粉煤灰對混凝土的影響

吳長志

摘要：粉煤灰作為一種重要的輔料，被廣泛地用到混凝土中，進(jìn)一步改善基準(zhǔn)混凝土的性能。隨著對粉煤灰的認(rèn)識不斷深入，人們充分認(rèn)識到利用粉煤灰一方面可以取代水泥、節(jié)約能源，另一方面可以減少環(huán)境污染。在混凝土改性方面，粉煤灰逐漸成為一種重要組分。本文對粉煤灰對混凝土產(chǎn)生的影響加以敘述。

關(guān)鍵詞：粉煤灰 混凝土 強(qiáng)度 耐久性

0 引言

粉煤灰在建筑工程和基礎(chǔ)工程的應(yīng)用，是最主要的利用方式，也是提高其利用率的根本途徑。混凝土中摻入粉煤灰不僅改善混凝土性能，提高工程質(zhì)量，節(jié)省水泥，降低混凝土成本，而且保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源和資源。配置粉煤灰混凝土是粉煤灰綜合利用的主要途徑之一。

1 粉煤灰的組成及其特性

粉煤灰是一種鋁硅質(zhì)材料，其化學(xué)成分主要為SiO2和Al2O3，密度為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。這種性能主要來自于低鈣玻璃體，而與石英、莫來石、赤鐵礦等晶態(tài)物質(zhì)無關(guān)。石英、莫來石等的存在會導(dǎo)致粉煤灰的活性下降，而低鈣玻璃體的含量越高，粉煤灰活性越大。粉煤灰的顆粒形狀及大小對粉煤灰的活性有較大影響。在粉煤灰中，如果5-45μm的細(xì)顆粒數(shù)量愈多，那么對應(yīng)的活性就愈高；如果80μm以上的顆粒愈多，那么對應(yīng)的活性就愈低。另外，如果細(xì)小的密實(shí)球形玻璃體含量越高，那么粉煤灰對應(yīng)的活性就愈高，同時配置水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度的需水量就越低；如果不規(guī)則的多孔玻璃體含量比較多，在這種情況下，會降低粉煤灰的活性，同時會增加制成水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度的需水量。

2 粉煤灰對混凝土的影響

2.1 和易性 對于有泌水或離析傾向的新拌混凝土拌合物，摻入細(xì)分散的顆粒，可以減小空隙的尺寸和體積，所以通常會使工作性能得到改善。粉煤灰越細(xì)，為了增進(jìn)新拌混凝土拌合物的粘聚性，也就是改善工作性所需要的摻加量就越少。粉煤灰的粒徑細(xì)小，又呈玻璃態(tài)，故可能在給定稠度下降低需水量。

2.2 泌水效應(yīng) 如果將粉煤灰摻入混凝土中，細(xì)骨料中的細(xì)屑不足的問題在一定程度上可以得到解決，并且可以中斷泌水渠道的連續(xù)性。粉煤灰作為水泥的取代材料，在稠度相同的條件下，可以降低混凝土的用水量。因而，在混凝土施工過程中，通過摻用合理的粉煤灰，有利于混凝土泌水。

2.3 火山灰反應(yīng) 粉煤灰與氫氧化鈣之間的反應(yīng)稱為火山灰反應(yīng)。這個反應(yīng)主要有三個特征：①反應(yīng)是緩慢的，所以放熱速率和強(qiáng)度發(fā)展也相應(yīng)較慢；②反應(yīng)消耗了氫氧化鈣而并不是產(chǎn)生氫氧化鈣，這對于水泥漿體在酸性環(huán)境中的耐久性有很重要的意義；③反應(yīng)產(chǎn)物極為有效地填充了大的毛細(xì)空間，從而會使系統(tǒng)的強(qiáng)度和抗?jié)B性能得到提高。

2.4 強(qiáng)度 摻入粉煤灰時，混凝土的早期強(qiáng)度隨摻量的增加而降低，但后期強(qiáng)度會有較大幅度的增長。隨著齡期的增加，粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)逐漸增加，隨水膠比的降低，粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)逐漸增加。28天以后，對混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，粉煤灰與水泥之間的差距縮小，并且隨著水膠比的降低越加顯著；90天以后，粉煤灰與水泥二者對混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)幾乎接近；粉煤灰的貢獻(xiàn)在360天以后會超過水泥的貢獻(xiàn)；水膠比越低，粉煤灰的貢獻(xiàn)越大。所以，在施工過程中，加入粉煤灰后，需要適當(dāng)降低水膠比，進(jìn)而在一定程度上確?；炷恋脑缙趶?qiáng)度，同時增加后期強(qiáng)度，進(jìn)一步充分發(fā)揮粉煤灰的作用。其后期強(qiáng)度增長的主要原因是因?yàn)榛鹕交曳磻?yīng)，導(dǎo)致孔隙細(xì)化并且用較強(qiáng)的產(chǎn)物（水化硅酸鈣）置換了較弱的組分（氫氧化鈣）的緣故。

2.5 拌和物引氣作用效應(yīng) 對于混凝土來說，受水泥的細(xì)度、骨料形狀、級配等因素的影響和制約，其空氣含量通?？刂圃?%。如果混凝土中摻入粉煤灰，混凝土中空氣含量受細(xì)屑組分的影響會減少1%左右。如果粉煤灰的燒失量超過6%，在冷卻過程中，由于碳顆粒變成封閉的玻璃態(tài)，因而可以進(jìn)一步防止吸附引氣劑，在一定程度上確保了混凝土拌和物的原有含氣量。

2.6 抗裂性 設(shè)大體積結(jié)構(gòu)由于水化熱在混凝土澆搗后一星期之內(nèi)就達(dá)到了最高的溫度，則摻用粉煤灰，就有可能使溫升減小，可與替代水泥的數(shù)量成正比。這是因?yàn)樵谕ǔl件下，這些粉煤灰在幾天之內(nèi)不會發(fā)生明顯反應(yīng)的緣故。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為有火山灰反應(yīng)所產(chǎn)生的總的水化熱，只是水泥平均值的一半左右。當(dāng)混凝土經(jīng)受的溫度比平常高得多時，不論是由于水化熱還是其他原因，使用粉煤灰都會是有好處的。摻加粉煤灰的混凝土在經(jīng)受高溫時可能受熱活化（即加速火山灰反應(yīng)）得到好處，其強(qiáng)度經(jīng)?？偸怯兴鲩L。

2.7 水化熱效應(yīng) 對于混凝土來說，水泥的水化反應(yīng)是一個放熱的過程。將粉煤灰摻入混凝土中，可以進(jìn)一步降低水化熱，其原因主要是，摻入粉煤灰可以減少水泥的用量。水泥的物理、化學(xué)性能和摻入粉煤灰的量在一定程度上影響和制約著水化放熱的多少和速度。

近年來，隨著大型、超大型混凝土結(jié)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，使得混凝土構(gòu)件斷面的尺寸不斷增大，在這種情況下，需要提高混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級，因此需要提高所用水泥的等級，同時增加單位體積的使用量；實(shí)施水泥新標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)一步提高了早強(qiáng)礦物硅酸三鈣的含量，同時增加了粉磨的細(xì)度，受這些因素相互疊加的影響，在一定程度上加劇了混凝土硬化過程的升溫，升高溫峰。在達(dá)到溫峰降溫的過程中，混凝土產(chǎn)生溫度收縮進(jìn)而產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力；另外，降低了混凝土的水灰比，加快了早期水化，隨著強(qiáng)度的提高，混凝土的彈性模量逐漸增大，進(jìn)一步加劇了彈性拉應(yīng)力的增長。對于這種硬化混凝土來說，早期出現(xiàn)的裂縫通常情況下比較深，而且比較長，為了防止出現(xiàn)可見裂縫，采取外包保溫的方法，進(jìn)一步降低內(nèi)外溫差，在預(yù)防裂縫方面，這種方式比較有效，值得迅速推廣。

2.8 抗化學(xué)侵蝕 混凝土的抗?jié)B性，是決定堿骨料的膨脹，以及酸和硫酸鹽侵蝕等破壞性化學(xué)作用中質(zhì)量傳輸速率的基本因素。因?yàn)榉勖夯宜鶐淼幕鹕交曳磻?yīng)可以使空隙細(xì)化，所以就能使混凝土的滲透性降低?；炷林袚郊臃勖夯掖篌w上都能改善對酸性水、硫酸鹽水和海水的抵抗能力，這主要是由于與火山灰反應(yīng)同時發(fā)生的滲透性減小以及水化產(chǎn)物中氫氧化鈣含量降低的緣故。就粉煤灰水泥來說，在水化水泥漿體中，由于稀釋效應(yīng)和火山灰效應(yīng)兩方面所導(dǎo)致的氫氧化鈣量的減少，是使這些水泥所配置的混凝土對硫酸鹽和酸性環(huán)境具有優(yōu)異抵抗能力的一個原因。開始，隨著養(yǎng)護(hù)時候的增長，水泥中的氫氧化鈣含量由于其中的水泥水化而提高，以后則隨著火山灰反應(yīng)的進(jìn)展即開始下降。硫酸鹽侵蝕的速率依賴于透水性以及所存在的氫氧化鈣和活性氧化鋁相的數(shù)量。粉煤灰的加入降低了混凝土的滲透性，同時減少了氫氧化鈣的量，因此增強(qiáng)了混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性。同時粉煤灰通常能使堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹有效地減小。

2.9 凝結(jié)時間效應(yīng) 對于混凝土來說，如果摻入粉煤灰，雖然初凝、終凝在一般情況下都能滿足相應(yīng)的規(guī)范要求，但是，受粉煤灰摻量、細(xì)度、化學(xué)成分等因素的影響和制約，在一定程度上會延長混凝土出現(xiàn)凝結(jié)的時間，進(jìn)而出現(xiàn)緩凝現(xiàn)象。然而，粉煤灰對混凝土凝結(jié)時間的影響，與水泥性能、用水量、環(huán)境溫度、濕度等因素相比是很小的。

2.10 凍融耐久性效應(yīng) 在混凝土施工過程中，如果在其中摻入質(zhì)量較差的粉煤灰，就會對混凝土的抗凍融性產(chǎn)生不同程度的影響。并且隨著摻入量的不斷增加，混凝土的抗凍融耐久性會出現(xiàn)急劇的降低。如果，混凝土中摻用的粉煤灰質(zhì)量比較好，在這種情況下，一方面混凝土的水灰比可以適當(dāng)?shù)慕档?，另一方面抗凍融耐久性可以得到改善。另外，在抗壓?qiáng)度、含氣量相同的條件下，與不摻粉煤灰的混凝土相比，摻粉煤灰的混凝土的水灰比在0.50以下，粉煤灰摻量在30%以內(nèi)，并且引氣后硬化混凝土中微氣孔的分布比較均勻，在混凝土受凍時，這些微氣孔可容納水結(jié)冰時所增大的部分體積，進(jìn)而在一定程度上使混凝土免于因冰脹作用而破壞。

3 結(jié)語

工程施工過程中，混凝土中摻入適量的粉煤灰，可以在保證混凝土強(qiáng)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，粉煤灰的摻入，也可以為提高混凝土的水密性和耐久性，改善混凝土的抗?jié)B性，降低混凝土的干縮，降低了混凝土的生產(chǎn)成本，更是對工業(yè)廢渣的一種利用，節(jié)約了能源，降低了水泥生產(chǎn)和能耗，保護(hù)了生態(tài)。

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