粉煤灰對(duì)高性能混凝土綜合性能影響的研究

  摘  要：優(yōu)質(zhì)粉煤灰合理地應(yīng)用于高性能混凝土中，不但能部分代替水泥，降低工程造價(jià)，而且其特有的性能還有效地改善和提高混凝土的性能。該論文就粉煤灰與水泥的作用及對(duì)高性能混凝土性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究分析，對(duì)粉煤灰在高性能混凝土中的工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

  關(guān)鍵詞：高性能混凝土；粉煤灰；密實(shí)度；強(qiáng)度；耐久性；工作性

  1.前言

  高性能混凝土（HPC）水灰比一般較小，水泥石中有一部分水泥是不能水化的，只能起填充作用，所以，在配制高性能混凝土?xí)r，一般摻平均粒徑遠(yuǎn)小于水泥粒徑的如粉煤灰等超細(xì)粉狀礦物活性材料來(lái)置換水泥，這些礦物外加劑和化學(xué)外加劑作為HPC第五、六組分摻合料對(duì)水泥石孔結(jié)構(gòu)起填充作用，提高水泥石的密實(shí)度，改善水泥石與粗骨料間的界面結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的強(qiáng)度、耐久性以及工作性能，改善了其抗?jié)B性、抗化學(xué)腐蝕性和徐變性能，同時(shí)能有效地降低水化熱。

  粉煤灰也叫飛灰（flyash）,簡(jiǎn)稱FA，它是由煤電廠煙囪收集的灰塵，其中含有大量的球狀玻璃珠，以及莫來(lái)石、石英及少量的礦物結(jié)晶相（方解石、鈣長(zhǎng)石、β-C2S、赤鐵礦和磁鐵礦等），優(yōu)質(zhì)粉煤灰合理地應(yīng)用于混凝土中，不但能部分代替水泥，節(jié)省工程造價(jià)，而且，其特有的性能可以很有效地用于各種使用要求的混凝土中，以改善和提高混凝土的性能。

  2.粉煤灰與水泥作用的效應(yīng)分析

  在混凝土中摻入粉煤灰，消耗了水泥水化時(shí)所的生成薄弱的、而且往往富集在過(guò)渡區(qū)的氫氧化鈣片狀結(jié)晶，由于緩慢的水化作用，在后期生成少量的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(shí)；對(duì)于高性能混凝土用的優(yōu)質(zhì)和磨細(xì)的粉煤灰，還存在著活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)等。實(shí)踐已經(jīng)證明，摻粉煤灰的混凝土，其長(zhǎng)期性能可以得到大幅度改善，對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命有重要的意義。

  2.1活性效應(yīng)。粉煤灰中的活性成分與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，成為膠凝材料的一部分。同時(shí)，二次水化反應(yīng)遲于水泥熟料，反應(yīng)產(chǎn)物填充于水泥水化產(chǎn)物的孔隙中，使水泥石的孔隙細(xì)化，孔隙率減小，密實(shí)度增加，強(qiáng)度提高。實(shí)驗(yàn)證明，粉煤灰水化反應(yīng)的主要產(chǎn)物是I型或IZ型的C-S-H凝膠，分布于粉煤灰玻璃微珠的表層。這種產(chǎn)物與熟料的水化產(chǎn)物交叉聯(lián)接，促進(jìn)了強(qiáng)度的增長(zhǎng)。但由于火山灰反應(yīng)的潛在性質(zhì)，玻璃相組分的這種水化反應(yīng)只有到硬化的后期才能明顯表現(xiàn)出來(lái)，使混凝土后期強(qiáng)度得以提高。

  2.2微集料效應(yīng)，粉煤灰的微集料效應(yīng)是指粉煤灰微細(xì)顆粒均勻分布于水泥漿體的基相之中，就像微細(xì)的集料一樣。在未摻粉煤灰之前，微集料只指水泥漿體中水泥熟料顆粒尚未水化的內(nèi)芯，它具有比水泥凝膠更高的強(qiáng)度，而且還能與凝膠相結(jié)合，摻加粉煤灰后，粉煤灰微粒取代部分熟料微粒同樣可起微集料的作用。這一方面是由于玻璃微珠本身強(qiáng)度較高(厚壁空心微珠的抗壓強(qiáng)度在700MPa以上)，同時(shí)也由于粉煤灰微粒在水泥漿體中分散狀態(tài)良好，有助于混凝土中孔隙和毛細(xì)孔的充填和“細(xì)化”。另外，由于粉煤灰表層的水化層擴(kuò)散速率比熟料顆粒的水化層擴(kuò)散速率要緩慢得多，在保持微集料狀態(tài)的時(shí)間上更長(zhǎng)。粉煤灰填充性的微集料作用，減少了水泥漿體中的含氣量，又因能降低混凝土的泌水性，有利于“細(xì)化孔隙”，所以致密化的貢獻(xiàn)較大。

  2.3形態(tài)效應(yīng)，粉煤灰多為球形顆粒，在混凝土拌合物中起到“滾珠”作用，優(yōu)質(zhì)粉煤灰可提高拌合物的流動(dòng)性。

  3  粉煤灰對(duì)混凝上性能的影響：

  3.1 FA對(duì)新拌混凝工作性的影響

  3.1.1對(duì)和易性的影響

  粉煤灰對(duì)混凝土和易性的改善作用有以下幾點(diǎn):首先，優(yōu)質(zhì)粉煤灰中含有70%以上的球狀玻璃體，這些球狀玻璃體表面光滑無(wú)棱角，性能穩(wěn)定，在混凝土的泵送、振搗過(guò)程中起著一種類似于軸承的潤(rùn)滑作用；第二，新拌混凝土中水泥顆粒易聚集成團(tuán)，粉煤灰的摻入可有效分散水泥顆粒，釋放更多的漿體來(lái)潤(rùn)滑骨料，有利于混凝土性能的提高；第三，摻入粉煤灰可以補(bǔ)償細(xì)骨料中細(xì)屑的不足，中斷砂漿基體中泌水渠道的連續(xù)性，同時(shí)優(yōu)質(zhì)良好的粉煤灰在同樣的稠度下能減少混凝上的拌和用水量，使混凝上中的水灰比降低到更小水平，減少泌水和離析現(xiàn)象。單方用水量的降低與粉煤灰的品種，與水泥的置換率、混凝土的配合比以及細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)有關(guān)，通過(guò)圖3.1可以看出，粉煤灰對(duì)水泥的置換率到達(dá)25%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量降低7%左右，因此，可以判定，粉煤灰的細(xì)度越大，燒失量越低，細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)越大，混凝土到達(dá)相同稠度時(shí)的用水量就越低。

  3.1.2 對(duì)膠凝材料流動(dòng)性的影響

  關(guān)于粉煤灰對(duì)膠凝材料系統(tǒng)流動(dòng)性的影響，可采用測(cè)定膠砂流動(dòng)度比的試驗(yàn)方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究。流動(dòng)度比是指在固定水灰比下，粉煤灰水泥砂漿與未摻粉煤灰的水泥砂漿的流動(dòng)度之比，該值能夠直觀地反應(yīng)出摻粉煤灰后對(duì)膠砂流動(dòng)性的改善效果。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，隨著水膠比的降低，不摻粉煤灰的水泥膠砂需要借助較多的高效減水劑，才能達(dá)到理想的流動(dòng)性，而摻入細(xì)度、粒型較好的粉煤灰能明顯改善膠砂的流動(dòng)性，使減水劑的用量大大減少。

  3.1.3對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

  摻粉煤灰一般會(huì)使混凝土的凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，粉煤灰的緩凝作用的大小和粉煤灰的摻量、細(xì)度、化學(xué)成分等因素有關(guān)。工程中，對(duì)于低水膠比的混凝土，由于水化后形成的水泥石結(jié)構(gòu)非常致密，水不容易滲入內(nèi)部，為保證水泥初凝后的水化能夠正常進(jìn)行，應(yīng)該在水泥初凝后立即進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。當(dāng)摻入粉煤灰取代部分水泥時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，其凝結(jié)時(shí)間會(huì)有所延長(zhǎng)，而在高性能混凝土中，粉煤灰對(duì)凝結(jié)時(shí)間會(huì)產(chǎn)生影響之外，水泥的性能、用水量、環(huán)境溫度等也會(huì)對(duì)凝結(jié)時(shí)間產(chǎn)生影響。因此，預(yù)測(cè)高性能混凝土凝結(jié)時(shí)間應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。

  3.2 FA對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

  粉煤灰對(duì)混凝上強(qiáng)度有三種影響:減少用水量、增大膠結(jié)材含量和通過(guò)長(zhǎng)期火山灰反應(yīng)提高其強(qiáng)度。低鈣粉煤灰中的微粒為硅氧四面體結(jié)構(gòu)，自身的活性很低。在水泥的最終產(chǎn)物中，高堿性水化硅酸鈣和Ca(OH)₂膠體的結(jié)晶強(qiáng)度很低，特別是Ca(OH)2僅是托勃莫來(lái)石強(qiáng)度的1-2%，而Ca(OH)₂體積占整個(gè)水泥石體積的25%。粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物，能逐步與Ca(OH)₂及高堿性水化硅酸鈣發(fā)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度較高的低堿性水化硅酸鈣，這樣，不但使水泥石中水化膠凝物質(zhì)的數(shù)量增加，而且也使其質(zhì)量得到大幅度提高，有利于混凝上強(qiáng)度的提高。同時(shí)，粉煤灰 的摻入可分散水泥顆粒，使水泥水化更充分，提高水泥漿的密實(shí)度，使混凝上中骨料與水泥漿的界而強(qiáng)度提高。粉煤灰對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比抗壓強(qiáng)度還要大，這對(duì)混凝上的抗裂性能有利。粉煤灰混凝上的彈性模量與抗壓強(qiáng)度相類似，早期偏低，后期逐步提高，到28d時(shí)可比基準(zhǔn)混凝上提高5-10%。對(duì)混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響除與粉煤灰的質(zhì)量、與水泥的置換率有關(guān)外還與水泥的品種、水灰比及養(yǎng)護(hù)條件有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)質(zhì)粉煤灰置換25%硅酸鹽水泥時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3～6個(gè)月可與不含F(xiàn)A的混凝土達(dá)到相同的強(qiáng)度。如圖3.2所示。

  粉煤灰的二次水化反應(yīng)一般在混凝上澆筑14d以后才開始進(jìn)行，在溫度低時(shí)，該反應(yīng)所需的時(shí)間更長(zhǎng)。如果對(duì)混凝上的早期強(qiáng)度有嚴(yán)格要求，粉煤灰的摻量宜小于30%，冬季施工非大體積混凝上時(shí)，粉煤灰的摻量宜小于20%，由于現(xiàn)代混凝土中外加劑的使用，一方面，可減少混凝上拌和用水量，減小水灰比，提高混凝上中水泥的濃度；另一方面，減水劑能使水泥中硅酸鈣水化所產(chǎn)生的Ca(OH)₂增多，有利于粉煤灰與Ca(OH)₂的二次水化反應(yīng)，激發(fā)粉煤灰的活性，這對(duì)于改善粉煤灰的早期強(qiáng)度是有效的，另外，使用粉煤灰活性激發(fā)劑或在非大體積混凝上中使用早強(qiáng)型水泥，也可以補(bǔ)償粉煤灰的摻入對(duì)混凝上早期強(qiáng)度的影響。

  為保證高性能混凝土的耐久性和工作性，活性礦物摻合料是必不可少的組分。但礦物外加劑的摻入，會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，特別是早期強(qiáng)度。在配置HPC時(shí)，應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)的摻合料，對(duì)于FA，一般希望采用粒徑10um、比表面積約為7850cm₂/g，應(yīng)特別注意優(yōu)質(zhì)粉煤灰和礦渣的需水量比都小于100%，對(duì)混凝土有明顯的減水增強(qiáng)的作用。

  3.3 FA對(duì)混凝土水化熱的影響

  粉煤灰對(duì)降低混凝土水化熱的作用十分明顯。低鈣粉煤灰在頭幾天的水化程度并不明顯，所產(chǎn)生的水化熱僅及水泥的一半。在混凝上中用粉煤灰取代20%的水泥，可使混凝上7d的水化熱下降11%。1～28d齡期內(nèi)，大致為摻入粉煤灰的百分?jǐn)?shù)，就是溫升和水化熱降低的百分?jǐn)?shù)。在大體積混凝土中粉煤灰的摻入一般可使水化熱峰出現(xiàn)的時(shí)間延緩至3d以后才出現(xiàn)，可以有效防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。

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  3.4 FA對(duì)混凝土耐久性的影響

  3.4.1對(duì)抗?jié)B性的影響

  影響混凝土抗?jié)B性的主要因素是混凝土的孔結(jié)構(gòu)，包括孔的大小、數(shù)量、曲折度以及分布狀況等。粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，發(fā)生火山灰反應(yīng)生成二次C-S-H凝膠，可以填充其中的孔隙，改善混凝上中水泥石的孔結(jié)構(gòu)，使總的孔隙率降低，大孔數(shù)量減少，小孔數(shù)量增多，孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化，分布更為合理，混凝上更加密實(shí)，抗?jié)B性能得以提高。粉煤灰混凝土抗?jié)B性能比基準(zhǔn)混凝上有所提高，這在于火山灰反應(yīng)，使普通混凝土內(nèi)性能小穩(wěn)定的氫氧化鈣轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)上致密、性能上穩(wěn)定的膠凝物質(zhì)，使其提高了混凝土的抗?jié)B性。粉煤灰的火山灰反應(yīng)是一個(gè)長(zhǎng)期進(jìn)行的過(guò)程，不斷進(jìn)行的火山灰反應(yīng)，使粉煤灰混凝上的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，混凝上的抗?jié)B性也進(jìn)一步改善。粉煤灰混凝上的抗?jié)B性能與粉煤灰的摻量和混凝土的齡期有關(guān)。當(dāng)粉煤灰的摻量為30%時(shí)，其滲透系數(shù)僅為純水泥混凝土的38.5%；65d齡期的滲透系數(shù)可比28d時(shí)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

  3.4.2 對(duì)抗凍性的影響

  粉煤灰混凝土28d以前齡期，混凝土的孔結(jié)構(gòu)較純水泥混凝土的大，故粉煤灰混凝土的早期抗凍性要下降。隨著粉煤灰摻量的增加，抗凍性下降的幅度也越大。但隨著齡期的增長(zhǎng)，其抗凍性下降的幅度大大縮小。在等強(qiáng)超量取代的條件下，則對(duì)抗凍性的影響不大。在混凝土中以15%的粉煤灰代替相應(yīng)的水泥，其抗凍性超過(guò)基準(zhǔn)混凝土，但摻量太高(50%)時(shí)，經(jīng)過(guò)150-200次凍融，混凝土出現(xiàn)明顯破壞。粉煤灰的摻入量與混凝土抗凍性能的關(guān)系，如圖3.3所示?；炷恋暮瑲饬恳彩怯绊懟炷量箖瞿芰Φ闹匾蛩亍?duì)處于嚴(yán)寒地區(qū)的粉煤灰混凝土工程，摻入適量的引氣劑，可提高其抗凍性能。粉煤灰的含碳量、燒失量、碳化性質(zhì)、細(xì)度以及粉煤灰的摻量等會(huì)影響混凝土的含氣量。隨粉煤灰摻量的增加，在相同引氣劑摻量下，混凝土的含氣量呈下降趨勢(shì)，影響混凝土的抗凍性。一般認(rèn)為這是由于引氣劑引入的氣泡被粉煤灰中的細(xì)微顆粒吸附成的。對(duì)引氣量小于3.5%的粉煤灰混凝土，其水灰比對(duì)抗凍性有顯著的影響，水灰比越小，抗凍性能越好，如果混凝土中有足夠的含氣量，則其水灰比對(duì)混凝土的抗凍性能影響不大。

  3.4.3對(duì)混凝土碳化性能的影響

       粉粉煤灰混凝土的抗碳化性能較差。粉煤灰混凝土中，由于的水泥用量的減少，水泥水化析出的Ca(OH)₂數(shù)量也相應(yīng)減少，而且，火山灰反應(yīng)也消耗了一定量的Ca(OH)₂，使混凝土的PH值降低，會(huì)增加混凝土的碳化速度。特別在水化早期，粉煤灰火山灰反應(yīng)程度低，粉煤灰、水泥體系孔結(jié)構(gòu)疏松，CO₂、O₂、水分等入侵阻力小，因此碳化深度較大。隨著齡期的增長(zhǎng)和粉煤灰火山灰效應(yīng)的逐漸發(fā)揮，碳化速度將逐漸降低。研究中發(fā)現(xiàn)，粉煤灰混凝土的碳化深度隨水灰比及粉煤灰摻量的增加而有所增加。在水灰比為0.5～0. 55，粉煤灰摻量不大于30%和一般施工水平的情況下，15～17年混凝土的碳化深度可達(dá)20mm左右。因此，對(duì)高性能混凝土的材料選擇中，要考慮FA混凝土的碳化問(wèn)題，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ146-90中規(guī)定了粉煤灰在混凝土中取代水泥的限量，見表3.1。

  碳化反應(yīng)在一定的相對(duì)濕度范圍內(nèi)進(jìn)行最快，否則，反應(yīng)較慢。當(dāng)相對(duì)濕度在25%以下或者接近100%，即混凝土在充分干燥或水飽和的場(chǎng)合，混凝土都不易產(chǎn)生碳化收縮。在基礎(chǔ)工程等不與大氣接觸的混凝土工程中，由于與CO₂隔絕，不會(huì)發(fā)生碳化反應(yīng)，因此可較多地?fù)郊臃勖夯?，以充分降低混凝土的水化熱，提高混凝土的耐久性。采用超量取代法，較低的水膠比，同時(shí)摻加以減水劑為主的外加劑進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。

  3.4.4 FA對(duì)混凝土堿-集料反應(yīng)的影響

  國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐已經(jīng)表明，粉煤灰可以有效抑制混凝土堿-集料反應(yīng)粉煤灰對(duì)ASR的抑制作用表現(xiàn)為混凝土中的堿和Ca(OH)₂的相互作用。一方面，粉煤灰中的活性成分S0₂,Al₂0₃與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)₂反應(yīng)，降低混凝上的堿度；另一方而粉煤灰較大的比表面積可吸收K+、Na+,OH-，使之富集在粉煤灰微粒的表面，使骨料周圍的堿金屬離子及OH^-減少，降低混凝上孔隙中的堿濃度，從而削弱了混凝上的堿-集料反應(yīng)。研究中發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量大于20%時(shí)，抑制堿-集料反應(yīng)才有效，當(dāng)摻入30%時(shí)可有效抑制堿-集料反應(yīng)。低鈣粉煤灰中的有效Na₂0和K₂0都能加速水泥的水化反應(yīng)，并且能激發(fā)粉煤灰中化學(xué)活性成分S0₂,Al₂0₃與A_l20₃的二次水化反應(yīng)，因此粉煤灰中的有效堿是有益的，在計(jì)算混凝土的總堿量時(shí)，粉煤灰?guī)氲挠行A量可按粉煤灰總堿量的15%計(jì)算。

  3.4.5 FA對(duì)混凝土抗腐蝕性的影響

  粉煤灰混凝上抗硫酸鹽侵蝕的能力有所提高。一方而，由于減少了水泥用量，也就減少了混凝上受腐蝕的內(nèi)部因素；另一方而，粉煤灰的細(xì)微顆粒均勻分散到水泥漿體中，會(huì)成為大量水化物沉積的核心，隨著水化齡期的發(fā)展，這些細(xì)微顆粒及其水化反應(yīng)產(chǎn)物填充水泥石孔隙，改善了混凝上的孔結(jié)構(gòu)(“微集料效應(yīng)”)，逐漸降低混凝上的滲透性，阻礙侵蝕性介質(zhì)侵入。氯鹽是促使鋼筋銹蝕，威脅鋼筋混凝上建筑物耐久性的最危險(xiǎn)物質(zhì)，是促使混凝上中鋼筋去鈍化的無(wú)可匹敵的殺手。

  對(duì)于高性能混凝土粉煤灰質(zhì)量應(yīng)滿足表3.2的規(guī)定。在施工現(xiàn)場(chǎng)必須控制礦物摻合料與配合比選擇時(shí)所采用的材料相同，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)按施工配合比用量通過(guò)計(jì)量加入。配制高性能混凝土的礦物摻合料（Ⅰ級(jí)粉煤灰、磨細(xì)礦粉）應(yīng)符合GB1596-91和GB/T18046-2000的規(guī)定。Ⅰ級(jí)粉煤灰需水量比不應(yīng)大于100%，磨細(xì)礦粉比表面積應(yīng)大于450m²/kg。滲入的引氣劑、保坍劑及其他改善混凝土性能的外加劑應(yīng)符合GB8076的規(guī)定，其品種及數(shù)量由試驗(yàn)確定。

  4.結(jié)束語(yǔ)

  粉煤灰曾被認(rèn)為是工業(yè)“三廢”之一，目前，全世界粉煤灰的年產(chǎn)量約為500億噸，我國(guó)年排放粉煤灰約11000萬(wàn)噸，利用率僅為42%，隨著工業(yè)的發(fā)展，粉煤灰排放量還將逐年大幅增加。因此，合理地推廣應(yīng)用粉煤灰，不僅能節(jié)約土地和能源，而且能保護(hù)和治理環(huán)境，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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