詳論粉煤灰在混凝土中的作用其機理分析

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年還有報道意大利人正在翻修圓形劇場，準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)物運行不多年，就出現(xiàn)各種病害，甚至很快就遭到嚴重的破壞。例如北京的西直門立交橋，運行僅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行三年不壞的很少！ 

80年代初，美國佛羅里達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)，包括預應力構(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會規(guī)定：任何現(xiàn)澆混凝土，其尺寸達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例，是1982年英國的Garwick機場的停機坪擴建工程，該工程在兩條相鄰的道面上對摻與不摻粉煤灰混凝土進行了對比[2]。所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量達到46%。該工程經(jīng)運行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，而前者則已坑坑點點，受到一定程度的破壞了。這個實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，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，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），而且加強了薄弱的過渡區(qū)，對改善混凝土的各項性能有顯著作用。

（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：在常溫下，由于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AI2O3與水泥水化生成的Ca（OH）2發(fā)生反應，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?？障吨校畛淇障?，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)，促進了混凝土后期強度的增長。

2.微集料密實填充及顆粒形態(tài)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(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。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，又會進一步促進未水化水泥水化。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的進行，高效減水劑的濃度降低，通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)超細粉末的粉煤灰顆粒存在大量比表面積相當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；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；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(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，力學性能也能達到設(shè)計要求，盡管早期強度低，但后期強度高，強度儲備大。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，因為：

（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，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行坍落度試驗表明，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70%，混凝土坍落度仍大于基準混凝土。同時，在實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理分析

（1）粉煤灰的形態(tài)效應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，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粉煤灰中的微細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)有利于水化反應的進行，同時減少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密實度得以提高。

（3）粉煤灰的活性效應粉煤灰的活性效應也稱火山灰效應，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，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，繼而與石膏反應生成水化硫鋁酸鈣。上述這些反應幾乎都是在水泥漿孔隙中進行的，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用的：在旱期強度要求很低，長期強度大約在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，具有自身獨特的優(yōu)越性，但是目前應用范圍不大，這與人們的傳統(tǒng)觀念及技術(shù)上的差距有關(guān)。隨著該項技術(shù)不斷完善，大摻量粉煤灰混凝土一定會在各項建設(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，擁有廣闊的應用前景。

    當然，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，自然是應用這種混凝土首先要檢驗的問題。一般來說，當水膠比只能在0.40以上時，在中等強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，過長的運輸距離不僅使粉煤灰使用費用增加，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時，需要注意以下施工條件和事項：

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

3） 混凝土坍落度應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)護劑或覆蓋外露表面，但一般情況下無需噴霧或澆水養(yǎng)護； 

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

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