粉煤灰的潜力：展望光明的未来

　　当前，可持续发展的议程，已使混凝土施工行业接受把粉煤灰当作一种有价值的资源。粉煤灰不仅能改善混凝土的性能，使其更具竞争优势，成为全球第一的建筑材料，而且，还使其成为更具生态友好型的材料。这正是英国混凝土研究中心自1977年来从事粉煤灰研究的核心所在。目前，对混凝土研究的挑战在于：如何使粉煤灰的应用在全球得到谨慎和安全的推广。  

　　粉煤灰（FA）是一种烧煤发电的副产品。当前，其全球的产量约6.5亿吨，其中超过50%未被利用，不是被长期堆积，就是被处理掉。只有很小比例的粉煤灰被当作一种高价值的资源材料，用作混凝土中的水泥组分材料。虽然，统计资料显示，粉煤灰的使用比例日益增长，但情况不容乐观，全球将其掩埋的总吨位数，也不断增长，特别在发展中国家。这是一种非可持续性的做法。 

　　水泥的定义 

　　当所有其他胶凝材料已普遍系指辅助性胶凝材料或系指水泥的各种替代材料时，“水泥”这个词汇，已不仅仅局限于过去习以为常的波特兰水泥了。这无疑大大推动在混凝土中，把粉煤灰和其他火山灰材料当作水泥或水泥的混合料进行广泛应用。的确，情况已大为改观，目前大多数国家的标准中所广泛采用的“水泥”这个词汇，系指所有胶凝材料（波特兰水泥熟料，潜在的水硬性和火山灰材料）。这不仅能鼓励把粉煤灰用作水泥的一种组分材料，而且还能促进混凝土规范向以性能为依据的标准迈进。 

　　混凝土：水泥净浆的作用 

　　在实际应用中，可把混凝土视为一种具有两种状态组成的材料，即水泥净浆和集料。这两种状态组成的材料中，水泥净浆呈活性，硬化状态时，呈孔状结构。这就使其易于产生体积变化和裂缝，因此，会影响混凝土的性能。在一定的条件下，其影响程度取决于水泥净浆的质量。 粉煤灰呈球状、玻璃体和颗粒状特征，因此，掺加粉煤灰的水泥净浆的许多性能，诸如：需水性、颗粒堆积、水化产物以及在孔隙溶解化学，无论在其新拌状态，还是在其硬化状态，都会得到改善，获得相同的效果。  

　　 性能的含义 

　　粉煤灰对混凝土性能的影响取决于其质量，主要是其细度和烧失量，对此，已进行了大量的研究。本文选用的实例旨在证明粉煤灰改善混凝土性能的潜力。 

　　稠度 

　　众所周知，使用粉煤灰，由于其颗粒堆积和球状颗粒特征，可改善混凝土稠度。使用低含碳量的超细粉煤灰，可大幅提高混凝土稠度。 

　　强度发展 

　　根据所获得的混凝土强度显示，掺加超细粉煤灰，具有提高混凝土强度发展的潜力。这种超强的强度发展功能，是由于掺加符合BSEN450规范或 BS3892 第一部分规范的要求，而掺加普通粉煤灰是没有这种超增强功能的。 这些增强功能需重点关注的是：应对粉煤灰的加工工艺进行精心的评估，以便开拓新的市场领域。 

　　抗硫酸盐性能 

　　符合BSEN450规范要求的掺加粉煤灰的灌浆料，其中：波特兰水泥熟料与粉煤灰混合水泥之比分别为：1：0（G0），1：1（G1），1：2（G2），1：3 （G3），1：5 （G5）1：10（G10），然后与抗抗硫酸盐水泥混合，并暴露在英国建筑研究院文摘定义的5级条件下，其性能测试结果，参见图5所绘制的曲线图。图中清楚显示，用G10混合比例水泥配制的的灌浆料性能最佳，即膨胀最小，但是，其28天立方体强度与G0的相比，要低得多。这些掺加比例的测试结果，对混凝土向全面过度到以性能为依据的规范提供了一个明白的信息，即28天强度作为规定混凝土耐久性的重要参数，向我们提出了其适用性问题。当然，使用如此高掺量的粉煤灰，显然可获得经济效益。 

　　抗氯化物性能 

　　提供了符合BS8500规范，氯化物暴露等级为XS3和符合 BSEN450规范，水泥中掺粉煤灰，掺量从0%-50%的混凝土拌合物的详细配合比设计数据。所有拌合物都符合标准规范的规定要求，配合比设计工程师可任选四种配合比中的一种。但是，掺加50%波特兰水泥熟料和50%粉煤灰的混合水泥配制的混凝土拌合物的氯化物扩散系数（D）为1.5cm2/sx 10-9，而用100%波特兰水配制的混凝土拌合物的氯化物扩散系数（D）为15cm2/sx10-9。其结果显示，使用粉煤灰是有益处的。其原因是，高Al2O3含量和高抗渗透性能。这些益处不仅提高了耐久性，而且还由于节省波特兰水泥，降低了材料成本。 

　　环境的含义 

　　生产波特兰水泥，会释放大量CO2，即每生产1吨水泥，将释放1.25吨CO2。当前全球的波特兰水泥产量约为20亿吨，将产生25亿吨CO2。值得指出的是，到2030年，估计全球的水泥产量将达到100亿吨。 

　　假如混凝土拌合物的设计能充分考虑到所有组分材料的特性，水泥就能成功地掺加30%粉煤灰，这就意味着具有消耗掉所有全球所生产的粉煤灰的潜力，从而每年可降低： 8亿吨CO2的释放 ，10亿吨用于生产波特兰水泥的原材料。除此之外，使用粉煤灰还可提高混凝土拌合物的性能。 

　　经济效益 

　　为了进一步加强混凝土作为全球首位建筑材料的地位，混凝土必须在成本和性能上有竞争性。由于施工业向全生命周期核算制度的进展颇为缓慢，因此，计算施工成本并非易事。但是，仅仅以胶凝材料的成本为考量依据，使用粉煤灰就会增加混凝土的竞争力。的确，以性能要求来规定混凝土时，粉煤灰的价格与波特兰水泥相比，无疑会大大增加对使用粉煤灰的期待，因此使用粉煤灰会成为潜在的投资目标，这也会成为一个必然的趋势。 

　　粉煤灰的充分应用 

　　使用粉煤灰最困难之处是，细度和烧失量（碳含量）的范围很大，而且这些参数是可变的。众所周知，这两个参数都会影响需水量，水化速度以及水泥净浆结构的堆积密度。由英国顿迪大学研究人员从1977年开始的，代表了长达110年的大量研究，其目的就是要彻底弄清标准中所规定的材料的局限性，从而扩大粉煤灰的应用范围。粉煤灰对新拌、水化和硬化状态下混凝土性能的影响程度，包括对混凝土流变性能、强度发展、工程和耐久性的影响研究，已进行得相当深入，它们是： 
　　超细粉煤灰BS 3821 第一部分  
　　大掺量粉煤灰BS EN 450 粉煤灰 
　　粉煤灰站的经营管理 
　　改性粉煤灰 
　　粉煤灰的活性 
　　粉煤灰的互燃性 
　　填土粉煤灰的回收利用及其经济效益 

　　现已进行的大量产品开发示范项目，进一步证明，大多数粉煤灰能用作水泥的组分材料，有效应用于混凝土中，并通过如下措施，使其增值： 

                  　　深加工： 通过定制颗粒大小和/或降低未燃烧碳含量，合理使用经深加工的粉煤灰 
                  　　控制技术：通过调整配合比设计和/或使用其他掺合料/外加剂来控制粉煤灰的特性效应 
                  　　配合比设计：使粉煤灰的特性效应，适应混凝土目标强度发展的要求。现已证明，掺加粉煤灰混凝土的工程性能和耐久性，与那些采用较高质量材料配制的混凝土性能基本相似。 

　　推动粉煤灰作为一种有价值的资源性材料在混凝土中的全面应用，还需进行以下的工作： 
　　扩大粉煤灰现有市场 
　　开拓粉煤灰新的市场 
　　实现更大的材料价值 
　　开创粉煤灰的需求性 
　　全球性首创精神 

　　粉煤灰是混凝土中的一种有价值的资源材料和有效的组分材料。的确，粉煤灰不但能提供高性能水泥，而且还能扩大混凝土在开发星球基础设施中的应用。当环境影响和可持续发展问题（CO2释放、能耗和主要资源的需求）成功推动了粉煤灰的应用，那么，弄请和探索粉煤灰在科学和技术上的优越性，克服其局限性，就必然成为一项明智的开发研究工作。对粉煤灰的开发研究需要有远见卓识和切实可行的全球性首创精神，当前，这一时机已成熟。 

　　结语 

　　技术、环境和经济的考量依据都显示，应最大限度地在混凝土结构中应用粉煤灰。虽然，这个过程早已起步，但是，还需加倍努力，既谨慎又安全地达到全面应用之目标。