論粉煤灰在混凝土工程中的應(yīng)用

　　長期以來，國內(nèi)外在工程建設(shè)用混凝土中常摻入一定量粉煤灰，以改善混凝土性能。實踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其耐久性能得到大幅度改善，對延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命具有重要意義。對于粉煤灰的作用機理，無論從火山灰材料的特性（消耗了水泥水化時生成薄弱的，而且往往富集在過渡區(qū)的氫氧化鈣片狀晶體，由于水化緩慢，只在后期才生成少量C-S-H凝膠，填充于水泥水化生成物的間隙，使混凝土更加密實），還是其所具有的形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)等，眾多研究成果都能夠證明這樣一個事實:在一定條件下，混凝土中摻用粉煤灰其強度會受到影響，包括28d齡期以后一段時間里的強度。這個事實始終影響著粉煤灰在混凝土中，尤其是結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用，由此形成了一種成見：混凝土中摻用粉煤灰是以犧牲結(jié)構(gòu)混凝土的品質(zhì)為代價，俗稱"摻假"。效果是否如此，下面就結(jié)合有關(guān)科研成果和我市粉煤灰應(yīng)用實例進(jìn)行淺述，以消除人們對混凝土中摻加粉煤灰的成見。

　　一、粉煤灰產(chǎn)生的效應(yīng)

　?。ㄒ唬┖鸵仔孕?yīng)?；炷梁鸵仔灾饕軡{體的體積、水灰比、配合比設(shè)計、骨料的級配、形狀、孔隙率等因素影響，其中粉煤灰是影響混凝土和易性的重要因素。由于粉煤灰在混凝土中特性之一是增大漿體的體積（相同質(zhì)量粉煤灰的體積要比水泥約大30%）。如果我們在混凝土中較好的利用粉煤灰特性，用粉煤灰取代等重量的水泥（根據(jù)強度要求按重量比大于1：1用粉煤灰取代水泥時，又稱超量取代），多加的粉煤灰增大了細(xì)屑含量，因此增大了漿體－-骨料比。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。粉煤灰的骨料顆粒可以減少漿體－-骨料間的界面磨擦，在骨料的接觸點起滾珠軸承效果，從而改善了混凝土的和易性。

　　（二）泌水效應(yīng)。粉煤灰的摻入可以補償細(xì)骨料中的細(xì)屑不足，中斷砂漿基體中泌水渠道的連續(xù)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，摻用粉煤灰對防止混凝土的泌水是有利的。

　?。ㄈ┌韬臀镆龤庾饔眯?yīng)?；炷恋目諝夂恳话阍冢常ヒ詢?nèi)，與水泥的細(xì)度、骨料形狀、級配以及震搗密實的程度等有關(guān)。當(dāng)混凝土中摻入粉煤灰時，由于細(xì)屑組分的影響會使混凝土的空氣含量減少１％左右。對燒失量超過６％的粉煤灰，由于碳顆粒在冷卻過程中變成了封閉的玻璃態(tài)，因而防止了對引氣劑的吸附，保持了混凝土拌和物的原有含氣量。

　?。ㄋ模┠Y(jié)時間效應(yīng)。摻粉煤灰的混凝土雖然初凝、終凝一般都能滿足規(guī)范要求，但由于受其摻量、細(xì)度、化學(xué)成分等因素影響，混凝土?xí)霈F(xiàn)凝結(jié)時間延長，導(dǎo)致出現(xiàn)緩凝現(xiàn)象。然而，與水泥性能、用水量、環(huán)境溫度、濕度等因素相比，粉煤灰對混凝土凝結(jié)時間的影響是極小的。

　?。ㄎ澹┛箟簭姸刃?yīng)。混凝土的抗壓強度主要取決于水灰比，對摻與不摻粉煤灰的混凝土，如果二者的早期強度相同，則粉煤灰混凝土的后期強度將高于不摻的，粉煤灰對混凝土有三重影響：減少用水量、增大膠結(jié)料含量和通過長期火山灰反應(yīng)提高強度。

　　當(dāng)原材料和環(huán)境條件一定時，摻粉煤灰混凝土的強度增長主要決定于粉煤灰的火山灰效應(yīng)，即粉煤灰中玻璃態(tài)的活性氧化硅、氧化鋁與混凝土的水泥漿體中的Ca(OH)2作用生成堿度較小的二次水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣。一些研究認(rèn)為：粉煤灰在混凝土中，當(dāng)Ca(OH)2薄膜覆蓋在粉煤灰顆粒表面上時，就開始發(fā)生火山灰效應(yīng)。但由于在Ca(OH)2薄膜與粉煤灰顆粒之間存在著水解層，鈣離子要通過水解層與粉煤灰的活性成分反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在層內(nèi)逐漸聚集，水解層未被火山灰反應(yīng)產(chǎn)物充滿到某種程度時，不會使強度有較大增長。隨著水解層被反應(yīng)產(chǎn)物充滿，粉煤灰顆粒和水泥水化產(chǎn)物之間逐步形成牢固聯(lián)系，從而導(dǎo)致混凝土強度、不透水性和耐磨性的增長，這就是摻粉煤灰的混凝土早齡期強度較低，后齡期強度增長較多的主要原因。

　　（六）水化熱效應(yīng)。混凝土中水泥的水化反應(yīng)是放熱反應(yīng)。在混凝土中摻入粉煤灰可以降低水化熱，原因是減少了水泥的用量。水化放熱的多少和速度取決于水泥的物理、化學(xué)性能和摻入粉煤灰的量。

　　由于近年來大型、超大型混凝土結(jié)構(gòu)的建造，構(gòu)件斷面尺寸相應(yīng)增大；混凝土設(shè)計強度等級提高，使所用水泥等級提高，單位用量增大；又由于實行水泥新標(biāo)準(zhǔn)后，使早強礦物硅酸三鈣含量提高，粉磨細(xì)度加大，這些因素的疊加，導(dǎo)致混凝土硬化過程溫升明顯加劇，溫峰升高。在達(dá)到溫峰后的降溫期間，混凝土產(chǎn)生溫度收縮（也稱熱收縮）引起彈性拉應(yīng)力；另一方面混凝土的水灰比（水膠比）降低，早期水化加快，混凝土的彈性模量隨強度提高而增大，進(jìn)一步加劇彈性拉應(yīng)力增長。這是導(dǎo)致近些年來許多結(jié)構(gòu)物在施工期間，模板剛拆除時就發(fā)現(xiàn)大量裂縫的原因。這種硬化混凝土早期出現(xiàn)的裂縫往往深而長，為了防止可見裂縫的出現(xiàn)，通常采取外包保溫的方法，以減少內(nèi)外溫差，因而被認(rèn)為是有效措施得到迅速推廣。但卻忽略了，由于外保溫阻礙了混凝土水化熱的散發(fā)，進(jìn)一步加劇體內(nèi)的溫升，使混凝土體內(nèi)溫度繼續(xù)升高，水泥水化加速，早期強度發(fā)展更加迅速，因此也更容易出現(xiàn)裂縫，只是由于鋼筋的約束和對應(yīng)力的分散作用，使少量寬而長的可見裂縫轉(zhuǎn)化為大量分散的不可見裂縫，它們將為侵蝕性介質(zhì)提供通道，影響結(jié)構(gòu)的使用功能。

　　與純水泥混凝土一樣，摻粉煤灰的混凝土由于水泥的水化隨本體溫度升高而加快，強度發(fā)展也因此加快。這使得粉煤灰混凝土，包括大摻量粉煤灰混凝土的強度發(fā)展在低水膠比的條件下，很快通過最初的緩慢凝結(jié)與硬化期，強度的發(fā)展迅速加快。有研究資料表明摻適當(dāng)比例的粉煤灰后，不僅溫升可以降低，使混凝土因溫度收縮和開裂的危險減少，同時由于溫升相同，其抗壓強度在3d之前就超過了不摻粉煤灰類混凝土。

　?。ㄆ撸﹥鋈谀途眯孕?yīng)。當(dāng)粉煤灰質(zhì)量較差、粗顆粒多、含碳量高時，都會對混凝土抗凍融性有不利影響。質(zhì)量差的粉煤灰隨摻量的增加，其抗凍融耐久性劇烈降低。但當(dāng)摻用質(zhì)量較好的粉煤灰同時適當(dāng)降低水灰比，則可以收到改善抗凍融耐久性的效果。試驗資料表明，摻粉煤灰的混凝土水灰比在0.50以下，粉煤灰摻量在30%以內(nèi)，混凝土抗凍融耐久性降低較少。此外，摻粉煤灰的混凝土只要抗壓強度與含氣量與不摻粉煤灰的混凝土相同，即在等強度、等含氣量條件下，摻粉煤灰混凝土與不摻粉煤灰混凝土具有相等的抗凍融耐久性。關(guān)鍵在于混凝土引氣后硬化混凝土中存在均勻分布的微氣孔，這些微氣孔在混凝土受凍時可容納水結(jié)冰時所增大的部分體積。使混凝土免于因冰脹作用而破壞。

　?。ò耍┨炕弯摻钭桎P效應(yīng)。通過長期研究和工程實踐，尤其是近年來的工程調(diào)研資料表明，防止摻粉煤灰混凝土炭化，首要因素是確保粉煤灰混凝土的密實度。密實度差的不摻粉煤灰的混凝土同樣有碳化問題。研究和調(diào)查結(jié)果表明，當(dāng)用礦渣水泥摻15%粉煤灰，普通水泥摻20%粉煤灰，硅酸鹽水泥摻25%粉煤灰時，采用超量取代法設(shè)計混凝土配合比，滿足等稠度和等強度的要求時，摻粉煤灰的混凝土抗碳化性能、鋼筋銹蝕性能與不摻粉煤灰混凝土相比均明顯增大。

　　過去曾有人提出，粉煤灰含硫是否會使粉煤灰混凝土中的鋼筋銹蝕加重問題，國內(nèi)外一些學(xué)者認(rèn)為：

　　1、只要混凝土里面的石灰不被溶出，保持堿性環(huán)境，鋼筋周圍就能保持一層氫氧化鐵保護(hù)膜，阻止與氧氣滲入到鋼筋表面，保護(hù)鋼筋不致銹蝕?；炷林袚接玫姆勖夯覍嵸|(zhì)上沒有改變這種堿性環(huán)境。

　　2、混凝土中摻用的粉煤灰，因產(chǎn)生火山灰-石灰反應(yīng)而提高了混凝土的抗?jié)B性?；鹕交夷z還可以減少混凝土中的石灰溶出量。

　?。ň牛┓勖夯遗c堿-骨料反應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)。堿-骨料反應(yīng)是骨料中的活性氧化硅和水泥中的堿發(fā)生反應(yīng)生水化硅酸鈣凝膠體，體積增大，導(dǎo)致混凝土的膨脹和開裂。當(dāng)向混凝土中摻入粉煤灰后，粉煤灰和水泥中的堿反應(yīng)，能夠防止這種過度的膨脹?？梢姡勖夯覍σ种苹炷林械膲A-骨料反應(yīng)是有利的。

　　二、粉煤灰在我市的應(yīng)用情況

　　（一）粉煤灰在我市應(yīng)用現(xiàn)狀

　　1、基本情況

　　目前我市粉煤灰資源比較豐富，青島電廠、黃島電廠、海灣集團和熱電集團公司等單位，年粉煤灰排量達(dá)150萬立方米以上。粉煤灰排灰方式為濕排和干排兩種，近幾年各排灰單位充分認(rèn)識到粉煤灰的利用價值，經(jīng)技術(shù)改進(jìn)已全部從過去的濕排改為干排，提高了粉煤灰的利用率。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計用于混凝土中的粉煤灰約占總量的12%，作為混合材摻入水泥中的粉煤灰約占總量的25%，出口約占總量的14%，其余的主要用于新型墻體材料、保溫材料、市政工程的路基、路沿石、路面磚、混凝土排水管和銷往省內(nèi)外其他地區(qū)，目前除濕排在海灘的粉煤灰還有待于繼續(xù)開發(fā)利用外，干排的利用率達(dá)到100%。

　　2、在我市混凝土工程中的應(yīng)用案例

　　由于粉煤灰在混凝土中能夠產(chǎn)生非常好的技術(shù)效應(yīng)，特別適用于預(yù)拌混凝土攪拌站工廠化生產(chǎn)條件，被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)識。預(yù)拌混凝土在生產(chǎn)過程中，電攪拌站依據(jù)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-91）、《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GBJ146-90）、《港口工程粉煤灰技術(shù)規(guī)程》（JTJ/T273-97）、《粉煤灰在混凝土和砂漿中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ28-86）等粉煤灰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和工程設(shè)計要求，在預(yù)拌混凝土中摻入一定量粉煤灰，減少水泥用量10-20%以上仍能滿足《預(yù)拌混凝土》標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，并將摻入一定量粉煤灰的預(yù)拌混凝土用于我市的公共建筑、高層建筑、市政路橋、港口、機場等工程，如前灣港的泊位、堆場、道路等約30余萬立方米混凝土，均采用超量取代水泥15%左右，經(jīng)多年使用觀察，混凝土質(zhì)量穩(wěn)定。再如數(shù)碼港工程主體澆筑的混凝土，采用超量取代水泥15-25%以上，混凝土質(zhì)量穩(wěn)定。還有城陽立交橋工程，同樣采用超量取代水泥15-20%以上，經(jīng)多年觀察使用混凝土質(zhì)量也非常穩(wěn)定。

　?。ǘ?yīng)用于預(yù)拌混凝土的前景

　　目前預(yù)拌混凝土技術(shù)已經(jīng)在我市七區(qū)得到較為廣泛的推廣應(yīng)用，而粉煤灰作為摻合料被普遍用于預(yù)拌混凝土中，其用量隨預(yù)拌混凝土生產(chǎn)量增長而增加。尤其是2003年國家商務(wù)部、公安部、建設(shè)部、交通部四部出臺了《關(guān)于限期禁止在城市城區(qū)現(xiàn)場攪拌混凝土的通知》，要求全國124個城市（包括青島市）從2003年12月31日起禁止現(xiàn)場攪拌混凝土，此政策將對預(yù)拌混凝土技術(shù)的推廣應(yīng)用起到助推作用，由此會進(jìn)一步擴大粉煤灰應(yīng)用的范圍和用量。因此，粉煤灰在混凝土工程中會有較好的應(yīng)用前景。

　　通過以上的大量實踐證明，合理的應(yīng)用粉煤灰配制混凝土，可以充分的利用資源，防止環(huán)境污染，降低建筑能耗和工程成本，改善混凝土性能、確保工程質(zhì)量。因此，對粉煤灰的合理應(yīng)用，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。