(dá)鋼筋位置，保護(hù)層被完全碳化，在水與氧氣滲入的條件下，鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕而導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂甚至破壞。

2.7 水化熱

粉煤灰對(duì)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(chǎn)生的水化熱僅及水泥的一半。在混凝土中用粉煤灰取代20%的水泥，可使混凝土7d的水化熱下降11%。1-28d齡期內(nèi)，大致為摻入粉煤灰的百分?jǐn)?shù)，就是溫升和水化熱降低的百分?jǐn)?shù)。在大體積混凝土中粉煤灰的摻入一般可使水化熱峰出現(xiàn)的時(shí)間延緩至3d以后才出現(xiàn)，可以有效防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。