粉煤灰对高性能混凝土性能的理论分析

王艳辉

粉煤灰对高性能混凝土性能的理论分析

王艳辉

混凝土掺加粉煤灰后，使混凝土表现出优异的各种性肚，本文从物理作用、化学作用两个角度对混凝土产生的各种性肚表现进行论述和理论分析。

粉煤灰；混凝土性肚；理论；分析

粉煤灰在公路、铁路工程中得到广泛应用，尤其是在高性能混凝土中更是离不开粉煤灰，目前大跨度桥梁、超高程泵送混凝土、海洋跨海桥梁工程、高速铁路桥梁隧道工程、恶劣环境下的混凝土工程等均使用粉煤灰。粉煤灰作为一种活性矿物掺合料，对混凝土的强度、耐久性、新拌混凝土等各项性能指标均有着优异的性能，下面先从粉煤灰对混凝土的性能影响说起，再剖析粉煤灰对混凝土产生以上性能的原理以及在实际工程中应用的效果。

一、粉煤灰及粉煤灰对混凝土性能的影响

1、粉煤灰也叫飞灰（fly ash），是由燃煤电厂烟囱收集的灰尘，其中含有大量的球状玻璃珠，以及莫来石、石英和少量矿物结晶相。

2、掺粉煤灰后对新拌混凝土性能的影响

（1）增加浆体含量、增大粘聚性、不易离析、改善可泵性、容易振实；

（2）延缓拌合物凝结时间、减小坍落度损失；

（3）减小泌水速率，但凝结时间延长(尤其低温季节），需要及早覆盖养护；

（4）降低水化热；

3、掺粉煤灰后对硬化混凝土性能的影响

（1）早期强度发展速率延缓（程度取决所用水泥及粉煤灰掺量），但也随温度升高而加快；

（2）早期应力松弛作用强、抗裂性能好；

（3）后期微结构密实、强度增长幅度大、耐久性良好；（4）预防混凝土的耐久性病害发生，如碱—骨料反应；（5）提高混凝土抵抗环境因素劣化破坏的能力，如：抗硫酸盐侵蚀、抗氯离子渗透等；

二、粉煤灰对混凝土产生各项性能的原理分析

1、粉煤灰的‚润滑作用‛

在显微镜下显示，粉煤灰中含有 70%以上的玻璃体（玻璃微珠或空心玻璃微珠），该玻璃体粒形完整、表面光滑、质地致密。这种形态对混凝土而言，能起到减水作用、润滑作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送混凝土，能起到良好的润滑作用。另外，粉煤灰的‚玻璃微珠‛效应能使混凝土的干缩变形减小，抗裂性能提高。

2、粉煤灰的‚增强作用‛

结构混凝土中掺用高质量粉煤灰等掺合料及适宜外加剂的‚双掺‛技术，是制作高性能混凝土的重要技术手段之一。在结构混凝土中单纯使用水泥，不掺用粉煤灰等掺合料时，则不具有高性能混凝土的品质，其主要原因是单纯水泥水化硬化后，水泥的水化反应生成物有水化硅酸钙、水化铝（铁）酸钙、氢氧化钙和水化硫铝酸钙等，其中的氢氧化钙和水化铝酸钙是导致水泥混凝土耐久性差的根源，特别是氢氧化钙大片状结晶，在有（压）水渗透的条件下，首先被软水溶出，造成软水侵蚀，同时导致混凝土的孔隙率增大，抗渗性、耐水性及抗氯盐渗透性变差，更容易发生冰冻、盐冻、碱集料反应和钢筋锈蚀等破坏；当同时发生硫酸盐侵蚀时，硫酸根将与氢氧化钙和水化铝酸钙一起，在硬化混凝土中，生成高硫型水化硫铝酸钙，这就是俗称的‚水泥杆菌‛。如果将混凝土配制成以耐久性指标作为重要基本特征的高性能混凝土，在其水泥水化产物中，就必须设法减少或消除氢氧化钙这种有损强度、耐久性的大结晶体。粉煤灰等活性掺合料具有与水泥水化生成的氢氧化钙反应的特性，活性掺合料与氢氧化钙发生的反应比水泥水化滞后，称作‚二次反应‛，粉煤灰等活性掺合料的主要成分是氧化硅和氧化铝，二次反应的生成物依然是水化硅酸钙和水化铝酸钙胶体，水化硅酸钙和水化铝酸钙是水泥石中提供强度的主要矿物来源。这就不仅使耐久性改善，而且使混凝土强度提高。

3、粉煤灰的‚微集料效应‛

（1）粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在水泥石中可以相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显的改善和增强混凝土及制品的结构强度，提高匀质性和致密性。

（2）经试验研究表明，粉煤灰自身粒度分布合理，总体粒度为0.5～300微米，其中玻璃珠粒径在0.5～5微米部分的含量约占总质量的50～70%，是粉煤灰组成的主体，还有一部分漂珠和少量粗粒的海绵颗粒 5～300微米，由此可见粉煤灰自身颗粒级配也非常良好。

4、粉煤灰的‚填充作用‛

硅酸盐水泥的比表面积为300～350m2/kg、平均粒径约为10.4微米；粉煤灰的比表面积为2000m2/kg、平均粒径约为0.95微米；由此可见粉煤灰的粒径比水泥更细、约是水泥粒径的 1/10，可填充于水泥颗粒间隙之间，使水泥混凝土结构更加密实。

三、粉煤灰在实际工程中的应用效果

1、改善了混凝土拌和物的和易性、易于振实：粉煤灰改善混凝土拌和物的和易性效果比较显著，对于贫混凝土和细集料用量不足的混凝土特别有效。另外，掺粉煤灰的混凝土浇筑与普通不掺粉煤灰的混凝土浇筑相比，相同坍落度更易于振实，但掺粉煤灰的混凝土应严防过振，以免使较轻的粉煤灰集中在表面浮浆中，粉煤灰浮浆强度很低，极不耐磨，色泽较差。

2、增强混凝土的可泵性：对于掺加粉煤灰的泵送混凝土来说，除了因改善和易性而提高了易泵性之外，同时由于泌水性和离析现象得以改善，以及粉煤灰本身的球形玻璃体效应，可以得到更好的减阻效果。

3、减少混凝土的徐变：混凝土的徐变对工程是不利的，经试验研究掺粉煤灰的混凝土和基准混凝土的对比，前期二者徐变值接近，而掺粉煤灰的混凝土徐变值后期明显较小，经加荷确定约减少50%。

4、减少水化热、降低温度收缩：混凝土中水泥水化反应要放出热量，在大体积混凝土构件中，会出现中心与边缘温度差而产生应力，导致混凝土出现裂缝。掺粉煤灰的混凝土，不仅温度收缩因温升降低可以明显减小，而且由于粉煤灰的二次反应造成了掺粉煤灰的混凝土比普通水泥混凝土凝结慢，缓凝0.5～1h，其放热速率明显降低，减少混凝土内部由于水化热而产生的升温，减少了混凝土热膨胀出现裂缝的危害。

5、提高混凝土抗渗能力：清华大学覃维祖教授提出：‚高效减水剂与复合矿物掺合料的超迭加效应大大降低混凝土的渗透性，从而明显提高混凝土对各种侵蚀作用的抵抗力‛，本文所提及的粉煤灰仅是复合矿物掺合料中的一种。由于掺粉煤灰的混凝土能减少用水量和降低水胶比，并且在和水泥水化过程中析出氢氧化钙生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，使水泥石中毛细孔的数量减少，孔径变小，增强了对液体和气体的渗透和扩散作用的抵抗力。

混凝土渗透性与耐久性之间有着密切的关系，渗透性是混凝土耐久性的一个重要指标，它反映了混凝土内部孔隙的大小、数量、分布及连通等情况，是混凝土抵抗各种介质侵入能力的体现。混凝土发生冻融破坏、碳化、碱骨料反应、硫酸盐腐蚀、内部钢筋锈蚀等均是由于水、CO2气体、有害离子等侵入混凝土内部所致，因此，混凝土获得高耐久性与长寿命的关键是提高混凝土的渗透性，而混凝土的孔隙结构特性决定了混凝土的渗透性。

通过上述理论分析，粉煤灰作为高性能混凝土中的一种矿物掺合料，对提高混凝土耐久性的作用是非常大的。与普通混凝土相比，其抗渗性、电通量、抗裂性、抗冻性等耐久性指标均得到明显提高。

当前，正值国家基础设施大发展时期，对于重点工程均明确要求使用高性能混凝土，粉煤灰作为活性矿物掺合料的一种，其作用越来越显著，也将更多的被应用于高性能混凝土工程中。

TU201

A

1674-3954（2011）02-0036-01

姓名：王艳辉 性别：男 出生年月：1974年3月18日

身份证号：230805197403181011

毕业院校：黑龙江工程学院（大专学历）、成春工程学院（本科学历） 人事档案存放在黑龙江省农垦人才市场

主要经历：1996年毕业至2009年，从事高速公路施工及监理工作，2010年开始从事高速铁路监理工作