詳論粉煤灰在混凝土中的作用其機(jī)理分析

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，例如萬神殿，其直徑為44m的半球形穹頂就使用了12000噸這種膠凝材料和凝灰?guī)r輕骨料拌合而成的混凝土；還有聞名于世的圓形劇場等，這些建筑現(xiàn)在仍然安然無恙，2000年還有報(bào)道意大利人正在翻修圓形劇場，準(zhǔn)備在那里面舉行盛大的演出。今天在混凝土中摻用的粉煤灰，也是一種火山灰材料，大量的實(shí)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(jié)構(gòu)物的使用壽命有重要意義。

    現(xiàn)在作為混凝土主要膠凝材料的硅酸鹽水泥，同樣是以石灰石和粘土為主要原料經(jīng)過煅燒生成的。它問世于19世紀(jì)的30年代，至今尚不到200年歷史，因此用硅酸鹽水泥配制成混凝土建造的各種建筑物最長只有100多年，而國內(nèi)近些年修建的一些土木工程結(jié)構(gòu)物運(yùn)行不多年，就出現(xiàn)各種病害，甚至很快就遭到嚴(yán)重的破壞。例如北京的西直門立交橋，運(yùn)行僅20年就不得不拆除重建；更有甚者，據(jù)某省交通科研所一位所長坦言，那里的混凝土路面運(yùn)行三年不壞的很少！ 

80年代初，美國佛羅里達(dá)州建造了一座非常宏偉的跨海大橋，在該橋的建設(shè)過程中，考慮到周圍的侵蝕性環(huán)境，在混凝土里摻用了大量粉煤灰，工程質(zhì)量有很大改善。因而在1983年修訂規(guī)范時，對原來隨意使用粉煤灰的規(guī)定進(jìn)行了修訂[1]。新規(guī)范（S-346）規(guī)定：在中度以上侵蝕環(huán)境中的橋梁上部結(jié)構(gòu)，包括預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的混凝土中，必須摻用粉煤灰。其中大體積混凝土中粉煤灰的摻量為18~50%。 

    什么是大體積混凝土？許多人至今仍認(rèn)為那就是指大壩，也有些人把高層樓房的大型基礎(chǔ)包括在內(nèi)?？墒敲绹炷翆W(xué)會規(guī)定：任何現(xiàn)澆混凝土，其尺寸達(dá)到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響的，即稱為大體積混凝土。這個問題下面還要談到。 

摻粉煤灰混凝土的另一典型實(shí)例，是1982年英國的Garwick機(jī)場的停機(jī)坪擴(kuò)建工程，該工程在兩條相鄰的道面上對摻與不摻粉煤灰混凝土進(jìn)行了對比[2]。所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量達(dá)到46%。該工程經(jīng)運(yùn)行4年后所拍的照片清楚地顯示出：與純硅酸鹽水泥混凝土相對照，摻粉煤灰混凝土道面的表面層抗滑構(gòu)造仍基本完好，而前者則已坑坑點(diǎn)點(diǎn)，受到一定程度的破壞了。這個實(shí)際工程事例一方面說明：在低水膠比條件下，即使摻有大量粉煤灰，也可以獲得強(qiáng)度和耐久性都十分優(yōu)異的混凝土。 

1.粉煤灰的主要作用

粉煤灰在混凝土中的主要作用表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤滑層，由于粉煤灰的容重（表觀密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好（質(zhì)量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密實(shí)，在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。

（2）對水泥顆粒起物理分散作用，使其分布得更均勻。當(dāng)混凝土水膠比較低時，水化緩慢的粉煤灰可以提供水分，是水泥水化更充分。

（3）粉煤灰和富集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng)，不僅生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物（與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同），而且加強(qiáng)了薄弱的過渡區(qū)，對改善混凝土的各項(xiàng)性能有顯著作用。

（4）粉煤灰延緩了水化速度，減小混凝土因水化熱引起的溫升，對防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利。

（5）粉煤灰高性能混凝土的性能粉煤灰是一種呈玻璃態(tài)實(shí)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。摻入混凝土中的粉煤灰主要產(chǎn)生以下幾方面影響：

1.活性效應(yīng)：在常溫下，由于粉煤灰的水化反應(yīng)比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期強(qiáng)度得不到補(bǔ)償，所以混凝土早期強(qiáng)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AI2O3與水泥水化生成的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成大量水化硅酸凝膠。粉煤灰外部的一些水化產(chǎn)物在成長過程中也會象樹根一樣伸入顆粒空隙中，填充空隙，破壞界面區(qū)Ca（OH）2的擇優(yōu)取向排列，大大改善了界面區(qū)，促進(jìn)了混凝土后期強(qiáng)度的增長。

2.微集料密實(shí)填充及顆粒形態(tài)效應(yīng)：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?dāng)?shù)量，影響系統(tǒng)的堆積狀態(tài)，提高堆積密度，具有減水作用，使新拌混凝土工作性優(yōu)良，硬化混凝土微結(jié)構(gòu)更加均勻密實(shí)。而且，不會發(fā)生泌水離析現(xiàn)象，可施工性和抹面性好，抗?jié)B性、抗凍性好。

3.交互作用：水泥、粉煤灰、外加劑等不同粉料間會產(chǎn)生物理、化學(xué)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(fā)劑，而被激發(fā)了的粉煤灰一旦水解，降低液相堿度，又會進(jìn)一步促進(jìn)未水化水泥水化。又如混凝土坍落度經(jīng)時損失的原因之一是隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，高效減水劑的濃度降低，通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)超細(xì)粉末的粉煤灰顆粒存在大量比表面積相當(dāng)大的微珠以及一定量的多孔海綿狀的不規(guī)則小塊，可吸附外加劑，是外加劑的理想載體由于粉煤灰水化反應(yīng)緩慢，吸附在其上的高效減水劑在短時間內(nèi)不會起作用，之后才隨粉煤灰的水化得以逐漸釋放，因此新拌粉煤灰混凝土的坍落度經(jīng)時損失小。另外，目前生產(chǎn)的水泥含堿量不斷提高，粉煤灰的使用大大節(jié)約水泥熟料，抑制堿——骨料反應(yīng)；水泥中C3A含量少，水化產(chǎn)生的熱量少，減少了混凝土構(gòu)件由于內(nèi)外溫差過大而引起其表面開裂的危險(xiǎn)；粉煤灰水化消耗大量Ca（OH）2，混凝土不耐蝕成分減少，因而耐化學(xué)侵蝕性比普通混凝土強(qiáng)得多。同時徐變、干縮等變形性能也優(yōu)于普通混凝土綜上所述，大摻量粉煤灰高性能混凝土具有令人滿意的工作性、耐久性，力學(xué)性能也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，盡管早期強(qiáng)度低，但后期強(qiáng)度高，強(qiáng)度儲備大。用高質(zhì)量的粉煤灰取代部分水泥可大大改善新拌混凝土的工作性，因?yàn)椋?

（1）粉煤灰是由大小不等的球狀顆粒的玻璃體組成，表面光滑致密，在混凝土拌合物中能起滾珠作用；

（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，釋放更多的漿體來潤滑骨料；

（3）能減少用水量，使混凝土的水灰比降到更小水平，減少泌水和離析現(xiàn)象；

（4）具有良好的保水性，有利于泵送施工良好的工作性可大大改善混凝土的外觀質(zhì)量，同時也是混凝土內(nèi)在質(zhì)量的保證大摻量粉煤灰混凝土的良好的工作性能，對于解決目前混凝土存在的許多問題有很重要的作用。通過對粉煤灰摻量不同的新拌高性能混凝土進(jìn)行坍落度試驗(yàn)表明，摻加粉煤灰對混凝土工作性的改善十分明顯，各摻量粉煤灰混凝土的坍落度均大于基準(zhǔn)混凝上。取代率大于40%以后，隨著摻量的提高，由于粉煤灰的密度比水泥小，膠凝材料體積增大，需水量會有所上升，但即使粉煤灰摻量高達(dá)70%，混凝土坍落度仍大于基準(zhǔn)混凝土。同時，在實(shí)踐中可看到粉煤灰高性能混凝土的粘聚性·保水性好，無離析泌水現(xiàn)象。

2.粉煤灰在混凝土中的機(jī)理分析

（1）粉煤灰的形態(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，這些球狀玻璃體表面光滑、粒度細(xì)，質(zhì)地致密，內(nèi)比表面積小，不僅使水泥漿需水量小，而且它們往往填充水泥漿體孔隙中，使混凝土密實(shí)性大大提高，或者在相同用水量的情況下，可增大流動性，改善和易性和可泵性。

（2）粉煤灰的微集料效應(yīng)粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，阻止了水泥顆粒的相互粘聚，而處于分散狀態(tài)有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行，同時減少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密實(shí)度得以提高。

（3）粉煤灰的活性效應(yīng)粉煤灰的活性效應(yīng)也稱火山灰效應(yīng)，粉煤灰中的活性成份SiO2和AI2O3與水泥和石灰的水化產(chǎn)物在水溶液中發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，繼而與石膏反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣。上述這些反應(yīng)幾乎都是在水泥漿孔隙中進(jìn)行的，大大降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，改變了孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實(shí)度。

長期以來，國內(nèi)外的混凝土中常摻有一定量粉煤灰，但作為水泥的替代材料，絕大多數(shù)情況下是以如下三種方式應(yīng)用的：在旱期強(qiáng)度要求很低，長期強(qiáng)度大約在2535MPa的大體積混凝土中，大摻量的替代水泥使用；在結(jié)構(gòu)混凝土里較少量的替代水泥（10%～25%）；在強(qiáng)度要求很低的回填或道路基層里大量使用。由于高效減水劑的應(yīng)用，使混凝土的水膠比可以大幅度降低，從而使摻用粉煤灰的性能能夠大幅度的提高。

大摻量粉煤灰混凝土作為一種新型材料，具有自身獨(dú)特的優(yōu)越性，但是目前應(yīng)用范圍不大，這與人們的傳統(tǒng)觀念及技術(shù)上的差距有關(guān)。隨著該項(xiàng)技術(shù)不斷完善，大摻量粉煤灰混凝土一定會在各項(xiàng)建設(shè)中大顯身手人類要尋求與自然和諧，大摻量粉煤灰混凝上必將以其優(yōu)良的性能在保護(hù)環(huán)境、協(xié)調(diào)人類與自然的關(guān)系等方面起到積極的作用，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

    當(dāng)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(xué)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(yīng)用這種混凝土首先要檢驗(yàn)的問題。一般來說，當(dāng)水膠比只能在0.40以上時，在中等強(qiáng)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(zhì)量的穩(wěn)定性和粉煤灰品質(zhì)的穩(wěn)定性就比較高，當(dāng)兩者的質(zhì)量產(chǎn)生波動時，會給使用效果帶來明顯的影響。不過大摻量粉煤灰混凝土的水膠比較低這一特性，也有減小混凝土性能波動的益處。同時，從拌合物的工作度檢驗(yàn)中，操作人員比較易于獲得粉煤灰質(zhì)量發(fā)生了波動的信息，便于及時采取措施減小或避免損失。此外，工程所在地附近一定半徑范圍里，有可以適用的粉煤灰來源也十分重要，過長的運(yùn)輸距離不僅使粉煤灰使用費(fèi)用增加，也給及時滿足工程對粉煤灰貨源的需求帶來困難。 

    另外，在使用大摻量粉煤灰混凝土?xí)r，需要注意以下施工條件和事項(xiàng)：

1） 配制混凝土的骨料級配良好，以減小空隙率，利于水膠比降低，保證使用效果； 

2） 必須采用強(qiáng)制性攪拌機(jī)拌合這種混凝土，以保證其均勻性，由于它比較粘稠，在出機(jī)口、罐車進(jìn)料口、入泵口以及攤鋪過程要采取相應(yīng)措施； 

3） 混凝土坍落度應(yīng)控制比普通混凝土減?。ú挥绊懕盟团c震搗）；澆注后，要及早噴灑養(yǎng)護(hù)劑或覆蓋外露表面，但一般情況下無需噴霧或澆水養(yǎng)護(hù)； 

4） 氣溫過低時，要采用保溫養(yǎng)護(hù)措施，且適當(dāng)延緩拆模時間，使混凝土硬化和強(qiáng)度發(fā)展?jié)M足施工需要。 

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