淺談粉煤灰在混凝土中的應用

井旭東 （淮南市建筑管理處，安徽 淮南 232001）

1 概 述

粉煤灰是燃燒煤粉后收集的灰粒，其主要化學成分為二氧化硅（45%～65%）、三氧化二鋁（20%～35%）、三氧化二鐵（5%～10%）、氧化鈣（5%）等，粉煤灰摻入混凝土后，不僅可以替代部分水泥，降低混凝土成本，保護環境，而且能與水泥互相取長補短，均衡協和，改善混凝土性能，具有明顯的技術經濟效益。

長期以來，國內外在混凝土中常摻有一定量粉煤灰，但作為水泥的替代材料， 絕大多數情況下是以如下三種方式應用的：在早期強度要求很低，長期強度大約在25～35MPa 的大體積水工混凝土中，大摻量地替代水泥使用；在結構混凝土里較少量地替代水泥（10%～25%）；在強度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。

2 粉煤灰最主要的三大效應

2.1 形態效應

在顯微鏡下顯示，粉煤灰中含有70%的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，質地致密。這種形態對混凝土而言，無疑能起到減水、致密和勻質作用，促進初期水泥的解絮作用，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。

2.2 活性效應

因粉煤灰系人工火山灰質材料，所以又稱之為“ 火山灰效應”。這一效應能對混凝土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。

2.3 微集料效應

粉煤灰中粒徑很小的微珠和碎屑，在水泥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，能明顯地改善和增強混凝土的結構強度，提高勻質性和致密性。

這三種效應相互關聯，互為補充，粉煤灰的品質越高，效應越大。了解混凝土的微結構的特性及其對性能的影響后，就可以更好地認識粉煤灰在混凝土中的作用。

3 粉煤灰在混凝土中的作用

3.1 摻入粉煤灰可改善新拌混凝土的和易性

新拌混凝土的和易性受漿體的體積、水膠比、骨料的級配、形狀、孔隙率等的影響。摻用粉煤灰對新拌混凝土的明顯好處是增大漿體的體積，大量的漿體填充了骨料間的孔隙，包裹并潤滑了骨料顆粒，從而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。

由于粉煤灰的容重（表觀密度）只有水泥的2/3 左右，而且粒形好（質量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密實，在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。

3.2 粉煤灰可抑制新拌混凝土的泌水

粉煤灰的摻入可以補償細骨料中的細屑不足，中斷砂漿中泌水渠道的連續性，同時粉煤灰作為水泥的取代材料在同樣的稠度下會使混凝土的用水量有不同程度的降低，因而摻用粉煤灰對防止新拌混凝土的泌水是有利的。

3.3 摻用粉煤灰，可以提高混凝土的后期強度

試驗資料表明，在混凝土中摻入粉煤灰后，隨著粉煤灰摻量的增加，早期強度（28d 以前）逐減而后期強度逐漸增加。 粉煤灰對混凝土強度的后期有三重影響：減少用水量，增大膠凝材料含量和通過長期火山灰反應提高強度。

當原材料和環境條件一定時，摻粉煤灰混凝土的強度增長主要取決于粉煤灰的火山灰效應，即粉煤灰中玻璃態的活性氧化硅、氧化鋁與水泥漿體中的氫氧化鈣作用生成堿度較小的二次水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣的速度和數量。

在高水膠比的水泥漿里，水泥顆粒被水分隔開（水所占體積約為水泥的2 倍），水化環境優異，可以迅速地生成表面積增大1000 倍的水化物，有良好的填充漿體內空隙的能力。粉煤灰雖然從顆粒形狀來說，易于堆積得較為密實，但是它水化緩慢，生成的凝膠量少，難以填充密實顆粒周圍的空隙，所以摻粉煤灰水泥漿的強度和其他性能總是隨摻量增大（水泥用量減少）呈下降趨勢（當然在早齡期就更加顯著）。

在低水膠比的水泥漿里情況就不一樣了，不摻粉煤灰時，高活性的水泥因水化環境較差，即缺水而不能充分水化，所以隨水灰比下降，未水化水泥的內芯增大，生成產物量下降，但由于顆粒間的距離減小，要填充的空隙也同時減小，因此混凝土強度得到迅速提高。這種情況下用粉煤灰代替部分水泥，在低水膠比條件下（例如0.3 左右），水泥的水化條件相對改善，因為粉煤灰水化緩慢，使混凝土實際的“ 水灰比”增大，水泥的水化因而加快， 這種作用機理隨著粉煤灰的摻量增大愈加明顯（例如摻量為50%左右，初期實際水灰比則接近0.6），水泥水化程度的改善，則有利于粉煤灰作用的發揮，然而與此同時，需要粉煤灰水化產物填充的空隙已經大大減小，所以其水化能力差的弱點在低水膠比條件下被掩蓋，而它降低溫升等其它優點則依然起著有利于混凝土性能的作用。

3.4 摻粉煤灰可降低混凝土的水化熱

眾所周知，混凝土中水泥的水化反應是放熱反應，在混凝土中摻入粉煤灰，由于減少了水泥的用量可以降低水化熱。水化放熱的多少和速度取決于水泥的物理、化學性能和摻入粉煤灰的量，譬如若按重量計用粉煤灰取代30%的水泥時，可使因水化熱導致的絕熱溫升降低15%左右。溫度升高時水泥水化速率會顯著加快，研究表面：與20℃相比，30℃時硅酸鹽水泥的水化速率要加快1 倍。一些大體積混凝土結構，由于設計強度等級提高，所用水泥的強度也隨之提高，單位水泥用量的增大，加之現在的水泥越磨越細，施工現場養護不足，這些不利因素的疊加，致使混凝土硬化過程中溫升明顯加劇，是導致很多混凝土結構在施工期間拆除模板就發現大量裂縫的原因。粉煤灰混凝土可降低水泥的水化熱， 減少構件由于溫度而造成的裂縫。

3.5 摻粉煤灰可改善混凝土的耐久性

在混凝土中摻粉煤灰對其凍融耐久性有很大影響。當摻用質量較好的粉煤灰同時可以適當降低水膠比，可以收到改善抗凍性的效果，但是當粉煤灰質量較差、顆粒較多、含碳量高對混凝土抗凍融性有不利影響，隨著摻量的增加，其抗凍融耐久性降低。

4 結 語

由于混凝土技術的進展，使混凝土可以在比較低的水膠比條件下制備， 這就使粉煤灰在混凝土中的作用出現顯著的變化。而近些年來水泥活性增大、混凝土設計等級提高促使水泥用量增大，以及構件斷面尺寸加大，在混凝土體溫度上升的前提下，進一步促進了粉煤灰在混凝土中作用的發揮，以至可以說：粉煤灰在許多情況下可以起到水泥所起不到的作用，成為優質混凝土必不可少的組分之一。

我國的水泥產量多年來居世界首位，占1/3 以上。 同時我國粉煤灰的年排量也是居世界首位。過去在混凝土里摻用粉煤灰，是為了節約水泥、降低工程材料費用，今天對混凝土摻用粉煤灰的認識，應該提高到保護環境、保護資源，使混凝土材料可長久地持續應用于基礎設施建設中的高度上來認識。因此大量推廣粉煤灰混凝土在我國土木建筑工程中的應用，是一件于國于民有顯著效益的事業，必定有強大的生命力，有廣闊的發展前景。

[1]GB/T50081-2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京：中國建筑工業出版社,2002.

[2]GB/T50080-2002，普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[S].北京：中國建筑工業出版社,2002.

[3]GB/T1596-2005，用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].北京：中國標準出版社,2005.

[4]JISA6201-1999，混凝土用粉煤灰[S].北京：中國標準出版社,1999.