粉煤灰高性能混凝土的工程应用

尚书一

(中国二冶集团有限公司，内蒙古 包头 014010)

0 概述

粉煤灰作为一种工业废料，资源丰富、价格代廉，且含有大量的活性成分，是现代混凝土中非常重要的一个组分。优质粉煤灰合理地应用于混凝圭中，不但能部分代替水泥，节省工程造价，而且，其特有的性能可以很有效地用于各种使用要求的混凝土中，改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土中的理想掺和料。在现代混凝土中，粉煤灰已经与水泥、集料、水、外加剂同样重要，成为混凝土中的一个组分。粉煤灰高性能混凝土是以耐久性为主要目标进行设计的混凝土。它以优异的耐久性（而不是高强度）为主要特征，也就是说，任何强度等级的混凝土都可以做成高耐久性混凝土。为达到高耐久性，粉煤灰混凝土应具备的性能是：在新拌状态有良好的工作性，即高流动性而不离析、不泌水，以使成型均匀、密实，水化硬化早期的沉降收缩和水化收缩小、温升低，硬化过程干缩小，以达到无初始裂缝，硬化后的渗透性低。

1 对“粉煤灰效应”的认识

粉煤灰的“功能”和“效应”是所有粉煤灰材料技术和工程的应用基础。在混凝土中掺加粉煤灰，应对粉煤灰的功能作全面的认识，由原来对粉煤灰的“火山灰反应”及“经济组分”的概念，扩展到“粉煤灰效应”的技术意识，使得粉煤灰功能能够更好地服务于混凝土的性能改善和质量提高。粉煤灰在混凝土中的作用有以下几点：

（1）形态效应：粉煤灰的主要矿物组成是海绵状玻璃体、铝硅酸盐玻璃微珠，这些玩弄玻璃3体表面光滑，粒度细，质地致密，内比表面积小，对水的吸附力小，这一系列的物理特性，不仅减小了混凝土的内摩阻力，有利于混凝土流动性的提高，而且对混凝土有不同程度的“减水”作用。

（2）活性效应：粉煤灰的活性成分SiO2和AI2O3与水泥的水化产物在有水的情况下发生反应，生成水化硅酸钙(C-S-H)和水化硫铝酸钙(CA-S-H)，这些反应几乎都在水泥浆孔隙中进行，生成的水化产物填充、分割原来的大孔，使孔隙细化，可降低混凝土内部的孔隙率，改变孔结构，提高混凝各组分的粘结作用。

（3）微集料效应：粉煤灰中的微细颗料均匀分布在水泥颗粒之中，填充孔隙，起到“细化孔隙”的作用，同时，阻止水泥颗粒的相互粘聚，而使之处于分散状态，有利于混合物的水化反应，粉煤灰不会完全与水泥的水化产物发生反应，能长期保持其“微集料效应”。

（4）界面效应：集料与水泥石之间的界面是混凝土结构中的薄弱环节，过渡区域的宽度随水灰比、集料吸附特性不同而异，过渡区域具有比水泥浆体更多、更大的孔隙，掺加粉煤灰能减小过渡区域宽度，干扰过渡区域中Ca(OH)2晶体的取向性，提高混凝土中的界面强度和密实性。

2 粉煤灰混凝土的性能

粉煤灰对混凝土性能的改变可分为三个阶段：

（1）新拌混凝土阶段：影响混凝土的凝结时间，改善和易性，改变流变性质，提高可泵性等；

（2）硬化中的混凝土阶段：调节硬化过程，降低水化热；

（3）硬化后的混凝土阶段：提高后期强度，提高各项耐久性，如抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性，抑制碱—集料反应等。

2.1 强度

粉煤灰对混凝土强度有三种影响：减少用水量、增大胶结材含量和通过长期火山灰反应提高其强度。低钙粉煤灰中的微粒为硅氧四面体结构，自身的活性很低。在水泥的最终产物中，高碱性水化硅酸钙和Ca(OH)2胶体的结晶强度很低，特别是Ca(OH)2仅是托勃莫来石强度的1-2%，而Ca(OH)2的体积占整个水泥石体积的25%。粉煤灰中含有的大量的硅、铝氧化物，能逐步与Ca(OH)2及高碱性水化硅酸钙发生二次反应，生成强度较高的低碱性水化硅酸钙，这样，不但使水泥石中消化胶凝物质的数量增加，而且也使其质量得到大幅度提高，有利于混凝土强度的提高。同时，粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高水泥浆的密实度，使混凝土中骨料与水泥浆的界面强度提高。粉煤灰对抗拉强度和抗弯强度的贡献比抗压强度还要大，这对混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的弹性模量与抗压强度相类似，早期偏低，后期逐步提高，到28d时可比基准混凝土提高5-10%。与钢筋的握裹力，粉煤灰混凝土的28d粘结强度基本与等标号的基准混凝土相同，但粉煤灰混凝土的均匀性好，粘结强度试验值的离散性比基准混凝土好。

粉煤灰的二次水化反应一般在混凝土浇筑14d以后才开始进行，在温度低时，该反应所需的时间更长。如果对混凝土的早期强度有严格要求，粉煤灰的掺量不宜超过30%,冬季施工非大体积混凝土时，粉煤灰的掺量不宜超过20%。由于现代混凝土中外加剂的使用，一方面，可减少混凝土拌和用水量，减小水灰比，提高混凝土中水泥的浓度；另一方面，减水剂能使水泥中硅酸钙水化所产生的Ca(OH)2增多，有利于粉煤灰与Ca(OH)2的二次水化反应，激发粉煤灰的活性，这对于改善粉煤灰的早期强度是有效的，另外，使用粉煤灰活性激发剂或在非大体积混凝土中使用早强型水泥，也可以补偿粉煤灰的掺入对混凝土早期强度的影响。

2.2 和易性

粉煤灰对混凝土和易性的改善作用有以下几点：

（1）优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体，这些球状玻璃体表面光滑无棱角，性能稳定，在混凝土的泵送、振捣过程中起着一种类似于轴承的润滑作用。

（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和离析现象。

2.3 收缩

混凝土的收缩与混凝土的拌和用水量和浆体体积有关，用水量越少，收缩也越小。优质的粉煤灰需水量比小于100%，拌和水量的减少使掺粉煤灰混凝土28d后的自干燥收缩和干燥收缩都小。粉煤灰混凝土的干缩也随粉煤灰掺量的提高而降低。但由于粉煤灰混凝土的水化反应慢，水份蒸发快，所以粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大。为防止粉煤灰混凝土的早期收缩开裂，对其更应加强早期养护。

2.4 徐变

28天龄期以前，混凝土的强度较低，其相应龄期的徐变应变也较普通混凝土的大，然而与普通混凝土等强度的粉煤灰混凝土在此后所有龄期的徐变均小于普通混凝土。

2.5 碳化性能

粉煤灰混凝土的抗碳化性能较差。粉煤灰混凝土中的水泥用量减少，水泥水化析出的Ca(OH)2数量也相应减少，而且，火山灰反应也消耗了一定量的Ca(OH)2，使混凝土的PH值降低，会增加混凝土的碳化速度。特别在水化早期，粉煤灰火山灰反应程度低，粉煤灰-水泥体系孔结构疏松,CO2、O2、水分等入侵阻力小，因此碳化深度较大。随着龄期的增长和粉煤灰效应的逐渐发挥，碳化速度将逐渐降低。粉煤灰混凝土的碳化深度随水灰比及粉煤灰掺量的增加而有所增加。在水灰比为0.5-0.55，粉煤灰掺量不大于30%和一般施工水平的情况下，15-17年混凝土的碳化深度可达20mm左右。碳化反应在一定的相对湿度范围内进行最快，否则，反应较慢。当相对湿度在25%以下或者接近100%，即混凝土在充分干燥或水饱和的场合，混凝土都不易产生碳化收缩。在基础工程等不与大气接触的混凝土工程中，由于与CO2隔绝，不会发生碳化反应，因此可较多地掺加粉煤灰，以充分降低混凝土的水化热，提高混凝土的耐久性。采用超量取代法，较低的水胶比，同时掺加以减水剂为主的外加剂进行配合比设计，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。

2.6 钢筋锈蚀

混凝土中的钢筋能够防锈是由于混凝土的碱性（PH≥12.5）在金属表面形成一层致密的钝化膜。在混凝土中掺加粉煤灰，一方面会消耗Ca(OH)2，降低混凝土的碱环境；另一方面，粉煤灰又与Ca(OH)2反应生成水化物，提高混凝土的密实度，增加混凝土的不透水性和对氯离子扩散的阻力，阻碍和防止CO2的侵入，可对钢筋起保护作用，所以粉煤灰的掺入，在防止钢筋锈蚀方面，可以抵消因碱度降低带来的不利影响。粉煤灰在一定的掺量范围（FA≤24%），对钢筋锈蚀基本无影响，甚至优于空白混凝土。但是若粉煤灰的掺量大于30%，混凝土的碳化可使混凝土的PH值由12.5降至8.5左右，在这样低的PH值条件下，钢筋不再钝化。当碳化深度到达钢筋位置，保护层被完全碳化，在水与氧气渗入的条件下，钢筋就会发生锈蚀而导致混凝土的开裂甚至破坏。

2.7 水化热

粉煤灰对降低混凝土水化热的作用十分明显。低钙粉煤灰在头几天的水化程度并不明显，所产生的水化热仅及水泥的一半。在混凝土中用粉煤灰取代20%的水泥，可使混凝土7d的水化热下降11%。1-28d龄期内，大致为掺入粉煤灰的百分数，就是温升和水化热降低的百分数。在大体积混凝土中粉煤灰的掺入一般可使水化热峰出现的时间延缓至3d以后才出现，可以有效防止混凝土产生温度裂缝。