粉煤灰在混凝土中的应用

                        (中铁六局呼和浩特铁建公司，内蒙古 呼和浩特 010050)
摘 要：文章详细介绍了粉煤灰的生产情况、物理性质及国家标准，重点介绍了粉煤灰在混凝土中的应用原理，并介绍了粉煤灰在混凝土中的应用实例及其优缺点。
关键词：粉煤灰；混凝土；原理；应用
中图分类号：TU521.4  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)03—0071—02
1 粉煤灰性质概述
      粉煤灰是火力发电厂排放的废渣，呈灰色或浅灰色粉末，属于火山灰质活性材料。它含有较多的活性氧化硅、活性氧化铝，它们与氢氧化钙在常温下起化学反应生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙。这些成分有助于混合料的硬化，增加强度。此外，粉煤灰系球形熔粉，颗粒呈玻璃状，这些球形颗粒是拌和物和易性得以改善的主要原因。我国目前粉煤灰产量很大，全国年产量达5 000万t以上。
1.1 粉煤灰的物理性质
1.1.1 细度：粉煤灰的细度对强度的形成有一定影响，粉煤灰颗粒愈细，强度愈高。因经磨细的粉煤灰增大了表面积，使活性增大。
1.1.2 密度：粉煤灰的密度与它的颗粒形状、铁质含量有关，玻璃球含量多，粉煤灰密度大；氧化铁成分高，其密度亦大；含碳多的密度小；密度愈大粉煤灰质量愈好。粉煤灰密度为1.07～2.4g/cm³。
1.1.3 堆积密度：一般为555～700kg/m³
1.1.4 烧失量：烧失量即粉煤灰中未烧尽的碳粉含量。未烧尽的碳粉量在粉煤灰中是有害物质。如果粉煤灰中含碳量大，活性的SiO₂、Al₂O₃、CaO含量少，都会降低粉煤灰的活性，增加粉煤灰的需水量，降低强度，故烧失量愈少愈好。
1.1.5 含水量：湿粉煤灰的含水量不宜超过35%。
1.2 粉煤灰的分级及品质标准
2 粉煤灰的技术指标
      以上粉煤灰的性质和混凝土材料实际的各种指标，影响到粉煤灰的最大掺量及粉煤灰在混凝土中对水泥的取代率。
2.1 粉煤灰的最大掺量
2.2 粉煤灰的取代水泥率
      粉煤灰的取代水泥率受混凝土强度等级的限制，通常情况见表3。
3 粉煤灰在混凝土中的作用原理
      掺入I级粉煤灰，能起到减水的作用，增加新拌混凝
土的坍落度，减少坍落度损失，提高混凝土的后期强度，提高混凝土的耐久性能。
3.1 提高和易性
      I级粉煤灰与外加剂共同应用于混凝土时，粉煤灰能起到减水作用，在不减少混凝土用水量的情况下，能增大混凝土坍落度和扩展度，同时减少混凝土的坍落度损失。因为粉煤灰与高效减水剂共同作用，打破了水泥浆体絮凝结构，又填充了水泥粒子的间隙，使得游离水被释放出来，起到稀化的作用，同时粉煤灰在水泥颗粒之间起到减弱大颗粒间的吸附和润滑作用。
      由于I级粉煤灰很细，具有较高的表面能，单独存放时会自动吸附成团，当用于水泥浆体时，也有自身吸附成团或与水泥颗粒吸附的趋势，这一趋势也会抵消一部分的稀化效果。而当粉煤灰与高效减水剂共同使用时，由于其表面能很高，对能降低表面能的减水剂分子会迅速吸附，使得其表面能降低，以至于不再有自身吸附成团或与水泥颗粒吸附的趋势，使得细粉充分发挥其填充稀化作用，从而使得混凝土的坍落度最大，起到减水作用。
      粉煤灰还能减少坍落度损失，因为粉煤灰的水化滞后于水泥的水化时间，粉煤灰的水化需要水泥的水化产物：Ca(OH)2的激发，与之水化反应生产C-S-H。
3.2 提高混凝土强度
      粉煤灰由于其比表面积很大，增加了其火山灰活性，与水泥水化产物之一Ca(OH)₂反应更为迅速和充分，可提高混凝土中水泥水化程度，试验证明，粉体越细，强度增强效果越好。随着水化反应产物C-S-H增多，结构变得更为致密。利用粉体的减水增密和火山灰活性的两个增强效应，是I级粉煤灰等超细粉独特的优点。
3.3 提高混凝土的耐久性能
      掺粉煤灰的混凝土的渗透系数大有降低，氯离子扩散系数（电通量）大大降低，F类粉煤灰能提高抵混凝土抗硫酸盐的侵蚀的能力，粉煤灰替代部分水泥，是提高混凝土耐久性能的重要技术途径。
3.4 改善混凝土的弹性模量
      混凝土实际桥梁工程中,除了主要以强度作为控制指标外,经常还需要规定混凝土的弹性模量值,用来控制预应力张拉。在计算钢筋混凝土的变形、裂缝扩展及大体积混凝土的温度应力时,都必须知道对应混凝土的弹性模量。在工程中,也常常出现强度满足要求而弹性模量偏低,使得混凝土构件变形较大而不能正常使用的问题,导致一些工程事故的发生并造成经济上的损失。对于混凝土弹性模量来说,影响因素有很多,原材料的性能特征、水灰比、骨料性能、砂率、强度等级、养护条件和龄期等均会影响混凝土的弹性模量。随着高性能混凝土的迅速发展,各种矿物掺合料和外加剂的使用对混凝土的性能产生了较大的影响。在混凝土中掺入一定量的粉煤灰可有效提高混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度,增强抵抗氯离子渗透的能力。这主要是由于在含粉煤灰的试样中,随着水化的进行,粉煤灰掺合料中的活性SiO₂和Al₂O₃的活性受到激发,能和水泥水化生成的CH发生反应,既消耗了CH的含量,又生成具有胶凝性的C-S-H凝胶,对胶凝性晶体形成的贡献增大的缘故。由于Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰细度等指标的不同,混合加入到混凝土中会对水化反应速率产生不同的影响。因此,Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰单掺和复掺对水化速率的控制作用就会不同,从而对硬化混凝土弹性模量这一力学性能所产生的影响也会不同。Ⅰ级灰能改善水化速率并产生更有利的混凝土微结构,弹性模量的增加也更显著。在较早龄期下,同条件下不掺粉煤灰试样比掺粉煤灰试样的弹模要高。养护龄期越长,这些试样的差别就越小。在90ｄ龄期,掺混合粉煤灰试样B1的结果最好,但其他试样的结果都相差不多。混合粉煤灰对混凝土的弹性模量有改善作用。
4 F类Ⅰ级粉煤灰在混凝土中的应用实例
      在配置高性能混凝土时，宜加入F类I级粉煤灰，以下是配合比应用实例，详见表4和表5。
      由表4和表5可以看出，掺粉煤灰可以改善混凝土的和易性，提高混凝土的后期强度。
5 在混凝土中使用粉煤灰的优点和不足
      粉煤灰在国内外混凝土工程的推广应用已经有多年的历史，而在经济效益和社会效益都十分重要的今天，粉煤灰也有了其更加广泛和普遍的应用。粉煤灰作为一种活性掺和料，主要应用于混凝土中，北京南站改扩建工程中，制梁厂所制的梁体为大体积混凝土，其中掺加了一定数量的粉煤灰并取得了不错的效果。
5.1 粉煤灰使用的优点 
5.1.1 在混凝土中掺加粉煤灰节约了大量的水泥和细骨料：在一般情况下，在混凝土中合理使用一吨粉煤灰可以取代0.6～0.8t的水泥，并取代10%左右的细骨料。
5.1.2 减少了用水量：经试验，用30%的粉煤灰代替20%的水泥，搅拌混凝土中用水量可减少6%左右，而且增强了混凝土地密实性。
5.1.3 改善了混凝土拌和物的和易性：粉煤灰改善混凝土拌和的和易性的效果比较显著有效。
5.1.4 改善泌水性和离析现象。
5.1.5 减少水化热、热能膨胀性：混凝土中水泥水化反应要放出热量，在大体积混凝土构件中会出现中心与边缘温度差而产生应力，导致裂缝。由于粉煤灰的掺加有利于减少在混凝土内部由于水化热而产生的升温，锦少了混凝土热膨胀出现裂缝的危险。
5.1.6 提高混凝土抗渗能力：由于混凝土能减少用水量和降低水灰比，并且在和水泥水化过程中析出氢氧化钙生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，使水泥石中毛细孔的数量减少，孔径变小，增加了对液体和气体的渗透和扩散作用的抵抗力，即抗渗力。
5.1.7 增加混凝土地修饰性：粉煤灰混凝土修饰性比基准混凝土要好，能使表面平整饱满，较容易摸面和修饰而且硬化后的混凝土色泽更为美观。 
5.2 粉煤灰的掺加也对混凝土的使用产生了一定的副作用
5.2.1 抗冻性降低：经研究发现，掺加了粉煤灰的混凝土较基准混泥土抗冻指标有所下降，如要提高抗冻性能，则要提高强度或延长养护龄期。
5.2.2 抗剪强度、粘结强度有所降低。
6 结论
      混凝土掺合料是粉煤灰利用的有效途径，但用量有限。大量存积的粉煤灰不仅占用土地，而且严重污染环境。因此，如何提高粉煤灰的利用率及利用水平己成为亟待解决的重要课题。
      另一方面，高强混凝土在国民建设中发挥出越来越重要的作用，是混凝土发展的必然趋势。大掺量粉煤灰高强混凝土的研制对于提高粉煤灰的利用率和利用水平，实现粉煤灰建材资源化有重要意义。在建筑工程中，混凝土是使用最为广泛的一种大宗建筑材料，虽然混凝土的各种组成材料存在多变性，生产操作有一定的随机性，但其最终性能指标总是符合一定的规律性。混凝土性能主要指混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能等，实际上，混凝土的许多其他性质，诸如弹性模量、水密性(或抗渗性)，包括抗侵蚀水在内的抗风化性，均直接或间接与强度有关，混凝土的抗压强度比其他种类的强度更容易测试。因此，在研究混凝土的性能时同时研究掺合料粉煤灰的利用和性能及抗压强度的变化规律。
      综上所述粉煤灰在使用中利远大于弊，粉煤灰在混凝土中的贡献还主要取决于其品质及对他的效应发挥的程度。尽管现在对粉煤灰效益的理解还是比较粗浅的，但认为粉煤灰效应是形态效应、活性效应和微集料效应等三种效应的综合，这一粉煤灰的颗粒形态特征直接影响新拌混凝土地需水量保水性以及流变性质，它决定混凝土初始结构，也奠定了硬化混凝土的基本结构。
［参考文献］
［1］冯乃谦.高性能混凝土的结构、性能与粉体效应［M］.北京：混凝土与水泥制品出版社，1996.
［2］冯乃谦.高性能混凝土［M］.北京：中国建筑工业版社，1996.
［3］覃维祖，曹峰.一种超高性能混凝土——活性粉末混凝土［M］.北京：中国建筑工业版社，1999.

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