粉煤灰在现代混凝土中的应用

2010-08-15刘玉国

中国新技术新产品 2010年18期

刘玉国

（黑龙江省城乡规划勘测设计研究院，黑龙江哈尔滨 150040）

1 概述

早在2000 多年前的古罗马时期，人类就用火山灰与石灰混合作为胶凝材料，建造了许多雄伟的建筑物，例如万神庙，其直径44m的半球形穹顶就使用了上万吨这种胶凝材料和凝灰岩轻骨料拌合而成的混凝土；还有闻名于世的罗马大斗兽场等。如今在混凝土中掺用的粉煤灰，也是一种火山灰材料，大量的实践证明：掺用粉煤灰的混凝土，其长期性能得到大幅度的改善，对延长结构物的使用寿命有重要意义。

2 粉煤灰在混凝土中的作用及其机理

在混凝土中常掺有一定量粉煤灰，作为水泥的替代材料，绝大多数情况下是以如下方式应用的：在早期强度要求很低，长期强度大约在25～35MPa的大体积水工混凝土中，大掺量地替代水泥使用；在结构混凝土里较少量地替代水泥（10～25%）；在强度要求很低的回填或道路基层里大量掺用。对于粉煤灰的作用机理和应用技术，多年来进行了大量的研究工作，取得了不少进展，这些进展对粉煤灰在混凝土中的应用起了一定的推动作用。如掺用的方法从等量替代水泥，发展到超掺法、代砂法以及与化学外加剂同时使用的双掺法。对于粉煤灰的作用机理，从主要是火山灰质材料特性的作用（消耗了水泥水化时生成薄弱的，而且往往富集在过渡区的氢氧化钙片状结晶，由于水化缓慢，只在后期才生成少量C-S-H 凝胶，填充于水泥水化生成物的间隙，使其更加密实），逐步发展到分析它还具有形态效应、填充效应和微集料效应等。

3 粉煤灰混凝土的物理力学性能

3.1 强度

在物理作用方面，粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高了水泥浆的密实度，降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料一水泥浆界面强度的提高；在化学火山灰作用方面，粉煤灰颗粒与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙胶体，有利于混凝土强度的提高。

3.2 和易性

粉煤灰对混凝土和易性的改善作用包括:(1)优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体，其表面光滑无棱角，性能稳定，在混凝土泵送、振捣过程中起类似润滑的作用；(2)新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团，粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料，有利于混凝土工作性能的提高；(3)掺入粉煤灰可以补偿细骨料中细屑的不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性，同时品质良好的粉煤灰在同样稠度下能减少砼的拌和用水量，使混凝土中的水灰比降低到更低水平，减少泌水和离析现象。

3.3 徐变

28 天龄期以前，砼强度较低，其相应龄期的徐变应变也较普通砼的大，然而与普通砼等强度的粉煤灰砼在此后所有龄期的徐变均小于普通混凝土。

3.4 耐久性

由于粉煤灰减少了混凝土的孔隙，使混凝土的抗渗性明显提高，改善了混凝土的抗化学腐蚀的能力，还能有效地减小碱-骨料反应引起的混凝土膨胀，极大地提高了混凝土的耐久性。

3.5 水化热

用粉煤灰代替部分水泥能有效降低水化热，降低混凝土的绝热升温。

3.6 抗渗性

粉煤灰的3 种效应均能提高混凝土的抗渗性:形态效应。粉煤灰混凝土的铝硅酸盐玻璃微珠，可填充水泥浆体，提高混凝土抗渗性；活性效应。粉煤灰中SiO2、Al2O3与水泥的水化物反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的抗渗性；微集料反应。粉煤灰中微细颗粒分布于水泥颗粒之间，有利于混和物的水化反应，增加了混凝土的密实性，提高混凝土的抗渗性。

3.7 对钢筋锈蚀的影响

影响粉煤灰混凝土护筋性的主要因素为混凝土的碱度和孔结构。混凝土中的钢筋能够防锈是由于混凝土的碱性在金属表面形成一个细微的氧化膜。最新研究表明，掺入粉煤灰能降低混凝土的孔隙率，并使混凝土孔结构得到细化，加大了Cl-的扩散难度，取得了良好的防腐效果。

3.8 对碱-骨料反应的影响

碱-骨料反应是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应，生成吸水产物，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。混凝土碱-骨料反应的发生条件除骨料具有碱活性外，还需混凝土中具有高碱性，还要有水。粉煤灰取代部分水泥，不仅能降低混凝土的有效含碱量，还能产生物理化学作用，抑制碱-骨料反应。

3.9 抗冻性

混凝土的引气量和强度是影响混凝土抗冻性的主要因素，满足抗冻性要求的引气量取决于混凝土的强度等级，混凝土强度越高，满足抗冻性所需的引气量越低。对于引气量小于3.5%的粉煤灰混凝土，其水灰比对抗冻性有显著的影响，则其水灰比对混凝土的抗冻性影响不大

4 粉煤灰混凝土的应用

目前许多规范中规定的钢筋混凝土中的掺量限制（例如25%），对配制中低强度的混凝土来说，恰恰是最不利于发挥粉煤灰作用的掺量。换句话说，粉煤灰必须用大掺量，才能发挥良好的效果。这是为什么呢？掺用粉煤灰要想取得良好效果，水胶比必须低，而中低强度混凝土的水泥用量通常在350kg/m3以下。这种条件下，即使掺用再好的减水剂，水灰比（水胶比）也只能在0.50 左右。因为再减小时，浆体体积就满足不了填充骨料空隙并形成足够厚度润滑层的需要。当掺加粉煤灰时，由于它比水泥轻，等重量替代水泥时可以增大胶凝材料的体积，所以可以使混凝土的水胶比降低。但是当其掺量较小时（如规定的25%以内），增大胶凝材料的体积有限，降低水胶比的作用也就有限。大掺量粉煤灰混凝土不仅强度发展效果良好，而且各种耐久性能也十分优异。由于能够明显降低水化温升，也大大减小了混凝土早期出现开裂的危险，可以说是一种适用于除了早期强度要求非常高以外，能够满足各种工程条件，尤其是侵蚀性严酷环境要求的高性能混凝土耗量来评价。当然，任何事物都有它的两面性，大掺量粉煤灰混凝土也存在局限性。其中，粉煤灰-水泥-化学外加剂之间的相容性，表现为混凝土水胶比能否有效地降低，使粉煤灰能充分发挥作用，自然是应用这种混凝土首先要检验的问题。一般来说，当水胶比只能在0.40 以上时，在中等强度要求的混凝土中使用的效果就可能成问题了。其次，由于大掺量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度减少，因此对于水泥质量的稳定性和粉煤灰品质的稳定性就比较高，当两者的质量产生波动时，会给使用效果带来明显的影响。

5 混凝土材料的可持续发展

混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料，据统计，每年全世界的耗用量接近100亿吨。如此巨大的用量，伴随着生产、使用过程带来矿石资源、能源的消耗，以及对大气和环境造成的污染，已引起全世界业内的关注。

我国的水泥产量多年来居世界首位，占1/3以上。同时我国粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于发展基础设施建设的需要，有关部门仍在计划投资建设更多水泥厂。过去在混凝土里掺用粉煤灰，是为了节约水泥、降低工程材料费用，今天对混凝土掺用粉煤灰的认识，应该提高到保护环境、保护资源，使混凝土材料可长久地持续应用于基础设施建设中的高度上来认识。

大掺量粉煤灰混凝土不仅可以改善混凝土的各项性能，延长混凝土结构的使用寿命，同时可以大幅度减小耗费能源多、污染环境严重的硅酸盐水泥用量，因此也是一种绿色混凝土。从这个角度出发，推广大掺量粉煤灰混凝土在我国土木建筑工程中的应用，是一件于国于民有显著效益的事业，必定有强大的生命力，有广阔的发展前景。