粉煤灰对高性能混凝土综合性能影响的研究

  摘  要：优质粉煤灰合理地应用于高性能混凝土中，不但能部分代替水泥，降低工程造价，而且其特有的性能还有效地改善和提高混凝土的性能。该论文就粉煤灰与水泥的作用及对高性能混凝土性能的影响进行了系统的研究分析，对粉煤灰在高性能混凝土中的工程应用具有一定的参考价值。

  关键词：高性能混凝土；粉煤灰；密实度；强度；耐久性；工作性

  1.前言

  高性能混凝土（HPC）水灰比一般较小，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时，一般掺平均粒径远小于水泥粒径的如粉煤灰等超细粉状矿物活性材料来置换水泥，这些矿物外加剂和化学外加剂作为HPC第五、六组分掺合料对水泥石孔结构起填充作用，提高水泥石的密实度，改善水泥石与粗骨料间的界面结构，提高了混凝土的强度、耐久性以及工作性能，改善了其抗渗性、抗化学腐蚀性和徐变性能，同时能有效地降低水化热。

  粉煤灰也叫飞灰（flyash）,简称FA，它是由煤电厂烟囱收集的灰尘，其中含有大量的球状玻璃珠，以及莫来石、石英及少量的矿物结晶相（方解石、钙长石、β-C2S、赤铁矿和磁铁矿等），优质粉煤灰合理地应用于混凝土中，不但能部分代替水泥，节省工程造价，而且，其特有的性能可以很有效地用于各种使用要求的混凝土中，以改善和提高混凝土的性能。

  2.粉煤灰与水泥作用的效应分析

  在混凝土中掺入粉煤灰，消耗了水泥水化时所的生成薄弱的、而且往往富集在过渡区的氢氧化钙片状结晶，由于缓慢的水化作用，在后期生成少量的C-S-H凝胶，填充于水泥水化生成物的间隙，使混凝土更加密实；对于高性能混凝土用的优质和磨细的粉煤灰，还存在着活性效应、微集料效应和形态效应等。实践已经证明，掺粉煤灰的混凝土，其长期性能可以得到大幅度改善，对延长结构的使用寿命有重要的意义。

  2.1活性效应。粉煤灰中的活性成分与水泥水化产物氢氧化钙反应生成硅酸钙凝胶，成为胶凝材料的一部分。同时，二次水化反应迟于水泥熟料，反应产物填充于水泥水化产物的孔隙中，使水泥石的孔隙细化，孔隙率减小，密实度增加，强度提高。实验证明，粉煤灰水化反应的主要产物是I型或IZ型的C-S-H凝胶，分布于粉煤灰玻璃微珠的表层。这种产物与熟料的水化产物交叉联接，促进了强度的增长。但由于火山灰反应的潜在性质，玻璃相组分的这种水化反应只有到硬化的后期才能明显表现出来，使混凝土后期强度得以提高。

  2.2微集料效应，粉煤灰的微集料效应是指粉煤灰微细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相之中，就像微细的集料一样。在未掺粉煤灰之前，微集料只指水泥浆体中水泥熟料颗粒尚未水化的内芯，它具有比水泥凝胶更高的强度，而且还能与凝胶相结合，掺加粉煤灰后，粉煤灰微粒取代部分熟料微粒同样可起微集料的作用。这一方面是由于玻璃微珠本身强度较高(厚壁空心微珠的抗压强度在700MPa以上)，同时也由于粉煤灰微粒在水泥浆体中分散状态良好，有助于混凝土中孔隙和毛细孔的充填和“细化”。另外，由于粉煤灰表层的水化层扩散速率比熟料颗粒的水化层扩散速率要缓慢得多，在保持微集料状态的时间上更长。粉煤灰填充性的微集料作用，减少了水泥浆体中的含气量，又因能降低混凝土的泌水性，有利于“细化孔隙”，所以致密化的贡献较大。

  2.3形态效应，粉煤灰多为球形颗粒，在混凝土拌合物中起到“滚珠”作用，优质粉煤灰可提高拌合物的流动性。

  3  粉煤灰对混凝上性能的影响：

  3.1 FA对新拌混凝工作性的影响

  3.1.1对和易性的影响

  粉煤灰对混凝土和易性的改善作用有以下几点:首先，优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体，这些球状玻璃体表面光滑无棱角，性能稳定，在混凝土的泵送、振捣过程中起着一种类似于轴承的润滑作用；第二，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，有利于混凝土性能的提高；第三，掺入粉煤灰可以补偿细骨料中细屑的不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性，同时优质良好的粉煤灰在同样的稠度下能减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，减少泌水和离析现象。单方用水量的降低与粉煤灰的品种，与水泥的置换率、混凝土的配合比以及细骨料的细度模数有关，通过图3.1可以看出，粉煤灰对水泥的置换率到达25%时，标准稠度用水量降低7%左右，因此，可以判定，粉煤灰的细度越大，烧失量越低，细骨料的细度模数越大，混凝土到达相同稠度时的用水量就越低。

  3.1.2 对胶凝材料流动性的影响

  关于粉煤灰对胶凝材料系统流动性的影响，可采用测定胶砂流动度比的试验方法进行系统的研究。流动度比是指在固定水灰比下，粉煤灰水泥砂浆与未掺粉煤灰的水泥砂浆的流动度之比，该值能够直观地反应出掺粉煤灰后对胶砂流动性的改善效果。通过研究发现，随着水胶比的降低，不掺粉煤灰的水泥胶砂需要借助较多的高效减水剂，才能达到理想的流动性，而掺入细度、粒型较好的粉煤灰能明显改善胶砂的流动性，使减水剂的用量大大减少。

  3.1.3对凝结时间的影响

  掺粉煤灰一般会使混凝土的凝结时间延长，粉煤灰的缓凝作用的大小和粉煤灰的掺量、细度、化学成分等因素有关。工程中，对于低水胶比的混凝土，由于水化后形成的水泥石结构非常致密，水不容易渗入内部，为保证水泥初凝后的水化能够正常进行，应该在水泥初凝后立即进行洒水养护。当掺入粉煤灰取代部分水泥时，随着粉煤灰掺量的增加，其凝结时间会有所延长，而在高性能混凝土中，粉煤灰对凝结时间会产生影响之外，水泥的性能、用水量、环境温度等也会对凝结时间产生影响。因此，预测高性能混凝土凝结时间应通过试验确定。

  3.2 FA对混凝土力学性能的影响

  粉煤灰对混凝上强度有三种影响:减少用水量、增大胶结材含量和通过长期火山灰反应提高其强度。低钙粉煤灰中的微粒为硅氧四面体结构，自身的活性很低。在水泥的最终产物中，高碱性水化硅酸钙和Ca(OH)₂胶体的结晶强度很低，特别是Ca(OH)2仅是托勃莫来石强度的1-2%，而Ca(OH)₂体积占整个水泥石体积的25%。粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物，能逐步与Ca(OH)₂及高碱性水化硅酸钙发生二次反应，生成强度较高的低碱性水化硅酸钙，这样，不但使水泥石中水化胶凝物质的数量增加，而且也使其质量得到大幅度提高，有利于混凝上强度的提高。同时，粉煤灰 的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高水泥浆的密实度，使混凝上中骨料与水泥浆的界而强度提高。粉煤灰对抗拉强度和抗弯强度的贡献比抗压强度还要大，这对混凝上的抗裂性能有利。粉煤灰混凝上的弹性模量与抗压强度相类似，早期偏低，后期逐步提高，到28d时可比基准混凝上提高5-10%。对混凝土长期强度的影响除与粉煤灰的质量、与水泥的置换率有关外还与水泥的品种、水灰比及养护条件有关。研究发现，优质粉煤灰置换25%硅酸盐水泥时，标准条件下养护3～6个月可与不含FA的混凝土达到相同的强度。如图3.2所示。

  粉煤灰的二次水化反应一般在混凝上浇筑14d以后才开始进行，在温度低时，该反应所需的时间更长。如果对混凝上的早期强度有严格要求，粉煤灰的掺量宜小于30%，冬季施工非大体积混凝上时，粉煤灰的掺量宜小于20%，由于现代混凝土中外加剂的使用，一方面，可减少混凝上拌和用水量，减小水灰比，提高混凝上中水泥的浓度；另一方面，减水剂能使水泥中硅酸钙水化所产生的Ca(OH)₂增多，有利于粉煤灰与Ca(OH)₂的二次水化反应，激发粉煤灰的活性，这对于改善粉煤灰的早期强度是有效的，另外，使用粉煤灰活性激发剂或在非大体积混凝上中使用早强型水泥，也可以补偿粉煤灰的掺入对混凝上早期强度的影响。

  为保证高性能混凝土的耐久性和工作性，活性矿物掺合料是必不可少的组分。但矿物外加剂的掺入，会影响混凝土的强度发展，特别是早期强度。在配置HPC时，应采用优质的掺合料，对于FA，一般希望采用粒径10um、比表面积约为7850cm₂/g，应特别注意优质粉煤灰和矿渣的需水量比都小于100%，对混凝土有明显的减水增强的作用。

  3.3 FA对混凝土水化热的影响

  粉煤灰对降低混凝土水化热的作用十分明显。低钙粉煤灰在头几天的水化程度并不明显，所产生的水化热仅及水泥的一半。在混凝上中用粉煤灰取代20%的水泥，可使混凝上7d的水化热下降11%。1～28d龄期内，大致为掺入粉煤灰的百分数，就是温升和水化热降低的百分数。在大体积混凝土中粉煤灰的掺入一般可使水化热峰出现的时间延缓至3d以后才出现，可以有效防止混凝土产生温度裂缝。

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  3.4 FA对混凝土耐久性的影响

  3.4.1对抗渗性的影响

  影响混凝土抗渗性的主要因素是混凝土的孔结构，包括孔的大小、数量、曲折度以及分布状况等。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，发生火山灰反应生成二次C-S-H凝胶，可以填充其中的孔隙，改善混凝上中水泥石的孔结构，使总的孔隙率降低，大孔数量减少，小孔数量增多，孔结构进一步细化，分布更为合理，混凝上更加密实，抗渗性能得以提高。粉煤灰混凝土抗渗性能比基准混凝上有所提高，这在于火山灰反应，使普通混凝土内性能小稳定的氢氧化钙转为结构上致密、性能上稳定的胶凝物质，使其提高了混凝土的抗渗性。粉煤灰的火山灰反应是一个长期进行的过程，不断进行的火山灰反应，使粉煤灰混凝上的孔结构进一步优化，混凝上的抗渗性也进一步改善。粉煤灰混凝上的抗渗性能与粉煤灰的掺量和混凝土的龄期有关。当粉煤灰的掺量为30%时，其渗透系数仅为纯水泥混凝土的38.5%；65d龄期的渗透系数可比28d时提高一个数量级。

  3.4.2 对抗冻性的影响

  粉煤灰混凝土28d以前龄期，混凝土的孔结构较纯水泥混凝土的大，故粉煤灰混凝土的早期抗冻性要下降。随着粉煤灰掺量的增加，抗冻性下降的幅度也越大。但随着龄期的增长，其抗冻性下降的幅度大大缩小。在等强超量取代的条件下，则对抗冻性的影响不大。在混凝土中以15%的粉煤灰代替相应的水泥，其抗冻性超过基准混凝土，但掺量太高(50%)时，经过150-200次冻融，混凝土出现明显破坏。粉煤灰的掺入量与混凝土抗冻性能的关系，如图3.3所示。混凝土的含气量也是影响混凝土抗冻能力的重要因素。对处于严寒地区的粉煤灰混凝土工程，掺入适量的引气剂，可提高其抗冻性能。粉煤灰的含碳量、烧失量、碳化性质、细度以及粉煤灰的掺量等会影响混凝土的含气量。随粉煤灰掺量的增加，在相同引气剂掺量下，混凝土的含气量呈下降趋势，影响混凝土的抗冻性。一般认为这是由于引气剂引入的气泡被粉煤灰中的细微颗粒吸附成的。对引气量小于3.5%的粉煤灰混凝土，其水灰比对抗冻性有显著的影响，水灰比越小，抗冻性能越好，如果混凝土中有足够的含气量，则其水灰比对混凝土的抗冻性能影响不大。

  3.4.3对混凝土碳化性能的影响

       粉粉煤灰混凝土的抗碳化性能较差。粉煤灰混凝土中，由于的水泥用量的减少，水泥水化析出的Ca(OH)₂数量也相应减少，而且，火山灰反应也消耗了一定量的Ca(OH)₂，使混凝土的PH值降低，会增加混凝土的碳化速度。特别在水化早期，粉煤灰火山灰反应程度低，粉煤灰、水泥体系孔结构疏松，CO₂、O₂、水分等入侵阻力小，因此碳化深度较大。随着龄期的增长和粉煤灰火山灰效应的逐渐发挥，碳化速度将逐渐降低。研究中发现，粉煤灰混凝土的碳化深度随水灰比及粉煤灰掺量的增加而有所增加。在水灰比为0.5～0. 55，粉煤灰掺量不大于30%和一般施工水平的情况下，15～17年混凝土的碳化深度可达20mm左右。因此，对高性能混凝土的材料选择中，要考虑FA混凝土的碳化问题，国家标准GBJ146-90中规定了粉煤灰在混凝土中取代水泥的限量，见表3.1。

  碳化反应在一定的相对湿度范围内进行最快，否则，反应较慢。当相对湿度在25%以下或者接近100%，即混凝土在充分干燥或水饱和的场合，混凝土都不易产生碳化收缩。在基础工程等不与大气接触的混凝土工程中，由于与CO₂隔绝，不会发生碳化反应，因此可较多地掺加粉煤灰，以充分降低混凝土的水化热，提高混凝土的耐久性。采用超量取代法，较低的水胶比，同时掺加以减水剂为主的外加剂进行配合比设计，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。

  3.4.4 FA对混凝土碱-集料反应的影响

  国内外的工程实践已经表明，粉煤灰可以有效抑制混凝土碱-集料反应粉煤灰对ASR的抑制作用表现为混凝土中的碱和Ca(OH)₂的相互作用。一方面，粉煤灰中的活性成分S0₂,Al₂0₃与水泥的水化产物Ca(OH)₂反应，降低混凝上的碱度；另一方而粉煤灰较大的比表面积可吸收K+、Na+,OH-，使之富集在粉煤灰微粒的表面，使骨料周围的碱金属离子及OH^-减少，降低混凝上孔隙中的碱浓度，从而削弱了混凝上的碱-集料反应。研究中发现，粉煤灰掺量大于20%时，抑制碱-集料反应才有效，当掺入30%时可有效抑制碱-集料反应。低钙粉煤灰中的有效Na₂0和K₂0都能加速水泥的水化反应，并且能激发粉煤灰中化学活性成分S0₂,Al₂0₃与A_l20₃的二次水化反应，因此粉煤灰中的有效碱是有益的，在计算混凝土的总碱量时，粉煤灰带入的有效碱量可按粉煤灰总碱量的15%计算。

  3.4.5 FA对混凝土抗腐蚀性的影响

  粉煤灰混凝上抗硫酸盐侵蚀的能力有所提高。一方而，由于减少了水泥用量，也就减少了混凝上受腐蚀的内部因素；另一方而，粉煤灰的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中，会成为大量水化物沉积的核心，随着水化龄期的发展，这些细微颗粒及其水化反应产物填充水泥石孔隙，改善了混凝上的孔结构(“微集料效应”)，逐渐降低混凝上的渗透性，阻碍侵蚀性介质侵入。氯盐是促使钢筋锈蚀，威胁钢筋混凝上建筑物耐久性的最危险物质，是促使混凝上中钢筋去钝化的无可匹敌的杀手。

  对于高性能混凝土粉煤灰质量应满足表3.2的规定。在施工现场必须控制矿物掺合料与配合比选择时所采用的材料相同，现场应按施工配合比用量通过计量加入。配制高性能混凝土的矿物掺合料（Ⅰ级粉煤灰、磨细矿粉）应符合GB1596-91和GB/T18046-2000的规定。Ⅰ级粉煤灰需水量比不应大于100%，磨细矿粉比表面积应大于450m²/kg。渗入的引气剂、保坍剂及其他改善混凝土性能的外加剂应符合GB8076的规定，其品种及数量由试验确定。

  4.结束语

  粉煤灰曾被认为是工业“三废”之一，目前，全世界粉煤灰的年产量约为500亿吨，我国年排放粉煤灰约11000万吨，利用率仅为42%，随着工业的发展，粉煤灰排放量还将逐年大幅增加。因此，合理地推广应用粉煤灰，不仅能节约土地和能源，而且能保护和治理环境，具有重要的现实意义。

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