粉煤灰对混凝土的影响

吴长志

摘要：粉煤灰作为一种重要的辅料，被广泛地用到混凝土中，进一步改善基准混凝土的性能。随着对粉煤灰的认识不断深入，人们充分认识到利用粉煤灰一方面可以取代水泥、节约能源，另一方面可以减少环境污染。在混凝土改性方面，粉煤灰逐渐成为一种重要组分。本文对粉煤灰对混凝土产生的影响加以叙述。

关键词：粉煤灰 混凝土 强度 耐久性

0 引言

粉煤灰在建筑工程和基础工程的应用，是最主要的利用方式，也是提高其利用率的根本途径。混凝土中掺入粉煤灰不仅改善混凝土性能，提高工程质量，节省水泥，降低混凝土成本，而且保护环境，节约能源和资源。配置粉煤灰混凝土是粉煤灰综合利用的主要途径之一。

1 粉煤灰的组成及其特性

粉煤灰是一种铝硅质材料，其化学成分主要为SiO2和Al2O3，密度为0.65-0.78g/cm3。一般含35%-55%的SiO2和15%-40%的Al2O3。

粉煤灰具有火山灰性。这种性能主要来自于低钙玻璃体，而与石英、莫来石、赤铁矿等晶态物质无关。石英、莫来石等的存在会导致粉煤灰的活性下降，而低钙玻璃体的含量越高，粉煤灰活性越大。粉煤灰的颗粒形状及大小对粉煤灰的活性有较大影响。在粉煤灰中，如果5-45μm的细颗粒数量愈多，那么对应的活性就愈高；如果80μm以上的颗粒愈多，那么对应的活性就愈低。另外，如果细小的密实球形玻璃体含量越高，那么粉煤灰对应的活性就愈高，同时配置水泥标准稠度的需水量就越低；如果不规则的多孔玻璃体含量比较多，在这种情况下，会降低粉煤灰的活性，同时会增加制成水泥标准稠度的需水量。

2 粉煤灰对混凝土的影响

2.1 和易性 对于有泌水或离析倾向的新拌混凝土拌合物，掺入细分散的颗粒，可以减小空隙的尺寸和体积，所以通常会使工作性能得到改善。粉煤灰越细，为了增进新拌混凝土拌合物的粘聚性，也就是改善工作性所需要的掺加量就越少。粉煤灰的粒径细小，又呈玻璃态，故可能在给定稠度下降低需水量。

2.2 泌水效应 如果将粉煤灰掺入混凝土中，细骨料中的细屑不足的问题在一定程度上可以得到解决，并且可以中断泌水渠道的连续性。粉煤灰作为水泥的取代材料，在稠度相同的条件下，可以降低混凝土的用水量。因而，在混凝土施工过程中，通过掺用合理的粉煤灰，有利于混凝土泌水。

2.3 火山灰反应 粉煤灰与氢氧化钙之间的反应称为火山灰反应。这个反应主要有三个特征：①反应是缓慢的，所以放热速率和强度发展也相应较慢；②反应消耗了氢氧化钙而并不是产生氢氧化钙，这对于水泥浆体在酸性环境中的耐久性有很重要的意义；③反应产物极为有效地填充了大的毛细空间，从而会使系统的强度和抗渗性能得到提高。

2.4 强度 掺入粉煤灰时，混凝土的早期强度随掺量的增加而降低，但后期强度会有较大幅度的增长。随着龄期的增加，粉煤灰对混凝土强度的贡献逐渐增加，随水胶比的降低，粉煤灰对混凝土强度的贡献逐渐增加。28天以后，对混凝土强度的贡献，粉煤灰与水泥之间的差距缩小，并且随着水胶比的降低越加显著；90天以后，粉煤灰与水泥二者对混凝土强度的贡献几乎接近；粉煤灰的贡献在360天以后会超过水泥的贡献；水胶比越低，粉煤灰的贡献越大。所以，在施工过程中，加入粉煤灰后，需要适当降低水胶比，进而在一定程度上确保混凝土的早期强度，同时增加后期强度，进一步充分发挥粉煤灰的作用。其后期强度增长的主要原因是因为火山灰反应，导致孔隙细化并且用较强的产物（水化硅酸钙）置换了较弱的组分（氢氧化钙）的缘故。

2.5 拌和物引气作用效应 对于混凝土来说，受水泥的细度、骨料形状、级配等因素的影响和制约，其空气含量通常控制在3%。如果混凝土中掺入粉煤灰，混凝土中空气含量受细屑组分的影响会减少1%左右。如果粉煤灰的烧失量超过6%，在冷却过程中，由于碳颗粒变成封闭的玻璃态，因而可以进一步防止吸附引气剂，在一定程度上确保了混凝土拌和物的原有含气量。

2.6 抗裂性 设大体积结构由于水化热在混凝土浇捣后一星期之内就达到了最高的温度，则掺用粉煤灰，就有可能使温升减小，可与替代水泥的数量成正比。这是因为在通常条件下，这些粉煤灰在几天之内不会发生明显反应的缘故。根据经验，可以认为有火山灰反应所产生的总的水化热，只是水泥平均值的一半左右。当混凝土经受的温度比平常高得多时，不论是由于水化热还是其他原因，使用粉煤灰都会是有好处的。掺加粉煤灰的混凝土在经受高温时可能受热活化（即加速火山灰反应）得到好处，其强度经常总是有所增长。

2.7 水化热效应 对于混凝土来说，水泥的水化反应是一个放热的过程。将粉煤灰掺入混凝土中，可以进一步降低水化热，其原因主要是，掺入粉煤灰可以减少水泥的用量。水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量在一定程度上影响和制约着水化放热的多少和速度。

近年来，随着大型、超大型混凝土结构的不断出现，使得混凝土构件断面的尺寸不断增大，在这种情况下，需要提高混凝土的设计强度等级，因此需要提高所用水泥的等级，同时增加单位体积的使用量；实施水泥新标准后，进一步提高了早强矿物硅酸三钙的含量，同时增加了粉磨的细度，受这些因素相互叠加的影响，在一定程度上加剧了混凝土硬化过程的升温，升高温峰。在达到温峰降温的过程中，混凝土产生温度收缩进而产生弹性拉应力；另外，降低了混凝土的水灰比，加快了早期水化，随着强度的提高，混凝土的弹性模量逐渐增大，进一步加剧了弹性拉应力的增长。对于这种硬化混凝土来说，早期出现的裂缝通常情况下比较深，而且比较长，为了防止出现可见裂缝，采取外包保温的方法，进一步降低内外温差，在预防裂缝方面，这种方式比较有效，值得迅速推广。

2.8 抗化学侵蚀 混凝土的抗渗性，是决定碱骨料的膨胀，以及酸和硫酸盐侵蚀等破坏性化学作用中质量传输速率的基本因素。因为粉煤灰所带来的火山灰反应可以使空隙细化，所以就能使混凝土的渗透性降低。混凝土中掺加粉煤灰大体上都能改善对酸性水、硫酸盐水和海水的抵抗能力，这主要是由于与火山灰反应同时发生的渗透性减小以及水化产物中氢氧化钙含量降低的缘故。就粉煤灰水泥来说，在水化水泥浆体中，由于稀释效应和火山灰效应两方面所导致的氢氧化钙量的减少，是使这些水泥所配置的混凝土对硫酸盐和酸性环境具有优异抵抗能力的一个原因。开始，随着养护时候的增长，水泥中的氢氧化钙含量由于其中的水泥水化而提高，以后则随着火山灰反应的进展即开始下降。硫酸盐侵蚀的速率依赖于透水性以及所存在的氢氧化钙和活性氧化铝相的数量。粉煤灰的加入降低了混凝土的渗透性，同时减少了氢氧化钙的量，因此增强了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性。同时粉煤灰通常能使碱骨料反应产生的膨胀有效地减小。

2.9 凝结时间效应 对于混凝土来说，如果掺入粉煤灰，虽然初凝、终凝在一般情况下都能满足相应的规范要求，但是，受粉煤灰掺量、细度、化学成分等因素的影响和制约，在一定程度上会延长混凝土出现凝结的时间，进而出现缓凝现象。然而，粉煤灰对混凝土凝结时间的影响，与水泥性能、用水量、环境温度、湿度等因素相比是很小的。

2.10 冻融耐久性效应 在混凝土施工过程中，如果在其中掺入质量较差的粉煤灰，就会对混凝土的抗冻融性产生不同程度的影响。并且随着掺入量的不断增加，混凝土的抗冻融耐久性会出现急剧的降低。如果，混凝土中掺用的粉煤灰质量比较好，在这种情况下，一方面混凝土的水灰比可以适当的降低，另一方面抗冻融耐久性可以得到改善。另外，在抗压强度、含气量相同的条件下，与不掺粉煤灰的混凝土相比，掺粉煤灰的混凝土的水灰比在0.50以下，粉煤灰掺量在30%以内，并且引气后硬化混凝土中微气孔的分布比较均匀，在混凝土受冻时，这些微气孔可容纳水结冰时所增大的部分体积，进而在一定程度上使混凝土免于因冰胀作用而破坏。

3 结语

工程施工过程中，混凝土中掺入适量的粉煤灰，可以在保证混凝土强度的前提下，很好地提高混凝土拌合物的和易性，降低拌合用水。另外，粉煤灰的掺入，也可以为提高混凝土的水密性和耐久性，改善混凝土的抗渗性，降低混凝土的干缩，降低了混凝土的生产成本，更是对工业废渣的一种利用，节约了能源，降低了水泥生产和能耗，保护了生态。

参考文献：

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