大摻量粉煤灰對高性能混凝土的影響

石永莉

河南省長垣縣建筑工程質量監督站（453400）

大摻量粉煤灰對高性能混凝土的影響

石永莉

河南省長垣縣建筑工程質量監督站（453400）

隨著混凝土技術的發展，高強已不再是混凝土的首要指標，而越來越多地強調力學性能、耐久性以及經濟性。本文著重介紹粉煤灰摻入混凝土的技術性能以及存在的問題，探討大摻量粉煤灰高性能混凝土的發展和應用前景。

大摻量粉煤灰；高性能混凝土；綠色高性能

0 前言

高性能混凝土（簡稱HPC），是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的混凝土，它以耐久性作為設計的主要指標。針對不同用途要求，高性能混凝土具有耐久性、工作性、適用性、強度高、體積穩定性、經濟性等特點。為此，高性能混凝土在配制上的特點是：低水灰比,選用優質原材料，必須摻加足夠數量的礦物摻和料和高效外加劑。

隨著高性能混凝土的發展，綠色混凝土的開發已成為建材業走可持續發展之路的內在要求之一。開發綠色水泥旨在用最少的資源、能源，建造耐久、均勻、安全、經濟且無公害的混凝土材料和構筑物。國外研究人員研究低水泥耗用量的Economical concrete。國內吳中偉院士也曾提出“環保型高效水泥基材料”的思路，這種開發綠色水泥的思路是以大幅度降低混凝土中水泥用量為主要途徑，從而達到大幅度節約自然礦產資源、節約能源、控制和減少污染、控制環境負荷的目的。因而，該應用技術的研究拓展既是混凝土科學發展的需要，更是走可持續發展之路、益國益民的需要。

1 大摻量粉煤灰高性能混凝土技術優勢

粉煤灰是粉煤燃燒的產物。粉煤在1 500～1 700℃的溫度下燃燒,大部分廢渣微粒從煙囪里排放出來，形成“飛灰”。為了減少環境污染，國內外許多發電廠采用靜電、袋式或機械除塵裝置，將其從煙氣中收集起來，從煙氣中收集的煤灰占全部煤灰的80%～85%。隨著工業化的發展，能源危機、環境污染、礦物資源枯竭等問題越來越突出。以電力工業為例，我國發電以火電為主，目前，電廠粉煤灰年排放量9 000多萬噸，占地30多萬畝，而且排放量增長率劇增，已成為社會一大公害。建筑工業每生產1噸水泥熟料,排放1噸CO2氣體，耗煤0.2 t。按可持續發展戰略，硅酸鹽水泥和常規混凝土的生產必將受到越來越嚴格的限制。

粉煤灰是一種呈玻璃態實心或空心的球狀微顆粒，比水泥粒子小得多，比表面積極大，表面光滑致密，其成分主要是活性氧化硅或氧化鋁[1]。摻入混凝土中的粉煤灰主要產生以下幾方面影響：

1）活性效應

在常溫下，粉煤灰的水化反應比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期強度得不到補償，所以混凝土早期強度隨粉煤灰摻量的增加而降低。隨著時間的推移，粉煤灰中活性部分SiO2和Al2O3與水泥水化生成的Ca(OH)2發生反應，生成大量水化硅酸凝膠。粉煤灰外部的一些水化產物在成長過程中也會像樹根一樣伸入顆粒空隙中，填充空隙，破壞界面區Ca(OH)2的擇優取向排列，大大改善了界面區，促進了混凝土后期強度的增長。

2）微集料密實填充及顆粒形態效應

均勻分散在混凝土中的粉煤灰顆粒不會大量吸水，不但起著滾珠作用，而且與水泥粒子組成了合理的微級配，減少填充水數量，影響系統的堆積狀態，提高堆積密度，具有減水作用，使新拌混凝土工作性能優良，混凝土微結構更加均勻密實。而且，不會發生沁水離析現象,可施工性和抹面性好，抗滲性、抗凍性強。

3）交互作用

水泥、粉煤灰、外加劑等不同粉料間會產生物理、化學的交互作用。例如,水泥水化生成的Ca(OH)2是粉煤灰的活性激發劑，而被激發了的粉煤灰一但水解，降低液相堿度，又會進一步促進未水化水泥水化。又如，粉煤灰顆粒比表面積大，在水泥水化早期可吸附外加劑，起到緩釋作用，從而減小新拌粉煤灰混凝土的坍落度經時損失。

另外，粉煤灰的使用大大節約水泥熟料，降低總堿量,可抑制堿-骨料反應；C3A總量也減少，降低水泥水化熱，減少了混凝土構件由于內外溫差過大而引起其表面開裂；粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2，因而粉煤灰混凝土耐化學侵蝕性比普通混凝土強得多。同時徐變、干縮等變形性能也優于普通混凝土。可見，大摻量粉煤灰對高性能混凝土具有優越的工作性、耐久性，力學性能也能達到設計要求，盡管早期強度低，但后期強度高，強度儲備大。

2 大摻量粉煤灰高性能混凝土存在的問題

大摻量粉煤灰混凝土的概念,早在1945年就由美國的Davis教授提出，火山灰質材料不是一種波特蘭水泥的替代物,而是混凝土的另一組分，使用它的目的在于提高混凝土的某種或某些性能。我國于20世紀80年代初從國外引進的碾壓混凝土筑壩技術，可以認為是大摻量粉煤灰混凝土的雛形。但是，大摻量粉煤灰的同時,又要混凝土兼具高性能，這項技術在工業與民用建筑工程中的推廣仍存在許多問題。

第一，粉煤灰混凝土的早期強度低，大摻量在觀念上仍存在推廣障礙,人們往往持保守態度。粉煤灰摻量過大，Ca(OH)2的激發功能不足，因此，當務之急就是尋找高效激發劑，使粉煤灰玻璃體中的Si-O、Al-O鍵快速斷裂，活性加大，以提高早期強度。第二，有人認為粉煤灰混凝土的抗碳化性能差，但也有文章提出不同觀點，尚待進一步研究。第三，粉煤灰混凝土的早期強度低，最適合用于對早期強度要求不高的工程，如果像普通混凝土一樣以28 d抗壓強度作為質量評定指標顯然不合適，應考慮采用齡期更長的強度指標作為粉煤灰混凝土的衡量標準。第四，現代混凝土正朝著復合化發展，其組分已經擴大到包括增強材料的范圍。比如，對于鋼纖維混凝土來說,粉煤灰有助于噴射性能的提高；對玻璃纖維和植物纖維來說,粉煤灰有利于降低堿度，緩和對纖維的侵蝕等。然而，對于粉煤灰混凝土組分的效應配伍問題，在國內還處于科研探索的初級階段,科研部門對有關的基本理論、應用技術及經濟效益都需要加快研究步伐。第五，有待進一步探討大摻量粉煤灰混凝土中粉煤灰、水泥以及外加劑等粉體間的交互作用及機理、科學的配合比設計方法和制定相應的施工及驗收規范[2]。

3 大摻量粉煤灰高性能混凝土的發展與應用前景

開發大摻量粉煤灰高性能混凝土技術，關鍵還在于原材料的選擇和配制技術的成熟上。首先，水泥仍作為不可缺少的膠凝材料。在大摻量粉煤灰混凝土中，水泥用量較少，應充分利用其膠凝效應和激發作用，即根據工程背景和高性能混凝土的性能要求，合理優選水泥品種和標號，優化水泥礦物組成和顆粒組成。其次，應有效地發揮大摻量粉煤灰的形態、微集料和活性效應，并于不同發展階段得以相得益彰的匹配。開發適用于大摻量粉煤灰高性能混凝土的高性能外加劑，也是一個重要的研究課題。

綜上所述，大摻量粉煤灰高性能混凝土具有優良的力學性能、工作性、耐久性以及不容忽視的經濟性，可用于道路工程、碾壓混凝土工程、回填工程、大體積水工工程，在房建工程中作為空心砌塊和墻體材料等，尤其應用在對強度要求不高或可延遲承重的結構物中更顯其優越性。因而，具有相當強的生命力，推廣應用前景十分廣闊。

[1]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].中國鐵道出版社,8.

[2]俞海勇,等.大摻量粉煤灰綠色高性能混凝土系統的構筑開發[J].江西建材,1998,1.