大掺量粉煤灰混凝土的作用及其机理分析

作为工业副产品粉煤灰的排放量十分巨大，大掺量粉煤灰混凝土能够充分地利用工业废渣粉煤灰的潜在活性，减少水泥用量，降低混凝土生产成本;变废为宝，化害为利，节约堆放粉煤灰的大量宝贵土地;更大程度地发挥高性能优势，改善混凝土工作性、耐久性和物理力学性能。大掺量粉煤灰混凝土既能节约水泥，又能消耗大量的粉煤灰，对于减轻环境负荷十分有效。大掺量粉煤灰混凝土作为一种新型材料，具有自身独特的优越性，随着对其性能的研究，大掺量粉煤灰混凝土的各项性能不断得到改善，一定会在各项建设拥有广阔的应用前景。

1.粉煤灰的主要作用

粉煤灰在混凝土中的主要作用表现在以下几个方面:

(1)填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，由于粉煤灰的容重(表观密度)只有水泥的2/3左右，而且粒形好(质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠)，因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。

(2)对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分，是水泥水化更充分。

(3)粉煤灰和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物(与水泥中硅酸盐的水化产物相同)，而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用。

(4)粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。

(5)粉煤灰高性能混凝土的性能粉煤灰是一种呈玻璃态实心或空心的球状微颗粒，比水泥粒子小得多，比表面积极大，表面光滑致密，其成分主要是活性氧化硅或氧化铝。掺入混凝土中的粉煤灰主要产生以下几方面影响:

1.活性效应:在常温下，由于粉煤灰的水化反应比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿，所以混凝土早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低。随着时间的推移，粉煤灰中活性部分SiO2和AI2O3与水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，生成大量水化硅酸凝胶。粉煤灰外部的一些水化产物在成长过程中也会象树根一样伸入颗粒空隙中，填充空隙，破坏界面区Ca(OH)2的择优取向排列，大大改善了界面区，促进了混凝土后期强度的增长。

2.微集料密实填充及颗粒形态效应:均匀分散在混凝土中的粉煤灰颗粒不会大量吸水，不但起着滚珠作用，而且与水泥粒子组成了合理的微级配，减少填充水数量，影响系统的堆积状态，提高堆积密度，具有减水作用，使新拌混凝土工作性优良，硬化混凝土微结构更加均匀密实。而且，不会发生泌水离析现象，可施工性和抹面性好，抗渗性、抗冻性好。

3交互作用:水泥、粉煤灰、外加剂等不同粉料间会产生物理、化学的交互作用。例如，水泥水化生成的Ca(OH)2是粉煤灰的活性激发剂，而被激发了的粉煤灰一旦水解，降低液相碱度，又会进一步促进未水化水泥水化。又如混凝土坍落度经时损失的原因之一是随着水化反应的进行，高效减水剂的浓度降低，通过SEM观察，发现超细粉末的粉煤灰颗粒存在大量比表面积相当大的微珠以及一定量的多孔海绵状的不规则小块，可吸附外加剂，是外加剂的理想载体由于粉煤灰水化反应缓慢，吸附在其上的高效减水剂在短时间内不会起作用，之后才随粉煤灰的水化得以逐渐释放，因此新拌粉煤灰混凝土的坍落度经时损失小。另外，目前生产的水泥含碱量不断提高，粉煤灰的使用大大节约水泥熟料，抑制碱–骨料反应；水泥中C3A含量少，水化产生的热量少，减少了混凝土构件由于内外温差过大而引起其表面开裂的危险;粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2,混凝土不耐蚀成分减少，因而耐化学侵蚀性比普通混凝土强得多。同时徐变、干缩等变形性能也优于普通混凝土综上所述，大掺量粉煤灰高性能混凝土具有令人满意的工作性、耐久性，力学性能也能达到设计要求，尽管早期强度低，但后期强度高，强度储备大。用高质量的粉煤灰取代部分水泥可大大改善新拌混凝土的工作性，因为:(1)粉煤灰是由大小不等的球状颗粒的玻璃体组成，表面光滑致密，在混凝土拌合物中能起滚珠作用；(2)新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团，粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料;(3)能减少用水量，使混凝土的水灰比降到更小水平，减少泌水和离析现象;(4)具有良好的保水性，有利于泵送施工良好的工作性可大大改善混凝土的外观质量，同时也是混凝土内在质量的保证大掺量粉煤灰混凝土的良好的工作性能，对于解决目前混凝土存在的许多问题有很重要的作用。通过对粉煤灰掺量不同的新拌高性能混凝土进行坍落度试验表明，掺加粉煤灰对混凝土工作性的改善十分明显，各掺量粉煤灰混凝土的坍落度均大于基准混凝上。取代率大于40%以后，随着掺量的提高，由于粉煤灰的密度比水泥小，胶凝材料体积增大，需水量会有所上升，但即使粉煤灰掺量高达70%,混凝土坍落度仍大于基准混凝土。同时，在实践中可看到粉煤灰高性能混凝土的粘聚性·保水性好，无离析泌水现象。

2.粉煤灰在混凝土中的机理分析

(1)粉煤灰的形态效应

粉煤灰的主要矿物组成是海绵状玻璃体，铝硅酸盐玻璃微珠，这些球状玻璃体表面光滑、粒度细，质地致密，内比表面积小，不仅使水泥浆需水量小，而且它们往往填充水泥浆体孔隙中，使混凝土密实性大大提高，或者在相同用水量的情况下，可增大流动性，改善和易性和可泵性。

(2)粉煤灰的微集料效应

粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，阻止了水泥颗粒的相互粘聚，而处于分散状态有利于水化反应的进行，同时减少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密实度得以提高。

(3)粉煤灰的活性效应

粉煤灰的活性效应也称火山灰效应，粉煤灰中的活性成份SiO2和AI2O3与水泥和石灰的水化产物在水溶液中发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，继而与石膏反应生成水化硫铝酸钙。上述这些反应几乎都是在水泥浆孔隙中进行的，大大降低了混凝土内部的孔隙率，改变了孔结构，提高了混凝土的密实度。

长期以来，国内外的混凝土中常掺有一定量粉煤灰，但作为水泥的替代材料，绝大多数情况下是以如下三种方式应用的:在旱期强度要求很低，长期强度大约在2535MPa的大体积混凝土中，大掺量的替代水泥使用;在结构混凝土里较少量的替代水泥(10%~25%);在强度要求很低的回填或道路基层里大量使用。由于高效减水剂的应用，使混凝土的水胶比可以大幅度降低，从而使掺用粉煤灰的性能能够大幅度的提高。

大掺量粉煤灰混凝土作为一种新型材料，具有自身独特的优越性，但是目前应用范围不大，这与人们的传统观念及技术上的差距有关。随着该项技术不断完善，大掺量粉煤灰混凝土一定会在各项建设中大显身手人类要寻求与自然和谐，大掺量粉煤灰混凝上必将以其优良的性能在保护环境、协调人类与自然的关系等方面起到积极的作用，拥有广阔的应用前景。