粉煤灰高性能混凝土的工程應用

尚書一

(中國二冶集團有限公司，內蒙古 包頭 014010)

0 概述

粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，資源豐富、價格代廉，且含有大量的活性成分，是現代混凝土中非常重要的一個組分。優(yōu)質粉煤灰合理地應用于混凝圭中，不但能部分代替水泥，節(jié)省工程造價，而且，其特有的性能可以很有效地用于各種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摻和料。在現代混凝土中，粉煤灰已經與水泥、集料、水、外加劑同樣重要，成為混凝土中的一個組分。粉煤灰高性能混凝土是以耐久性為主要目標進行設計的混凝土。它以優(yōu)異的耐久性（而不是高強度）為主要特征，也就是說，任何強度等級的混凝土都可以做成高耐久性混凝土。為達到高耐久性，粉煤灰混凝土應具備的性能是：在新拌狀態(tài)有良好的工作性，即高流動性而不離析、不泌水，以使成型均勻、密實，水化硬化早期的沉降收縮和水化收縮小、溫升低，硬化過程干縮小，以達到無初始裂縫，硬化后的滲透性低。

1 對“粉煤灰效應”的認識

粉煤灰的“功能”和“效應”是所有粉煤灰材料技術和工程的應用基礎。在混凝土中摻加粉煤灰，應對粉煤灰的功能作全面的認識，由原來對粉煤灰的“火山灰反應”及“經濟組分”的概念，擴展到“粉煤灰效應”的技術意識，使得粉煤灰功能能夠更好地服務于混凝土的性能改善和質量提高。粉煤灰在混凝土中的作用有以下幾點：

（1）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，這些玩弄玻璃3體表面光滑，粒度細，質地致密，內比表面積小，對水的吸附力小，這一系列的物理特性，不僅減小了混凝土的內摩阻力，有利于混凝土流動性的提高，而且對混凝土有不同程度的“減水”作用。

（2）活性效應：粉煤灰的活性成分SiO2和AI2O3與水泥的水化產物在有水的情況下發(fā)生反應，生成水化硅酸鈣(C-S-H)和水化硫鋁酸鈣(CA-S-H)，這些反應幾乎都在水泥漿孔隙中進行，生成的水化產物填充、分割原來的大孔，使孔隙細化，可降低混凝土內部的孔隙率，改變孔結構，提高混凝各組分的粘結作用。

（3）微集料效應：粉煤灰中的微細顆料均勻分布在水泥顆粒之中，填充孔隙，起到“細化孔隙”的作用，同時，阻止水泥顆粒的相互粘聚，而使之處于分散狀態(tài)，有利于混合物的水化反應，粉煤灰不會完全與水泥的水化產物發(fā)生反應，能長期保持其“微集料效應”。

（4）界面效應：集料與水泥石之間的界面是混凝土結構中的薄弱環(huán)節(jié)，過渡區(qū)域的寬度隨水灰比、集料吸附特性不同而異，過渡區(qū)域具有比水泥漿體更多、更大的孔隙，摻加粉煤灰能減小過渡區(qū)域寬度，干擾過渡區(qū)域中Ca(OH)2晶體的取向性，提高混凝土中的界面強度和密實性。

2 粉煤灰混凝土的性能

粉煤灰對混凝土性能的改變可分為三個階段：

（1）新拌混凝土階段：影響混凝土的凝結時間，改善和易性，改變流變性質，提高可泵性等；

（2）硬化中的混凝土階段：調節(jié)硬化過程，降低水化熱；

（3）硬化后的混凝土階段：提高后期強度，提高各項耐久性，如抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕性，抑制堿—集料反應等。

2.1 強度

粉煤灰對混凝土強度有三種影響：減少用水量、增大膠結材含量和通過長期火山灰反應提高其強度。低鈣粉煤灰中的微粒為硅氧四面體結構，自身的活性很低。在水泥的最終產物中，高堿性水化硅酸鈣和Ca(OH)2膠體的結晶強度很低，特別是Ca(OH)2僅是托勃莫來石強度的1-2%，而Ca(OH)2的體積占整個水泥石體積的25%。粉煤灰中含有的大量的硅、鋁氧化物，能逐步與Ca(OH)2及高堿性水化硅酸鈣發(fā)生二次反應，生成強度較高的低堿性水化硅酸鈣，這樣，不但使水泥石中消化膠凝物質的數量增加，而且也使其質量得到大幅度提高，有利于混凝土強度的提高。同時，粉煤灰的摻入可分散水泥顆粒，使水泥水化更充分，提高水泥漿的密實度，使混凝土中骨料與水泥漿的界面強度提高。粉煤灰對抗拉強度和抗彎強度的貢獻比抗壓強度還要大，這對混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的彈性模量與抗壓強度相類似，早期偏低，后期逐步提高，到28d時可比基準混凝土提高5-10%。與鋼筋的握裹力，粉煤灰混凝土的28d粘結強度基本與等標號的基準混凝土相同，但粉煤灰混凝土的均勻性好，粘結強度試驗值的離散性比基準混凝土好。

粉煤灰的二次水化反應一般在混凝土澆筑14d以后才開始進行，在溫度低時，該反應所需的時間更長。如果對混凝土的早期強度有嚴格要求，粉煤灰的摻量不宜超過30%,冬季施工非大體積混凝土時，粉煤灰的摻量不宜超過20%。由于現代混凝土中外加劑的使用，一方面，可減少混凝土拌和用水量，減小水灰比，提高混凝土中水泥的濃度；另一方面，減水劑能使水泥中硅酸鈣水化所產生的Ca(OH)2增多，有利于粉煤灰與Ca(OH)2的二次水化反應，激發(fā)粉煤灰的活性，這對于改善粉煤灰的早期強度是有效的，另外，使用粉煤灰活性激發(fā)劑或在非大體積混凝土中使用早強型水泥，也可以補償粉煤灰的摻入對混凝土早期強度的影響。

2.2 和易性

粉煤灰對混凝土和易性的改善作用有以下幾點：

（1）優(yōu)質粉煤灰中含有70%以上的球狀玻璃體，這些球狀玻璃體表面光滑無棱角，性能穩(wěn)定，在混凝土的泵送、振搗過程中起著一種類似于軸承的潤滑作用。

（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，有利于混凝土工作性能的提高。

（3）摻入粉煤灰可以補償細骨料中細屑的不足，中斷砂漿基體中泌水和離析現象。

2.3 收縮

混凝土的收縮與混凝土的拌和用水量和漿體體積有關，用水量越少，收縮也越小。優(yōu)質的粉煤灰需水量比小于100%，拌和水量的減少使摻粉煤灰混凝土28d后的自干燥收縮和干燥收縮都小。粉煤灰混凝土的干縮也隨粉煤灰摻量的提高而降低。但由于粉煤灰混凝土的水化反應慢，水份蒸發(fā)快，所以粉煤灰對混凝土的早期干縮影響很大。為防止粉煤灰混凝土的早期收縮開裂，對其更應加強早期養(yǎng)護。

2.4 徐變

28天齡期以前，混凝土的強度較低，其相應齡期的徐變應變也較普通混凝土的大，然而與普通混凝土等強度的粉煤灰混凝土在此后所有齡期的徐變均小于普通混凝土。

2.5 碳化性能

粉煤灰混凝土的抗碳化性能較差。粉煤灰混凝土中的水泥用量減少，水泥水化析出的Ca(OH)2數量也相應減少，而且，火山灰反應也消耗了一定量的Ca(OH)2，使混凝土的PH值降低，會增加混凝土的碳化速度。特別在水化早期，粉煤灰火山灰反應程度低，粉煤灰-水泥體系孔結構疏松,CO2、O2、水分等入侵阻力小，因此碳化深度較大。隨著齡期的增長和粉煤灰效應的逐漸發(fā)揮，碳化速度將逐漸降低。粉煤灰混凝土的碳化深度隨水灰比及粉煤灰摻量的增加而有所增加。在水灰比為0.5-0.55，粉煤灰摻量不大于30%和一般施工水平的情況下，15-17年混凝土的碳化深度可達20mm左右。碳化反應在一定的相對濕度范圍內進行最快，否則，反應較慢。當相對濕度在25%以下或者接近100%，即混凝土在充分干燥或水飽和的場合，混凝土都不易產生碳化收縮。在基礎工程等不與大氣接觸的混凝土工程中，由于與CO2隔絕，不會發(fā)生碳化反應，因此可較多地摻加粉煤灰，以充分降低混凝土的水化熱，提高混凝土的耐久性。采用超量取代法，較低的水膠比，同時摻加以減水劑為主的外加劑進行配合比設計，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。

2.6 鋼筋銹蝕

混凝土中的鋼筋能夠防銹是由于混凝土的堿性（PH≥12.5）在金屬表面形成一層致密的鈍化膜。在混凝土中摻加粉煤灰，一方面會消耗Ca(OH)2，降低混凝土的堿環(huán)境；另一方面，粉煤灰又與Ca(OH)2反應生成水化物，提高混凝土的密實度，增加混凝土的不透水性和對氯離子擴散的阻力，阻礙和防止CO2的侵入，可對鋼筋起保護作用，所以粉煤灰的摻入，在防止鋼筋銹蝕方面，可以抵消因堿度降低帶來的不利影響。粉煤灰在一定的摻量范圍（FA≤24%），對鋼筋銹蝕基本無影響，甚至優(yōu)于空白混凝土。但是若粉煤灰的摻量大于30%，混凝土的碳化可使混凝土的PH值由12.5降至8.5左右，在這樣低的PH值條件下，鋼筋不再鈍化。當碳化深度到達鋼筋位置，保護層被完全碳化，在水與氧氣滲入的條件下，鋼筋就會發(fā)生銹蝕而導致混凝土的開裂甚至破壞。

2.7 水化熱

粉煤灰對降低混凝土水化熱的作用十分明顯。低鈣粉煤灰在頭幾天的水化程度并不明顯，所產生的水化熱僅及水泥的一半。在混凝土中用粉煤灰取代20%的水泥，可使混凝土7d的水化熱下降11%。1-28d齡期內，大致為摻入粉煤灰的百分數，就是溫升和水化熱降低的百分數。在大體積混凝土中粉煤灰的摻入一般可使水化熱峰出現的時間延緩至3d以后才出現，可以有效防止混凝土產生溫度裂縫。