粉煤灰混凝土的应用及应注意的问题

众所周知，粉煤灰是在燃煤电厂烟囱中收集的灰尘, 在从高温到温度急剧下降的过程中形成了大量表面光滑的球状玻璃体, 其颗粒比水泥细, 比表面积很大, 因此具有很大的活性。主要化学成分是无定型的Al2O3、SiO2, 在碱性环境下极易发生反应, 生成凝胶, 而水泥水化过程中产生的Ca(OH)2 正提供了这样的碱性环境, 使粉煤灰在混凝土中的应用成为可能。

一、改善混凝土的工作性能

混凝土的工作性能主要表现在混凝土的流动性、粘聚性和保水性等方面。粉煤灰掺入混凝土后, 降低了混凝土的砂率, 从而可以减少细骨料对运输管壁的摩擦; 粉煤灰中含有的球状玻璃体, 填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层; 粉煤灰对水泥颗粒起到物理分散作用, 使它们分布得更均匀, 阻止了水泥颗粒的粘聚。这些都有效提高了混凝土的流动性。由于粉煤灰的活性是在水泥水化后的碱性环境中被激发的, 因此它并不参加初期的水化反应, 在相同水胶比和胶凝材料用量的情况下, 就相对提高了混凝土水化初期的水灰比, 从而提高了混凝土的流动性和粘聚性。粉煤灰延缓了初期的水化反应, 还可以明显减少坍落损失, 满足混凝土运输、浇筑的要求。粉煤灰在混凝土中可以弥补水泥用量和细集料的细粉部分的不足, 有利于提高混凝土的保水性, 还可以堵截泌水的通道, 从而减少泌水现象。粉煤灰有效地改善了混凝土的工作性能, 提高了混凝土的施工质量, 也使混凝土的自密实和高可泵性成为可能。

二、提高混凝土的耐久性

粉煤灰的加入可以改善混凝土中砂子级配, 填充混凝土部分空隙, 提高了混凝土的密实度。另外, 粉煤灰的二次水化后生成的C- S- H填充了混凝土中的粗大毛细孔, 进一步提高了混凝土的密实度。从而提高了混凝土的抗渗性和抗化学腐蚀性等, 使混凝土的耐久性得到提高。粉煤灰的火山灰化学反应, 消耗了混凝土中大量的Ca(OH)2 和游离CaO, 可以减少硫酸盐侵蚀混凝土生成钙矾石的机会, 也可以非常有效地抑制碱骨料反应, 从而避免混凝土发生膨胀破坏。

粉煤灰的水化反应消耗了混凝土中的Ca(OH)2会使混凝土孔隙水的碱性降低, 而可能减弱钢筋表面形成的碱性保护膜, 使粉煤灰混凝土的抗钢筋锈蚀能力有减弱趋势, 但由于粉煤灰混凝土的密实性的提高, 大大减小了氯离子侵入的可能, 所以现有的实验和研究并未发现粉煤灰混凝土的抗钢筋腐蚀能力明显低于普通混凝土。

三、提高混凝土的抗裂性能

粉煤灰的掺入减少了水泥用量, 从而减少水泥水化过程中的硬化收缩, 事实上, 粉煤灰混凝土的硬化收缩甚至是负的, 也就是说它的硬化过程是微膨胀变形的, 这对混凝土的抗裂性非常有利。粉煤灰二次水化的产物填充了混凝土的毛细孔, 减少了混凝土中游离水的数量, 阻断了泌水路线, 这就大大减小了因泌水和水份蒸发引起的失水收缩。粉煤灰的应用提高了混凝土的密实性, 也减少了骨料与胶合料间的沉缩变形。从而减少了混凝土的塑性收缩裂缝。粉煤灰水化后改善了混凝土的微观结构, 增强了水泥石和骨料间的界面强度, 减少泌水情况的发生, 也减少了混凝土内部缺陷, 这些都降低了混凝土内微裂缝出现的机率, 提高了混凝土的抗裂能力。粉煤灰混凝土的水化热峰值比普通混凝土明显降低, 峰值发生时间明显推迟, 减弱了混凝土构件特别是大体积混凝土中的温度梯度, 减少了混凝土的内外温差, 从而减小混凝土中的拉应力, 避免裂缝的出现。

粉煤灰可以降低混凝土的早期强度, 减小初期弹性模量, 提高早期应力松弛能力, 这对提高混凝土的抗裂性能有很大的好处。因为混凝土是一种弹、粘、塑性的混合体, 收缩变形所产生的拉应力部分会被徐变松弛所释放, 释放后的实际应力超过混凝土的抗拉应力后混凝土才会出现裂缝。

四、提高混凝土的强度

虽然由于粉煤灰的水化速度慢而会导致混凝土的早期强度偏低, 但粉煤灰混凝土的最终强度肯定不会低于普通混凝土。粉煤灰的活性是在碱性环境下才能激发出来的, 因此它的水化速度比水泥慢, 待水泥水化后, 粉煤灰和水泥水化后产生的Ca(OH)2 反应形成硅酸钙凝胶, 既改善了水泥石和粗骨料间的界面结构, 增强了界面薄弱层, 又对水泥石孔结构起到填实的作用, 而且消耗了强度和稳定性都较差的Ca(OH)2, 从而提高了混凝土的强度。另外, 粉煤灰水化速度较慢, 在相同水胶比的情况下可以使水泥的水化更充分, 粉煤灰水化后产生的H2O又会促进水泥的继续水化, 从而进一步提高了混凝土的强度。对于粉煤灰早期强度低的问题, 一方面可以取较长时间的强度值作为评价混凝土强度等级的标准, 如60d强度、90d强度等。另一方面, 可以在加入粉煤灰的同时, 再掺入活性较高的磨细矿渣粉, 两种材料复掺后, 在混凝土强度发展上能起到互补的作用。

五、需注意的几个问题

（一）粉煤灰在混凝土中的适宜掺量

较小掺量的粉煤灰只是一定程度上降低了混凝土的水_化热, 只有掺量超过25%时, 粉煤灰对混凝土的性能才会有明显的改善, 粉煤灰混凝土最佳掺量范围为30%-50%。但由于水泥本身所能提供的碱性环境是有限的, 因此在未掺入粉煤灰活化剂的情况下, 粉煤灰的掺量不宜大于20%, 若要加大粉煤灰的掺量, 就必须同时掺入粉煤灰活化剂。

（二）粉煤灰混凝土的抗碳化问题

粉煤灰的水化反应消耗了混凝土中的Ca(OH)2, 使混凝土的碱性降低, 会加大混凝土的碳化深度。虽然不能因碳化问题而影响粉煤灰的推广使用, 但混凝土的碳化是混凝土耐久性的一个重要指标, 应给予足够的重视。

（三）粉煤灰的质量控制

粉煤灰混凝土特别是大掺量的粉煤灰混凝土对粉煤灰的质量要求比较高, 而粉煤灰的质量波动又比较大, 电厂收集的可直接用于混凝土工程的只是很少数, 这就要积极探索粉煤灰加工的先进方法, 严格控制用于混凝土工程的粉煤灰质量。只有选择了质量稳定的粉煤灰, 才能保证混凝土质量的控制, 才能有效推进粉煤灰在混凝土中的大规模应用。

六、结语

粉煤灰作为一种活性矿物掺合料, 对发展绿色高性能混凝土起到了越来越大的作用。粉煤灰是工业“三废”之一, 所造成恶劣的环境污染长期困扰着我们。随着人们对粉煤灰研究和认识的深入, 逐渐将其应用到工程领域, 变废为宝。尤其在混凝土中, 作为活性矿物掺合料得到了很大的开发和广泛的应用。

粉煤灰在混凝土中的充分应用, 既是提高和改善混凝土性能的需要, 又是节能减排、保护环境, 实现可持续发展的需要。开发利用大掺量粉煤灰绿色高性能混凝土, 可以获得巨大的经济效益和社会效益, 有着十分重大的意义。