粉煤灰混凝土
1. 概述
1.1粉煤灰的產(chǎn)生
粉煤灰是從煤粉爐排出的煙氣中收集到的細顆粒粉末，是工業(yè)“三廢”之一。鍋爐在操作時，煤粉與高速氣流混合在一起，噴入爐膛的燃燒帶中，使煤粉顆粒里的有機物質(zhì)得到充分的燃燒，但燃燒的完全程度取決于鍋爐的效率和操作的水平，爐膛溫度一般是很難測準(zhǔn)的，運行良好的現(xiàn)代化電廠的煤粉爐爐膛最高溫度可能達到或超過1600℃，足以使灰分中除了少量石英(細粒的結(jié)晶)以外的所有礦物全部熔融。可是多數(shù)舊電廠鍋爐的實際燃燒溫度要比上述溫度低得多，在較低的溫度下，只能熔融一小部分的無機物質(zhì)，而且爐膛溫度并不是十分均勻的，因此即使在同一鍋爐中，粉煤灰燒成的條件也不相同，更不必說不同的鍋爐了。在燃燒過程中，煤炭中的無機雜質(zhì)也發(fā)生了一系列的反應(yīng)和變化，包括達到不同的溫度時，含水的礦物如粘土、石膏等一一脫水，碳酸鹽中二氧化碳與硫化物中三氧化硫的排出，還有堿在高溫下也要揮發(fā)，其中較細的粒子隨氣流掠過燃燒區(qū)，立即熔融，到了爐膛外面，受到驟冷，就將熔融時由于表面張力作用形成的圓珠形態(tài)保持下來，成為玻璃微珠，煤粉粒子越細，越容易成球。其中有些熔融的微珠內(nèi)部，截留了爐內(nèi)氣體，形成了空心微珠。另有一些微珠，團聚在一
起或粘連在一起，就形成魚卵狀的復(fù)珠(即子母珠)和粘連體，也有一些來不及完全變成液態(tài)的粗灰，結(jié)果變成了渣狀的多孔玻璃體(海綿狀玻璃)。在冷卻過程中也有一些冷卻比較緩慢而再結(jié)晶的礦物以及在顆粒表面上生成的結(jié)晶礦物、化合物和獨自存在的未熔融石英等礦物。從煤塊磨成煤粉，把原來團聚的礦物磨粹，因此每一顆煤粉粒子的礦物成分也是不同的，燃燒以后，每一粒粉煤灰的成分當(dāng)然也不可能相同，所以粉煤灰化學(xué)成分分析也只能是表示粉煤灰中各種顆?；旌衔锏幕瘜W(xué)成分平均值。
1.2 粉煤灰的物理性質(zhì)
粉煤灰的比重在1.95～2.36之間，松干密度在450 kg/m3～700kg/m3范圍內(nèi)，比表面積在220 kg/m3～588 kg/m3之間。由于粉煤灰的多孔結(jié)構(gòu)、球形粒徑的特性，在松散狀態(tài)下具有良好的滲透性，其滲透系數(shù)比粘性土的滲透系數(shù)大數(shù)百倍。粉煤灰在外荷載作用下具有一定的壓縮性，同比粘性土其壓縮變形要小的多。粉煤灰的毛細現(xiàn)象十分強烈，其毛細水的上升高度與壓實度有著密切關(guān)系。
粉煤灰是一種高度分散的微細顆粒集合體，主要由氧化硅玻璃球組成，根據(jù)顆粒形狀可分為球形顆粒與不規(guī)則顆粒。球形顆粒又可分為低鐵質(zhì)玻璃微珠與高鐵質(zhì)玻璃微珠，若據(jù)其在水中沉降性能的差異，則可分 出飄珠、輕珠和沉珠；不規(guī)則顆粒包括多孔狀玻璃體、多孔碳粒以及其他碎屑和復(fù)合顆粒。
通常用掃描電鏡來觀察粉煤灰的顆粒形貌。掃描電鏡可以觀察到粉煤灰的絕大部分粒徑范圍，可以從1μm到400μm。通過電鏡可以觀察到，小顆粒粉煤灰表面為表面光滑的球形顆粒，較大顆粒的粉煤灰(＞250μm)形狀則不規(guī)則。圖1是一組粉煤灰顆粒形貌的電鏡照片，(a)為低鈣粉煤灰，(b)為高鈣粉煤灰，比較之下，高鈣粉煤灰的顆粒表面粘附有很多微粒，而低鈣粉煤灰的表面則顯得比較光滑。
（a）低鈣粉煤灰 (b)高鈣粉煤灰
圖1 粉煤灰的顆粒形貌掃描電鏡圖片
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1.3 粉煤灰的化學(xué)成分與礦物組成
粉煤灰是一種火山灰質(zhì)材料，來源于煤中無機組分，而煤中無機組分以粘土礦物為主，另外有少量黃鐵礦、方解石、石英等礦物。因此粉煤灰化學(xué)成份以二氧化硅和三氧化二鋁為主(氧化硅含量在48%左右，氧化鋁含量在27%左右)，其它成分為三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉、三氧化硫及未燃盡有機質(zhì)(燒失量)。不同來源的煤和不同燃燒條件下產(chǎn)生的粉煤灰，其化學(xué)成分差別很大。
表1 我國31個有代表性的火力發(fā)電廠粉煤灰的化學(xué)成分
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成分 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
K2O |
Na2O |
SO3 |
I.L |
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變化范圍 |
33.9～59.7 |
16.5～35.4 |
1.5～19.7 |
0.8～10.4 |
0.7～1.9 |
0.6～2.9 |
0.2～1.1 |
0～1.1 |
1.2～23.6 |
|
平均值 |
50.6 |
27.1 |
7.1 |
2.8 |
1.2 |
1.3 |
0.5 |
0.3 |
8.2 |
粉煤灰以玻璃質(zhì)微珠為主，其次為結(jié)晶相，主要結(jié)晶相為莫來石、磁鐵礦、赤鐵礦、石英、方解石等。玻璃相是粉煤灰的主要結(jié)晶相，粉煤灰玻璃質(zhì)微珠及多孔體均以玻璃體為主，玻璃體含量為50%～80%，玻璃體在高溫緞燒中儲存了較高的化學(xué)內(nèi)能，是粉煤灰活性的來源。莫來石是粉煤灰中存在的二氧化硅和三氧化二鋁在電廠鍋爐燃燒過程中形成的。SEM下偶爾可以見到莫來石的針狀形集合晶體，莫來石含量在1.3%～3.6%之間，其變化與煤粉中三氧化二鋁含量及煤粉燃燒時的爐膛溫度等諸多因素有關(guān)。磁鐵礦和赤鐵礦是粉煤灰中鐵的主要賦存狀態(tài)，一般磁鐵礦含量較高。石英為粉煤灰中的原生礦物，常呈棱角狀，不規(guī)則粒徑，含量不高。
1.4 用于水泥混凝土的粉煤灰的技術(shù)要求
按照國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596－2005），拌制混凝土用的粉煤灰分為F類粉煤灰和C類粉煤灰兩類。F類粉煤灰是由無煙煤或煙煤煅燒收集的，其CaO含量不大于10%或游離CaO含量不大于1%；C類粉煤灰是由褐煤或次煙煤煅燒收集的，其CaO含量大于10%或游離CaO含量大于1%，又稱高鈣粉煤灰。
F類和C類粉煤灰又根據(jù)其技術(shù)要求分為I級、II級和III級三個等級?；炷劣梅勖夯业募夹g(shù)要求可見表2。
表2 拌制混凝土用粉煤灰技術(shù)要求
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技術(shù)要求（不大于/ %） | ||||
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I級 |
II級 |
III級 | ||
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細度（45um方孔篩篩余）， （不大于/%） |
F類粉煤灰 |
12.0 |
25.0 |
45.0 |
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C類粉煤灰 | ||||
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需水量比，不大于/% |
F類粉煤灰 |
95.0 |
105.0 |
115.0 |
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C類粉煤灰 | ||||
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燒失量，不大于/ % |
F類粉煤灰 |
5.0 |
8.0 |
15.0 |
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C類粉煤灰 | ||||
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含水量，不大于/ % |
F類粉煤灰 |
1.0 | ||
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C類粉煤灰 | ||||
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三氧化硫，不大于/ % |
F類粉煤灰 |
3.0 | ||
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C類粉煤灰 | ||||
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游離氧化鈣，不大于/ % |
F類粉煤灰 |
1.0 | ||
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C類粉煤灰 |
4.0 | |||
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安定性(雷氏夾沸煮后增加距離) 不大于/ mm |
F類粉煤灰 |
5.0 | ||
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C類粉煤灰 | ||||
與F類粉煤灰相比，C類粉煤灰一般具有需水量比小、活性高和自硬性好等特征。但由于C類粉煤灰中往往含有游離氧化鈣，所以在用作混凝土摻合料時，必須對其體積安定性進行合格檢驗。
混凝土工程選用粉煤灰時，應(yīng)按《粉煤灰混凝土質(zhì)量技術(shù)規(guī)范》（GBJ 146－90）。對于不同的混凝土工程，選用相應(yīng)等級的粉煤灰：
(1)I級灰適用于鋼筋混凝土和跨度小于6m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土；
(2)II級灰適用于鋼筋混凝土和無筋混凝土；
(3)III級灰主要用于無筋混凝土；但大于C30的無筋混凝土，宜采用I、II級灰；
(4)用于預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼筋混凝土及設(shè)計強度等級C30及以上的無筋混凝土的粉煤灰等級，如試驗論證，可采用比上述三條規(guī)定低一級的粉煤灰。
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1.5 粉煤灰在混凝土中的基本效應(yīng)
粉煤灰在水泥混凝土中主要有三個基本效應(yīng),即形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)?？刂七@三個效應(yīng)向有利方向發(fā)展，即可利廢為寶、改善混凝土的性能。
(1) 形態(tài)效應(yīng)
粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)，主要是指粉煤灰的顆粒形貌、粗細、表面粗糙程度等特征在混凝土中的效應(yīng)。粉煤灰微珠顆?？梢云鸬綕L珠的作用，降低混凝土拌和的內(nèi)摩擦力而提高流動性。粉煤灰的密度小于水泥，因而等量替代后可增加漿體的體積，從而改善對粗細集料的潤滑程度，也有利于提高混凝土拌合物的流動性。此外，還可以提高混凝土的勻質(zhì)性、粘聚性和保水性。
劣質(zhì)粉煤灰由于含有較多不規(guī)則的多孔顆粒和未燃盡的碳，而導(dǎo)致需水量增加和保水性變差，對混凝土帶來負面效應(yīng)。
(2)火山灰效應(yīng)(活性效應(yīng))
粉煤灰屬于活性礦物摻合料。粉煤灰中含有的玻璃態(tài)的氧化硅和氧化鋁屬于活性氧化硅和活性氧化鋁，它們可以與水泥水化生成的氫氧化鈣和水發(fā)生
火山灰效應(yīng)可以提高混凝土以后的強度，以后的強度要高于不摻粉煤灰的混凝土，且齡期越長該差異越大。因而對早期承載能力要求不大的工程可利用其60d、90d、180d時的強度。
(3) 微集料效應(yīng)
粉煤灰微珠具有極高的強度，其填充在水泥顆粒間的空隙，既減少了毛細孔隙，又起到了微骨架作用。隨水化的不斷進行，粉煤灰的水化產(chǎn)物與未水化的粉煤灰內(nèi)核的粘結(jié)力不斷提高，這也有利于提高粉煤灰的微集料效應(yīng)。
除上述三個基本效應(yīng)外，粉煤灰還有許多其它效應(yīng)，如免疫效應(yīng)(抑制堿集料反應(yīng)效應(yīng)、提高耐腐蝕性效應(yīng)等)、減熱效應(yīng)(降溫升效應(yīng))、泵送效應(yīng)等，不過這些效應(yīng)都離不開上述三個基本效應(yīng)。
1.6 粉煤灰對混凝土的作用
摻加適量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰后，混凝土的許多重要性能得到明顯的改善，
1.6.1 粉煤灰對混凝土的正面作用
(1)混凝土拌和料和易性得到改善
摻加適量的粉煤灰可以改善混凝土拌和料的流動性、粘聚性和保水性，使混凝土拌和料易于泵送、澆筑成型，并可減少坍落度的經(jīng)時損失。
(2)混凝土的溫升降低
摻加粉煤灰后可減少水泥用量，且粉煤灰水化放熱量很少，從而減少了水化放熱量，因此施工時混凝土的溫升降低，可明顯減少溫度裂縫，這對大體積混凝土工程特別有利。
(3)混凝土的耐久性提高
由于二次水化作用，混凝土的密實度提高，界面結(jié)構(gòu)得到改善，同時由于二次反應(yīng)使得易受腐蝕的氫氧化鈣數(shù)量降低，因此摻加粉煤灰后可提高混凝土的抗?jié)B性和抗硫酸鹽腐蝕性和抗鎂鹽腐蝕性等.同時由于粉煤灰比表面積巨大，吸附能力強，因而粉煤灰顆?？梢晕浪嘀械膲A，并與堿發(fā)生反應(yīng)而消耗其數(shù)量。游離堿數(shù)量的減少可以抑制或減少堿集料反應(yīng)。通常3既的粉煤灰摻量即可避免堿集料反應(yīng)。
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(4)變形減小
粉煤灰混凝土的徐變低于普通混凝土。粉煤灰的減水效應(yīng)使得粉煤灰混凝土的干縮及早期塑性千裂與
(5)耐磨性提高
粉煤灰的強度和硬度較高，因而粉煤灰混凝土的耐磨性優(yōu)于普通混凝土。但混凝土養(yǎng)護不良會導(dǎo)致耐磨性降低。
(6)成本降低
摻加粉煤灰在等強度等級的條件下，可以減少水泥用量約10%～15%，因而可降低混凝土的成本。
1.6.2 粉煤灰對混凝土的負面作用
(1)強度發(fā)展較慢、早期強度較低
由于粉煤灰的水化速度小于水泥熟料，故摻加粉煤灰后混凝土的早期強度低于普通混凝土，且粉煤灰摻量越高早期強度越低。但對于高強混凝土，摻加粉煤灰后混凝土的早期強度降低相對較小。粉煤灰混凝土的強度發(fā)展相對較慢，故為保證強度的正常發(fā)展，需將養(yǎng)護時間延長至14d以上。
(2)抗碳化性、抗凍性有所降低
粉煤灰的二次水化使得混凝土中氫氧化鈣的數(shù)量降低，因而不利于混凝土的抗碳化性和鋼筋的防銹。而粉煤灰的二次水化使混凝土的結(jié)構(gòu)更加致密，又有利于保護鋼筋。因此，粉煤灰混凝土的鋼筋銹蝕性能并沒有比普通混凝土差很多。許多研究結(jié)果也不完全一致，有的認為鋼筋銹蝕加劇，有的則認為鋼筋銹蝕減緩。無論什么結(jié)果，摻加粉煤灰時，如果同時使用減水劑則可有效地減緩摻加粉煤灰所帶來的抗碳化性減弱，從而提高對鋼筋的保護能力。
粉煤灰混凝土的抗凍性較普通混凝土有所降低，特別是采用劣質(zhì)粉煤灰時。對有抗凍性要求的混凝土應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰，當(dāng)抗凍性要求較高時應(yīng)摻加引氣使含氣量達到要求的數(shù)值，即可保證混凝土達到優(yōu)良的抗凍性.如三峽大壩用混凝土中摻入20%～30%的Ⅰ級粉煤灰和引氣劑，抗凍性達到F300。
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