粉煤灰對混凝土性能的影響和工程應用

王錫武

（長春市軌道交通集團有限公司，吉林 長春 130000）

改革開放以來，我國基建規模迅速增長，水泥用量成倍增長。據調查，每生產1噸水泥就會產生0.9噸二氧化碳，這只是水泥石分解產生的二氧化碳量，而不包括水泥生產過程中消耗電力產生的二氧化碳量。溫室氣體是加速全球變暖的主要原因。同時，我國是用煤大國，因燒煤產生的灰渣量逐年增加，儲存灰渣占用了大量良田，若這些灰渣得不到有效利用，就會污染環境。為了促進粉煤灰的合理利用，國家和地方政府分別出臺了鼓勵利用粉煤灰的政策，由最初的利用率不足10%提高到70%左右。從研究資料中可以看出，我國的粉煤灰主要用于建筑工程和基礎建設，這是提高粉煤灰利用率的最有效途徑。

1 粉煤灰的活化特性

粉煤灰是從火電廠煙道中收集的粉末，屬于火電廠的主要廢棄物。粉煤灰的主要成分包括二氧化硅、氧化鋁和氧化鐵，這些主要的礦物成分多以不穩定的玻璃體形式存在。粉煤灰具有潛在的火山灰特性，在堿激發的條件下可發生水化反應，生成具有一定強度的鈣礬石和硅酸凝膠。粉煤灰最初是作為活性摻合料添加到硅酸鹽水泥中，以調整水泥標號。粉煤灰的摻入可在一定程度上改善水泥的某些特性，使水泥的應用范圍更廣。同時，可以提高混凝土的產量、降低成本。通過對粉煤灰自身結構特點的研究，發現粉煤灰分子間的化學鍵能更高、粘合度較高，常溫下粉煤灰的化學性質更加穩定。但其化學活性較低，水化反應速度非常緩慢。要想充分發揮粉煤灰的活性，可采取以下三種途徑：

（1）分選加工。將粉煤灰按不同顆粒大小進行分選，在相同質量的情況下，顆粒更細的粉煤灰總表面積更大、活性更高。分選的優勢在于將粉煤灰按照顆粒細度進行分級，這是一種常用的分級定價方法，適用于對粉煤灰性能有不同要求的工程領域；分選粉煤灰的弊端是未改變粉煤灰的顆粒形態、破壞粉煤灰顆粒表面的玻璃體結構，只是將粉煤灰顆粒分成不同的細度級別，細度越小，其活性越高，但分選出來的中顆粒和粗顆粒粉煤灰活性比分選前的活性更低，在本質上并沒有改善分選前粉煤灰的總體活性。

（2）將粉煤灰進行二次加工處理。主要是將粉煤灰原粉充分研磨，將粉煤灰顆粒表面堅硬且密實的玻璃質外殼磨碎，以增加火山灰效應的表面積，使混凝土的鈣離子更容易與粉煤灰玻璃質中的硅、鋁結合。微觀機理分析得知，磨細的粉煤灰晶體原有狀態被破壞且粉煤灰顆粒化學鍵被切斷，能夠生成分子活性更高的原子基團和帶電荷界面。同時，粉煤灰的結構形狀更不規則且顆粒缺陷更高，粉煤灰顆粒活性更高。能量角度分析得知，將粉煤灰磨細后可增加顆粒的化學性能、不穩定性和活性。綜合分析得知，磨細的粉煤灰無論是其活化效應、形態效應，還是其經濟性，在二次加工的整體方面優勢更明顯。

（3）摻入化學激發劑。通過一定量的化學激發劑激發粉煤灰的堿性或硫酸鹽，可有效激發粉煤灰的活性。但應嚴格控制激發劑的用量，當激發劑摻入量較少時，激發效果不明顯；當激發劑摻入過量時，會產生一些不利影響。所以，一定要控制激發劑用量。經試驗研究得知，水泥可有效激發粉煤灰，且十分經濟、適用性更高，兩者的細度是影響活性的關鍵因素，水泥和粉煤灰的顆粒細度越小，激發效果越明顯。因此，在混凝土中摻入粉煤灰十分科學，工程適用性更高。

2 粉煤灰對混凝土工作性能的影響

（1）粉煤灰的密度比水泥小，在配制混凝土時，用粉煤灰替代水泥可在一定程度上增加混凝土的漿體體積。

（2）混凝土的工作性能主要與混凝土的配合比設計有關。在配合比相同的情況下，用粉煤灰替代水泥可增加混凝土的漿體體積和漿體塑性，具有降低混凝土漿體黏度的作用。同時，可增加混凝土漿體中氧化鈣和二氧化硅的濃度，在一定程度上降低水泥和粉煤灰處于高堿環境中顆粒分散度的穩定性，有效改變混凝土的流變特性。

（3）粉煤灰原有顆粒形貌多為球形，若采用分選的粉煤灰，粉煤灰的原有顆粒形貌不受破壞。當拌和混凝土時，球形粉煤灰在混凝土中充當滾珠，可有效降低混凝土的黏稠度，增加混凝土的流動性。

（4）粉煤灰的用水量相較于水泥更低。在用水量相同的情況下，用粉煤灰替代水泥配制混凝土，其工作性能、坍落度更優。但粉煤灰的替代量不宜過高，若替代量過高，將導致新拌混凝土保水性較差、混凝土的黏度變差，還會影響混凝土澆筑成型，延長混凝土初凝和終凝的時間，過長的終凝時間不利于混凝土養護成型。

3 粉煤灰對混凝土力學性能的影響

（1）粉煤灰的活化特性相對較低，當用粉煤灰替代水泥配制混凝土時，隨著粉煤灰用量的增加，混凝土漿體中的水泥占比會下降，水泥含量降低將直接影響混凝土水化反應的速度。水化反應的成分主要由水泥提供，水泥遇水很快發生水化反應，釋放大量熱量。摻入粉煤灰可降低混凝土攪拌和成型養護過程中釋放的熱量，使混凝土不易在攪拌過程中因溫度過高而縮短混凝土的初凝時間，在一定程度上可延長初凝時間，有利于混凝土遠距離運輸，降低長時間運輸導致混凝土有較大坍落度的損失。

（2）大體積混凝土澆筑摻入粉煤灰，減少水泥用量，可有效降低因水泥水化反應釋放的熱量，從而避免混凝土產生溫度裂縫而降低混凝土的力學性能、抗滲性能、抗離子侵蝕性能等。

（3）由于混凝土的早期強度較低，在混凝土中摻入粉煤灰會減少水泥含量，在一些建筑工程中會影響混凝土模板的周轉速度，影響施工進度。因此，在一定程度上限制了粉煤灰的摻入量。粉煤灰的主要作用是在水泥水化產物的基礎上進一步發生水化反應，經大量試驗研究發現，粉煤灰對混凝土的抗折和抗壓強度不會引起特殊影響。與普通混凝土相比，摻入粉煤灰的混凝土3天和7天抗壓強度更低（在相應需求下，可通過摻入早強劑或調整混合料來提升混凝土的早期強度）。當水泥的強度生成率降低后，粉煤灰會持續發生火山灰反應。摻入粉煤灰的混凝土早期強度等于或低于普通混凝土，后期強度則等于或高于普通混凝土。對長齡期粉煤灰強度的貢獻率進行試驗研究，以28天強度作為基準強度，摻入粉煤灰的混凝土360天強度與28天強度相比，提升了60%。而普通混凝土360天強度與28天強度相比，提升了30%。可見，28天強度并不能真實反映摻入粉煤灰對混凝土性能的提升效果。還有一些學者和專家對更長齡期的粉煤灰混凝土進行試驗研究，發現粉煤灰能顯著提升混凝土的終期強度，其耐久性能可持續10年以上，這一特點使粉煤灰成為生產高強混凝土的有效成分。

4 粉煤灰混凝土的工程應用

目前，粉煤灰已廣泛應用于土建工程、預制混凝土制品、大體積混凝土等領域。在土建工程的主要應用原因是粉煤灰具有較好的和易性、水密性。同時，還具有低水化熱、較小膨脹收縮、耐有害離子侵蝕性能強及后期強度高等特點。由于粉煤灰的耐海水侵蝕能力較強，并具有較好的水密性，使粉煤灰混凝土較好地應用于臨海工程，如膠州灣跨海大橋、港珠澳跨海大橋、廈門大橋和海瀾大橋等。

（1）粉煤灰混凝土具有和易性好、后期強度高等特點，已廣泛應用于工業或民用建筑的梁、板、柱和地面等部位。同時，其較好的和易性有利于混凝土澆筑過程中的振搗成型，更有利于現場施工。

（2）粉煤灰混凝土被預制混凝土制品廠廣泛應用，其主要原因在于粉煤灰混凝土的和易性優于普通混凝土。粉煤灰在一定程度上改善了混凝土的工作性能，縮短了混凝土的振搗時間。摻入粉煤灰的混凝土可有效改善混凝土制品成型后的外觀質量，減少因混凝土流動性差導致成型的預制混凝土表面產生較多氣泡和蜂窩麻面。同時，由于粉煤灰是電廠煙筒中的廢棄物，其價格更低，可在不降低預制混凝土制品強度的情況下取代一定量的水泥，減少水泥用量，從而降低預制混凝土構件的成本，經濟效益更好。

（3）針對大體積混凝土，如油井平臺、大型基礎及混凝土重力水壩等工程領域，混凝土的用量較大。當選用普通水泥配制混凝土時，水化熱可引起較大的體積變化，使混凝土產生不同的膨脹變形和不同程度的裂縫，故在澆筑大體積混凝土時應選用特殊水泥，如水化熱較低的低熱水泥或采取埋置水管冷卻降溫的方式。由于粉煤灰混凝土能顯著降低水化熱，比特殊水泥降溫更多，能延緩凝結時間，有利于大體積混凝土連續澆筑施工，還能在一定程度上改善混凝土的抗滲性能，尤其對于低強度混凝土，水泥用量較少，其抗滲效果更強。因此，用粉煤灰混凝土更適合澆筑大壩等大體積混凝土。

5 結語

粉煤灰具有優良的活化特性，摻入粉煤灰的混凝土工作性能和力學性能均能得到不同程度的提升，由于粉煤灰混凝土性能良好，已廣泛應用于工程領域。