粉煤灰混凝土的性能研究

劉 剛

粉煤灰是火力發電廠煤粉在鍋爐中燃燒后排出的灰色粉狀廢棄物，是一種具有活性的人工火山灰質材料。當前，其全球的產量約6.5億t，其中超過50%未被利用，不是被長期堆積，就是被處理掉。只有很小比例的粉煤灰被當作一種高價值的資源材料，用作混凝土中的水泥組分材料。用粉煤灰大量替代水泥摻加到混凝土中不僅可以減少污染、節約能源、降低混凝土的經濟成本，而且使混凝土的各方面性能得到改善。因此粉煤灰混凝土具有“綠色環保”的應用前景，能產生良好的經濟效益和社會效益。

粉煤灰作為混凝土的礦物活性摻合料，具有形態效應、活性效應和微集料效應。在顯微鏡下顯示，粉煤灰中含70%以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，質地致密。這種形態能起到減水作用、致密作用和勻質作用，促進初期水泥水化的解絮作用，改變拌和物的流變性質、初始結構以及硬化后的多種功能，尤其對泵送混凝土，能起到良好的潤滑作用，這就是粉煤灰的“形態效應”。因粉煤灰中的化學成分含有大量活性SiO2及Al2O3，在潮濕的環境中與Ca(OH)2等堿性物質發生化學反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質，對粉煤灰制品及混凝土能起到增強作用和堵塞混凝土中的毛細組織，提高混凝土的抗腐蝕能力，這是粉煤灰的“活性效應”。粉煤灰的“微集料效應”是指粉煤灰中粒徑很小的微珠和碎屑，在水泥石中可以相當于未水化的水泥顆粒，極細小的微珠相當于活潑的納米材料，能明顯改善和增強混凝土及制品的結構強度，提高勻質性和致密性。

1 粉煤灰對混凝土施工性能的影響

摻加粉煤灰可以改變混凝土和易性，增加混凝土粘性，減少離析與泌水，降低由于水化熱帶來的混凝土溫度升高，減少或消除混凝土中堿集料反應，同時也可以節省水泥用量。

1.1 和易性

粉煤灰混凝土中膠凝物質——水泥和粉煤灰數量要比水泥混凝土多。粉煤灰比重較輕，同樣重量粉煤灰的體積大于水泥的體積，膠凝材料的漿體體積增加將使混凝土有較好的塑性和較好的粘性，粉煤灰的球形顆粒將有利于混凝土的流動性能，這些使混凝土的和易性得到改善。

1.2 泌水

粉煤灰含有較多的微細顆粒，有助于截斷混凝土內泌水通道，降低混凝土的泌水率。

1.3 改善泵送性能

粉煤灰與水泥細度相近或比水泥還細，粘聚性強，提高了抗離析能力，提高了混凝土的穩定性，保持混凝土可泵性和勻質性。摻加粉煤灰的混凝土坍落度損失小，凝結時間延長，從而延長了允許的運送時間和運送距離，擴大了泵送混凝土應用范圍，不僅改變混凝土的泵送性能，而且還可以延長泵送機械使用壽命。

1.4 減少堿—骨料反應

堿—骨料反應是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的堿發生反應，生成吸水產物，體積增大，導致混凝土的膨脹和開裂。發生堿骨料反應需要具備三個條件:

1)混凝土的原材料水泥、混合材、外加劑和水中含堿量高;

2)骨料中有相當數量的活性成分;

3)潮濕環境，有充分的水分或濕空氣供應。粉煤灰取代部分水泥，不僅能降低混凝土的有效含堿量，還能產生物理化學作用，抑制堿—骨料反應。

2 粉煤灰的摻加對混凝土力學性能的影響

混凝土的力學性能一般包括:強度指標、彈性模量等性能，而強度指標是其中最重要的力學性能。通常研究中把混凝土的7 d和28 d的抗壓強度以及劈拉強度作為衡量混凝土力學性能是否合格的最重要的指標，彈性模量也是比較重要的指標。隨著粉煤灰的摻入，混凝土的早期強度會比不摻粉煤灰的普通混凝土的強度低，但是其增長速率快，到中后期會達到甚至超過普通混凝土。與工作性能相似，摻入不同量的粉煤灰對混凝土強度也有較大的影響:隨著粉煤灰摻量增加，混凝土的表觀密度減小，混凝土早期強度隨著粉煤灰摻量而變化，當摻量較低(在20左右)時，對7 d強度影響不大，而當摻量較高(＞30)時，早期強度明顯降低;而摻加粉煤灰混凝土后期強度增長較快，而且在一定范圍內(＜50)隨粉煤灰摻量增加而增大。然而，在摻加粉煤灰后，混凝土劈裂抗拉強度的提高幅度不如抗壓強度提高的幅度大，因此，劈拉強度成為限制粉煤灰混凝土抗拉性能的一個重要因素。在彈性模量方面，摻粉煤灰混凝土的彈性模量較普通混凝土略高，但隨粉煤灰摻量的增大而降低。此外，由于粉煤灰的摻入，會使混凝土的早期強度和極限拉伸值過低，有可能使混凝土無法承受早期的溫度應力和干縮應力而導致結構出現裂縫。在混凝土中摻入粉煤灰替代水泥，可以有效提高混凝土的抗壓強度、抗拉強度和彈性模量等力學性能，但要進行反復實驗，以確定其最佳摻量。此外，在施工中還要注意摻粉煤灰混凝土早期強度較低的特點。

3 粉煤灰混凝土的耐久性能

3.1 抗滲性、抗凍性

在粉煤灰摻量很高的情況下，混凝土仍具有良好的抗滲性能。粉煤灰混凝土優良的抗滲性能為實驗和工程實踐所證實，如有防水要求的建筑工程，常采用摻加粉煤灰的措施來提高混凝土的抗滲性能。混凝土的抗凍性與混凝土的抗拉強度、孔隙率和孔隙結構特征有關。混凝土的抗拉強度高，孔隙率低，孔隙細小不連通，其抗凍性就好。粉煤灰恰恰改善了混凝土這幾方面的性能，使混凝土的抗凍性提高。高摻量粉煤灰混凝土亦具有適宜的氣孔參數及令人滿意的抗凍性;但與普通混凝土相比，其抗鹽凍剝蝕性能較差。

3.2 耐蝕性

粉煤灰混凝土耐溶出性侵蝕、酸性侵蝕和鹽類侵蝕的能力增強。其效應如下:

1)粉煤灰使混凝土的密實度提高，阻止了軟水和腐蝕介質的滲透;

2)粉煤灰混凝土中水泥水化產物Ca(OH)2的量少;

3)粉煤灰使高鹽基的水化鋁酸鈣水解成為極限石灰濃度較低的低鹽基水化鋁酸鈣，因而消除或減少了高硫型水化硫鋁酸鈣形成的可能性，更易形成低硫型水化硫鋁酸鈣。低硫型水化硫鋁酸鈣在遠離含鋁固相表面的液相中以分散狀析出結晶，填充原來的充水空間，不僅不會產生有害的內應力，而且還可作為水泥石的有效組織結構，增強水泥石的密實性和強度。

3.3 碳化

粉煤灰對混凝土碳化的影響具有兩面性:一方面，粉煤灰的取代效應和二次反應使混凝土中Ca(OH)2的量減少，碳化進程加快，這是不利的一面;另一方面，粉煤灰的微集料效應使混凝土孔隙細化，結構致密，阻止CO2和水的滲透，延緩了碳化進程。粉煤灰混凝土綜合抗碳化性能有所提高，有利于保護鋼筋表面的鈍化膜。

3.4 鋼筋防銹

粉煤灰混凝土因密實性提高，孔隙結構改善和水化產物的變化，具有較高的抗氯離子滲透能力和較高的電阻抗，從而有效地抑制氯離子對鋼筋的電化學銹蝕及雜散電流對鋼筋的腐蝕，使混凝土對鋼筋的保護能力提高。

3.5 堿骨料反應

水泥中強堿含量高、活性骨料和水的存在是堿骨料反應發生的充要條件。粉煤灰結合了水泥中95%的強堿，且不會浸出，破壞了產生堿骨料反應的條件，消除或減輕了堿骨料反應的危害。

此外，粉煤灰還能提高混凝土的耐磨性和耐熱性。

4 結語

粉煤灰作為燃煤電廠的副產品，量大且來源穩定，如果利用不好，不僅占地、占水域，而且污染環境。對于工程中添加粉煤灰作為混凝土的成分，不但節約了成本，而且提高了混凝土的強度，明顯改善混凝土的工作性、力學性能和耐久性。由于粉煤灰混凝土的性能較好，在各種大大小小的工程中應用變得日益廣泛，具有顯著的技術、經濟和社會效益。

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