粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用

　　一、 概述

　　早在2000多年前的古羅馬時(shí)期，人類就用火山灰與石灰混合作為膠凝材料，建造了許多雄偉的建筑物，例如萬(wàn)神殿，其直徑為44m的半球形穹頂就使用了12000噸這種膠凝材料和凝灰?guī)r輕骨料拌合而成的混凝土；還有聞名于世的圓形劇場(chǎng)等，這些建筑現(xiàn)在仍然安然無(wú)恙，2000年還有報(bào)道意大利人正在翻修圓形劇場(chǎng)，準(zhǔn)備在那里面舉行盛大的演出。今天在混凝土中摻用的粉煤灰，也是一種火山灰材料，大量的實(shí)踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其長(zhǎng)期性能得到大幅度的改善，對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的使用壽命有重要意義。

　　現(xiàn)在作為混凝土主要膠凝材料的硅酸鹽水泥，同樣是以石灰石和粘土為主要原料經(jīng)過(guò)煅燒生成的。它問(wèn)世于19世紀(jì)的30年代，至今尚不到200年歷史，因此用硅酸鹽水泥配制成混凝土建造的各種建筑物最長(zhǎng)只有100多年，而國(guó)內(nèi)近些年修建的一些土木工程結(jié)構(gòu)物運(yùn)行不多年，就出現(xiàn)各種病害，甚至很快就遭到嚴(yán)重的破壞。例如北京的西直門(mén)立交橋，運(yùn)行僅20年就不得不拆除重建；更有甚者，據(jù)某省交通科研所一位所長(zhǎng)坦言，那里的混凝土路面運(yùn)行三年不壞的很少！

　　80年代初，美國(guó)佛羅里達(dá)州建造了一座非常宏偉的跨海大橋，在該橋的建設(shè)過(guò)程中，考慮到周圍的侵蝕性環(huán)境，在混凝土里摻用了大量粉煤灰，工程質(zhì)量有很大改善。因而在1983年修訂規(guī)范時(shí)，對(duì)原來(lái)隨意使用粉煤灰的規(guī)定進(jìn)行了修訂。新規(guī)范（S-346）規(guī)定：在中度以上侵蝕環(huán)境中的橋梁上部結(jié)構(gòu)，包括預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的混凝土中，必須摻用粉煤灰。其中大體積混凝土中粉煤灰的摻量為18~50%。

　　什么是大體積混凝土？許多人至今仍認(rèn)為那就是指大壩，也有些人把高層樓房的大型基礎(chǔ)包括在內(nèi)?？墒敲绹?guó)混凝土學(xué)會(huì)規(guī)定：任何現(xiàn)澆混凝土，其尺寸達(dá)到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問(wèn)題，以最大限度減少開(kāi)裂影響的，即稱為大體積混凝土。這個(gè)問(wèn)題下面還要談到。

　　摻粉煤灰混凝土的另一典型實(shí)例，是1982年英國(guó)的Garwick機(jī)場(chǎng)的停機(jī)坪擴(kuò)建工程，該工程在兩條相鄰的道面上對(duì)摻與不摻粉煤灰混凝土進(jìn)行了對(duì)比。所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量達(dá)到46%。該工程經(jīng)運(yùn)行4年后所拍的照片清楚地顯示出：與純硅酸鹽水泥混凝土相對(duì)照，摻粉煤灰混凝土道面的表面層抗滑構(gòu)造仍基本完好，而前者則已坑坑點(diǎn)點(diǎn)，受到一定程度的破壞了。這個(gè)實(shí)際工程事例一方面說(shuō)明：在低水膠比條件下，即使摻有大量粉煤灰，也可以獲得強(qiáng)度和耐久性都十分優(yōu)異的混凝土；另一方面，對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)沿用的，以28d齡期的快速實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)不同類型混凝土的耐久性提出了質(zhì)疑。

　　粉煤灰在混凝土公路路面中的應(yīng)用舉一個(gè)例子。Mehta教授曾提到：在美國(guó)大約70%的低交通量公路與地方公路需要升級(jí)，考慮用大摻量粉煤灰代替水泥以降低造價(jià)，電力研究院(EPRI)出資搞了幾個(gè)示范工程：在北達(dá)科他州，1988和1989年夏天，用20000m³粉煤灰混凝土鋪筑厚為200mm的路面，其水膠比為0.43，水泥用量100Kg/m³、粉煤灰220Kg/m³。

　　加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心（CANMET）自1985年以來(lái)，對(duì)大摻量粉煤灰混凝土進(jìn)行了深入而廣泛的研究，由于該國(guó)處寒帶地區(qū)，因此通常在混凝土里摻有引氣劑，并保持含氣量在5~6%，在這種前提下，以水泥150kg/m³，粉煤灰200kg/m³通過(guò)高效減水劑將水膠比降到0.3左右，所配制的混凝土抗壓強(qiáng)度28天為30~40MPa；90天40~50MPa；1年50~60MPa。大摻量粉煤灰混凝土的成功試驗(yàn)，使其在哈利法克斯的帕克林購(gòu)物中心施工中用于澆注巨大的柱子，拌合物含55%低鈣粉煤灰、45%硅酸鹽水泥，以及就地取材的砂、石和高效減水劑。這些柱子一共用去700m³大摻量粉煤灰混凝土；在哈利法克斯海邊處于海洋環(huán)境的建筑物群施工中也得到應(yīng)用。該建筑物位于海邊，包括兩幢商業(yè)大廈的公共建筑，其32根直徑1.2m和30根直徑1.1m的框架柱沉箱，平均長(zhǎng)度在21m。采用大摻量粉煤灰混凝土的首要原因，是其抗?jié)B性能優(yōu)異。在渥太華附近的大衛(wèi)伏勞瑞達(dá)實(shí)驗(yàn)室，工程師們用CANMET開(kāi)發(fā)的大摻量粉煤灰混凝土設(shè)計(jì)了一個(gè)重360噸的混凝土平臺(tái)。為了降低水化熱，以粉煤灰、Ⅱ型（低熱）水泥、水、粗細(xì)骨料、引氣劑和高效減水劑混合配制。平臺(tái)的尺寸是7×8m，平均厚度2.25m，安放在多個(gè)充氣圓柱體上，因此其震動(dòng)與地面分離。由于粉煤灰混凝土特殊的品質(zhì)，發(fā)射火箭產(chǎn)生的沖擊不會(huì)引起平臺(tái)共振。隨著齡期增長(zhǎng)，平臺(tái)混凝土的共振頻率以每年0.05Hz的速度增長(zhǎng)，質(zhì)量越來(lái)越好。在該平臺(tái)上成功地發(fā)射了愛(ài)那克依火箭的事實(shí)雄辯地證明：粉煤灰混凝土可以看作是真正的太空時(shí)代的建筑材料。

　　根據(jù)CANMET在第二屆“高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用”國(guó)際研討會(huì)發(fā)表的論文，以水泥150kg/m³、粉煤灰200kg/m³，不摻引氣劑并摻高效減水劑將水膠比降至0.29，所配制的大摻量粉煤灰高強(qiáng)混凝土7天強(qiáng)度可達(dá)34MPa；28天52MPa；90天70MPa；365天98MPa。

　　我們用內(nèi)蒙元寶山電廠1級(jí)粉煤灰、北京2級(jí)粉煤灰為原材料，同樣以水泥150kg/m³、粉煤灰200kg/m³，并摻高效減水劑調(diào)節(jié)水膠比為0.30~0.38，配制的混凝土R3=30MPa；R28=50MPa；R1y=80MPa。根據(jù)分析，早期強(qiáng)度發(fā)展更快是因?yàn)樗盟嗪瑝A量較大、活性高，并因此影響了后期強(qiáng)度發(fā)展幅度偏小。

　　在建筑工程中，我們與北京城建集團(tuán)總公司構(gòu)件廠合作，在自密實(shí)混凝土中摻用30~45%粉煤灰作為增粘劑，保證了這種混凝土有足夠粘聚性，不致發(fā)生離析與泌水現(xiàn)象，而且可在數(shù)小時(shí)里幾乎沒(méi)有坍落度損失，滿足長(zhǎng)途運(yùn)輸后仍然能夠自密實(shí)的效果。該成果（大摻量粉煤灰混凝土在建筑工程中的應(yīng)用）于1998年12月獲得北京市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

　　在公路工程建設(shè)中，由我們提供技術(shù)咨詢服務(wù)，自1994年以來(lái)于廣東深-汕等四條近100km高速公路路面混凝土中摻用粉煤灰20~40%，取得明顯提高滑模攤鋪機(jī)攤鋪路面板的質(zhì)量（提高路面宏觀平整度、明顯減少開(kāi)裂）、減小進(jìn)口設(shè)備損耗并降低水泥用量等技術(shù)與經(jīng)濟(jì)綜合效益。

　　二、 混凝土的結(jié)構(gòu)與性能

　　為了便于認(rèn)識(shí)粉煤灰在混凝土中的作用，先來(lái)看看混凝土的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系?；炷潦怯纱笮〔煌念w粒所組成的，大顆粒粗骨料的空隙由中小顆粒的粗骨料（石子）填充；粗骨料顆粒的空隙由細(xì)骨料（砂子）填充，它的顆粒也是有粗有細(xì)，細(xì)顆粒填充粗顆粒之間的空隙；水泥漿則填充粗細(xì)骨料堆積體的大小空隙，并包裹它們形成一層潤(rùn)滑層，使新拌混凝土（也稱拌合物）具有一定的工作性，能在外力或本身的自重作用下成型密實(shí)。硬化混凝土是一種復(fù)雜的、多相的復(fù)合材料，它的結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)相——骨料、硬化水泥漿體以及二者之間的過(guò)渡區(qū)，說(shuō)它復(fù)雜是因?yàn)樗懿粍蛸|(zhì)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

　　第一，過(guò)渡區(qū)的存在。過(guò)渡區(qū)是圍繞骨料顆粒周邊的一層薄殼，厚度約10～50μm。由于它的薄弱，對(duì)混凝土性能的影響十分顯著；第二，三相中的任一相，本身實(shí)際上還是多相體。例如一顆花崗巖的骨料里除了有微裂縫、孔隙外，還不均勻地鑲嵌著石英、長(zhǎng)石和云母三種礦物。石英很硬，而云母就很軟；第三，與其他工程材料不同，混凝土結(jié)構(gòu)中的兩相——硬化水泥漿體和過(guò)渡區(qū)是隨時(shí)間、溫度與濕度環(huán)境不斷變化著的。

　　先談骨料相。通常在為混凝土選擇骨料時(shí)，首先注意的是它的顆粒強(qiáng)度，也就是說(shuō)：它越堅(jiān)硬越好。事實(shí)上，由于骨料的強(qiáng)度通常比其他兩相的高很多，因此它對(duì)混凝土的強(qiáng)度并沒(méi)有直接的影響。但是它們的粒徑和形狀間接地影響混凝土強(qiáng)度：當(dāng)骨料最大粒徑越大、針片狀顆粒越多時(shí)，其表面積存的水膜越厚，過(guò)渡區(qū)相就越薄弱，硬化混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B透性也越差。所以，質(zhì)量好的骨料應(yīng)該是顆粒形狀均勻、級(jí)配好，堆積密實(shí)度高，所需要的漿體用量少。許多路面板之所以不耐久，骨料質(zhì)量差，尤其缺乏5~10mm粒徑的顆粒，因此傳荷能力和抗沖擊與疲勞能力受到嚴(yán)重影響是重要的原因。

　　再談?dòng)不酀{體（也稱水泥石）。在配制混凝土選用水泥時(shí)，都認(rèn)為標(biāo)號(hào)越高的水泥就越好。事實(shí)上，高標(biāo)號(hào)水泥因?yàn)橥ǔ７勰サ迷郊?xì)，在拌合時(shí)往往需要更多的水，硬化后生成更多薄弱的氫氧化鈣，多余的水分蒸發(fā)后也會(huì)形成更多的孔隙，對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性不利。但是，這樣的水泥水化反應(yīng)快，因此用它配制的混凝土早期強(qiáng)度高，這是它受歡迎，售價(jià)高的原因。

　　試驗(yàn)表明：即使所用骨料非常致密，混凝土的滲透性也要比相應(yīng)的水泥漿體低一個(gè)數(shù)量級(jí)。這說(shuō)明：混凝土體的滲透性并不直接取決硬化水泥漿體的滲透性，那么更主要的影響來(lái)自哪里呢？答案只能是：來(lái)自過(guò)渡區(qū)。剛澆筑成型的混凝土在其凝固硬化之前，骨料顆粒受重力作用向下沉降，含有大量水分的稀水泥漿則由于密度小的原因向上遷移，它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使骨料顆粒的周壁形成一層稀漿膜，待混凝土硬化后，這里就形成了過(guò)渡區(qū)。過(guò)渡區(qū)微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：1）富集大晶粒的氫氧化鈣和鈣礬石；2）孔隙率大、大孔徑的孔多；3）存在大量原生微裂縫，即混凝土未承載之前出現(xiàn)的裂縫。

　　因?yàn)檫^(guò)渡區(qū)的影響，使混凝土在比它兩個(gè)主要相能夠承受的應(yīng)力低得多的時(shí)候就被破壞；由于過(guò)渡區(qū)大量孔隙和微裂縫存在，所以雖然硬化水泥漿體和骨料兩相的剛性很大，但受它們之間傳遞應(yīng)力作用的過(guò)渡區(qū)影響，混凝土的剛性和彈性模量明顯地減小。

　　過(guò)渡區(qū)的特性對(duì)混凝土的耐久性影響也很顯著。因?yàn)橛不酀{體和骨料兩相在彈性模量、線脹系數(shù)等參數(shù)上的差異，在反復(fù)的荷載、冷熱循環(huán)與干濕循環(huán)作用下，過(guò)渡區(qū)作為薄弱環(huán)節(jié)，在較低的拉應(yīng)力作用下其裂縫就會(huì)逐漸擴(kuò)展，使外界水分和侵蝕性離子易于進(jìn)入，對(duì)混凝土及鋼筋產(chǎn)生侵蝕作用。

　　三、 粉煤灰在混凝土中的作用

　　了解混凝土的微結(jié)構(gòu)的特性及其對(duì)性能的影響后，就可以更好地認(rèn)識(shí)粉煤灰在混凝土中的作用。粉煤灰的主要作用可以包括以下幾方面：

　　1）填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤(rùn)滑層，由于粉煤灰的容重（表觀密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好（質(zhì)量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密實(shí)，在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。

　　2）對(duì)水泥顆粒起物理分散作用，使其分布得更均勻。當(dāng)混凝土水膠比較低時(shí)，水化緩慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化得更充分。

　　3）粉煤灰和富集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng)，不僅生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物（與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同），而且加強(qiáng)了薄弱的過(guò)渡區(qū)，對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)性能有顯著作用。

　　4）粉煤灰延緩了水化速度，減小混凝土因水化熱引起的溫升，對(duì)防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利。

　　下面對(duì)粉煤灰在混凝土中的作用及其機(jī)理做一些具體地分析。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在混凝土中常摻有一定量粉煤灰，但作為水泥的替代材料，絕大多數(shù)情況下是以如下三種方式應(yīng)用的：在早期強(qiáng)度要求很低，長(zhǎng)期強(qiáng)度大約在25~35MPa的大體積水工混凝土中，大摻量地替代水泥使用；在結(jié)構(gòu)混凝土里較少量地替代水泥（10~25%）；在強(qiáng)度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。

　　對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理和應(yīng)用技術(shù)，多年來(lái)進(jìn)行了大量的研究工作，取得了不少進(jìn)展，這些進(jìn)展對(duì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用起了一定的推動(dòng)作用。如摻用的方法從等量替代水泥，發(fā)展到超摻法、代砂法以及與化學(xué)外加劑同時(shí)使用的雙摻法。對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理，從主要是火山灰質(zhì)材料特性的作用（消耗了水泥水化時(shí)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，使其更加密實(shí)），逐步發(fā)展到分析它還具有形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)等。但無(wú)論哪一方面的研究成果，似乎都改變不了這樣一個(gè)事實(shí)：在混凝土中摻粉煤灰要降低混凝土的強(qiáng)度，包括28天齡期以后一段時(shí)間里的強(qiáng)度，其他性能當(dāng)然也相應(yīng)受到不同程度的影響，而且這些影響要隨著摻量的增大而加劇。這個(gè)事實(shí)始終禁錮著粉煤灰在混凝土中，尤其是結(jié)構(gòu)混凝土中的摻量，而且似乎形成了這樣一種成見(jiàn)：摻用粉煤灰是以犧牲結(jié)構(gòu)混凝土的品質(zhì)為代價(jià)的。

　　事實(shí)上，如前所述，由于高效減水劑的應(yīng)用，使混凝土的水膠比可以大幅度降低，從而使摻用粉煤灰的效果大為改善，使大摻量粉煤灰混凝土的性能能夠大幅度地提高。

　　1）水膠比的影響

　　水膠比的上述變化為什么影響這么大呢？在高水膠比的水泥漿里，水泥顆粒被水分隔開(kāi)（水所占體積約為水泥的兩倍），水化環(huán)境優(yōu)異，可以迅速地生成表面積增大1000倍的水化物，有良好地填充漿體內(nèi)空隙的能力。粉煤灰雖然從顆粒形狀來(lái)說(shuō)，易于堆積得較為密實(shí)，但是它水化緩慢，生成的凝膠量少，難以填充密實(shí)顆粒周圍的空隙，所以摻粉煤灰水泥漿的強(qiáng)度和其他性能總是隨摻量增大（水泥用量減少）呈下降趨勢(shì)（當(dāng)然在早齡期就更加顯著）。

　　在低水膠比的水泥漿里情況就不一樣了。不摻粉煤灰時(shí)，高活性的水泥因水化環(huán)境較差，即缺水而不能充分水化，所以隨水灰比下降，未水化水泥的內(nèi)芯增大，生成產(chǎn)物量下降，但由于顆粒間的距離減小，要填充的空隙也同時(shí)減小，因此混凝土強(qiáng)度得到迅速提高。這種情況下用粉煤灰代替部分水泥，在低水膠比條件下（例如0.3左右），水泥的水化條件相對(duì)改善，因?yàn)榉勖夯宜徛?，使混凝土?shí)際的“水灰比”增大，水泥的水化因而加快，這種作用機(jī)理隨著粉煤灰的摻量增大愈加明顯（例如摻量為50%左右，初期實(shí)際水灰比則接近0.6），水泥水化程度的改善，則有利于粉煤灰作用的發(fā)揮，然而與此同時(shí)，需要粉煤灰水化產(chǎn)物填充的空隙已經(jīng)大大減小，所以其水化能力差的弱點(diǎn)在低水膠比條件下被掩蓋，而它降低溫升等其它優(yōu)點(diǎn)則依然起著有利于混凝土性能的作用。以上所述低水膠比下粉煤灰作用的變化，我們可以用一個(gè)“動(dòng)態(tài)堆積”的概念來(lái)認(rèn)識(shí)，這是相對(duì)于長(zhǎng)期以來(lái)沿用的靜態(tài)堆積而言的。即通常在選擇原材料和配合比時(shí)，是以各種原材料在加水之前的堆積盡量密實(shí)為依據(jù)的，但是當(dāng)加水?dāng)嚢韬螅貏e是在低水膠比條件下，如何通過(guò)粉狀顆粒水化的交叉進(jìn)行，使初始水膠比盡量降低，混凝土單位用水量盡量減少，配制出的混凝土在密實(shí)成型的前提下，經(jīng)過(guò)水化硬化過(guò)程，形成的微結(jié)構(gòu)應(yīng)該是更為密實(shí)的。上述大摻量粉煤灰混凝土的例子中，每方混凝土的用水量?jī)H100kg左右，要比目前配制普通混凝土少幾十公斤，就是明顯的證據(jù)。有人曾進(jìn)行過(guò)低水灰比（水膠比）摻/不摻粉煤灰凈漿的結(jié)合水測(cè)定試驗(yàn)：摻有30%粉煤灰，水膠比為0.24的凈漿，要比水灰比為0.24的純水泥漿在28d時(shí)的結(jié)合水還多，證實(shí)上述摻粉煤灰后改善了水泥在低水灰比條件下水化程度的說(shuō)法。因此低水膠比條件下，大摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度發(fā)展與空白混凝土接近，而后期仍有一定幅度的增長(zhǎng)，在一定范圍內(nèi)隨摻量變化的影響不大。當(dāng)然，粉煤灰代替水泥用量大了，由于起激發(fā)作用的氫氧化鈣含量減少，使粉煤灰的水化條件劣化，所以在不同條件下存在一最佳粉煤灰摻量，并不是越大越好。

　　2）溫度的影響

　　眾所周知，溫度升高時(shí)水泥水化的速率會(huì)顯著加快。研究表明：與20℃相比，30℃時(shí)硅酸鹽水泥的水化速率要加快一倍。由于近些年來(lái)大型、超大型混凝土結(jié)構(gòu)物的建造，構(gòu)件斷面尺寸相應(yīng)增大；混凝設(shè)計(jì)土強(qiáng)度等級(jí)的提高，使所用水泥標(biāo)號(hào)提高、單位用量增大；又由于水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展，使其所含水化迅速的早強(qiáng)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)致混凝土硬化時(shí)產(chǎn)生的溫升明顯加劇，溫峰升高。舉一個(gè)典型的例子：97年北京一棟建筑物底層斷面為1.6m×1.6m的柱子，模板采用9層膠合板材料，施工季節(jié)為夏季，混凝土澆筑后柱芯的溫峰達(dá)到110℃。

　　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，混凝土水膠比的降低，又會(huì)使因水泥水化產(chǎn)生的自身收縮增大，同樣產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力；而混凝土的水灰比（水膠比）降低，早期水化加快，混凝土的彈性模量隨強(qiáng)度的提高而增大，進(jìn)一步加劇了彈性拉應(yīng)力增長(zhǎng)；與此同時(shí)，混凝土的粘彈性，即對(duì)于彈性拉應(yīng)力的松弛作用卻顯著地減小，這一切，都導(dǎo)致近些年來(lái)許多結(jié)構(gòu)物在施工期間，模板剛拆除或以后不久就發(fā)現(xiàn)表面大量裂縫。除了凝固前的塑性裂縫以外，硬化混凝土早期出現(xiàn)的裂縫往往深而長(zhǎng)（實(shí)際上不可見(jiàn)裂縫的長(zhǎng)度和深度，要遠(yuǎn)比可見(jiàn)裂縫大得多）。為了防止可見(jiàn)裂縫的出現(xiàn)，目前常采取外包保溫措施，以減小內(nèi)外溫差，這種做法被認(rèn)為是有效措施而迅速地得到推廣。但是沒(méi)有注意到：由于外保溫阻礙了混凝土水化熱的散發(fā)，加劇了體內(nèi)的溫升，混凝土體溫度升高，使水泥水化加速，早期強(qiáng)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(duì)應(yīng)力的分散作用，使少量寬而長(zhǎng)的可見(jiàn)裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅糠稚⒌牟豢梢?jiàn)裂縫，它們將為侵蝕性介質(zhì)提供通道，影響結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性。同時(shí)較大的彈性拉應(yīng)力還可能引起鋼筋達(dá)到屈服點(diǎn)而滑移，從而可能影響結(jié)構(gòu)的使用功能。

　　與水泥相比，粉煤灰受溫度影響更為顯著，即溫度升高時(shí)它的水化明顯加快。所以當(dāng)混凝土澆注時(shí)環(huán)境溫度與混凝土體溫度較高時(shí)，對(duì)純水泥混凝土來(lái)說(shuō)，由于溫升帶來(lái)不利的影響，而對(duì)摻粉煤灰混凝土來(lái)說(shuō)，則不僅溫升下降，減小了混凝土因溫度開(kāi)裂的危險(xiǎn)，同時(shí)由于加快火山灰反應(yīng)，還提高了28天強(qiáng)度。舉一個(gè)很有意思的例子：德國(guó)在修建一條新鐵路時(shí)，其隧道襯砌曾嚴(yán)重地開(kāi)裂，當(dāng)時(shí)要求混凝土10h強(qiáng)度不低于12MPa；后來(lái)修改了規(guī)定：以隔熱的立方模型澆注的試件12h最高強(qiáng)度為6MPa；如果超過(guò)了，就要增加粉煤灰的摻量來(lái)更多地代替水泥。

　　以上說(shuō)明：由于混凝土技術(shù)的進(jìn)展，使混凝土可以在比較低的水膠比條件下制備，這就使粉煤灰在混凝土中的作用出現(xiàn)顯著地變化。而近些年來(lái)水泥活性增大、混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)提高促使水泥用量增大，以及構(gòu)件斷面尺寸加大，在混凝土體溫度上升的前提下，進(jìn)一步促進(jìn)了粉煤灰在混凝土中作用的發(fā)揮，以至可以說(shuō)：粉煤灰在許多情況下可以起到水泥所起不到的作用，成為優(yōu)質(zhì)混凝土必不可少的組分之一。

　　3）室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)澆注

　　長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于混凝土強(qiáng)度——其質(zhì)量控制主要指標(biāo)（通常也就是唯一指標(biāo)）的評(píng)價(jià)，一直是根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室里制備的小試件（由于骨料最大粒徑的減小，試件尺寸從200×200×200mm減小到現(xiàn)在的100×100×100mm），經(jīng)規(guī)定齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（20±3℃；RH≥90%），然后在試驗(yàn)機(jī)上破型得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行。Idorn在91年曾擬文指出：在特定實(shí)驗(yàn)室條件下取樣制備試件進(jìn)行試驗(yàn)作為控制質(zhì)量的方法，而不去開(kāi)發(fā)以物理化學(xué)為科學(xué)依據(jù)的控制方法，是不合乎當(dāng)今時(shí)代的錯(cuò)誤。

　　試驗(yàn)室制備的試件與工程中澆筑構(gòu)件的實(shí)際情況存在著明顯的差異：

　　1）制備試件時(shí)的成型條件與工程實(shí)際振搗密實(shí)的情況不相符，因此不能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土的振實(shí)程度（孔隙率）、沉降程度（離析、泌水）等；

　　2）試件養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫、濕度與實(shí)際構(gòu)件的情況不同，而這種差異隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)斷面尺寸明顯增大、施工中忽視養(yǎng)護(hù)的情況使反差更加劇。如前所述，混凝土構(gòu)件體內(nèi)的溫升及其對(duì)

　　3）室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)澆注 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果要反映工程施工中混凝土澆筑的實(shí)際情況。

　　長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于混凝土強(qiáng)度——其質(zhì)量控制主要指標(biāo)（通常也就是唯一指標(biāo)）的評(píng)價(jià)，一直是根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室里制備的小試件（由于骨料最大粒徑的減小，試件尺寸從200×200×200mm減小到現(xiàn)在的100×100×100mm），經(jīng)規(guī)定齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（20±3℃；RH≥90%），然后在試驗(yàn)機(jī)上破型得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行。Idorn[6]在91年曾擬文指出：在特定實(shí)驗(yàn)室條件下取樣制備試件進(jìn)行試驗(yàn)作為控制質(zhì)量的方法，而不去開(kāi)發(fā)以物理化學(xué)為科學(xué)依據(jù)的控制方法，是不合乎當(dāng)今時(shí)代的錯(cuò)誤。

　　試驗(yàn)室制備的試件與工程中澆筑構(gòu)件的實(shí)際情況存在著明顯的差異：

　　1）制備試件時(shí)的成型條件與工程實(shí)際振搗密實(shí)的情況不相符，因此不能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土的振實(shí)程度（孔隙率）、沉降程度（離析、泌水）等；

　　2）試件養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫、濕度與實(shí)際構(gòu)件的情況不同，而這種差異隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)斷面尺寸明顯增大、施工中忽視養(yǎng)護(hù)的情況使反差更加劇。如前所述，混凝土構(gòu)件體內(nèi)的溫升及其對(duì)混凝土水化過(guò)程的不利影響、隨后降溫時(shí)的變形以及產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，小試件是反映不出來(lái)的，更無(wú)法反映上述普通混凝土與大摻量粉煤灰混凝土在溫升影響下的反差（純水泥混凝土后期強(qiáng)度比小試件偏低，而大摻量粉煤灰混凝土強(qiáng)度發(fā)展加速和提高）。

　　3）自由變形的試件和受配筋及其他條件約束的實(shí)際構(gòu)件，在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)配筋日益密集、混凝土水膠比明顯降低的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土性能產(chǎn)生的影響差異加大：試件在初齡期自身收縮增大時(shí)，強(qiáng)度會(huì)呈提高趨勢(shì)；而實(shí)際結(jié)構(gòu)中混凝土早期強(qiáng)度提高（彈性模量增大）、自身收縮加劇時(shí)，則因變形受約束，引起很大的拉應(yīng)力從而導(dǎo)致開(kāi)裂，強(qiáng)度與耐久性降低。

　　以上說(shuō)明：室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果難以完全反映工程施工中混凝土澆筑的實(shí)際情況。正是從這個(gè)角度出發(fā)，許多國(guó)家從事混凝土技術(shù)研究時(shí)，越來(lái)越重視足尺試驗(yàn)（與實(shí)際結(jié)構(gòu)物尺寸相同或者成比例縮?。┖蛯?duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。如上所述，其結(jié)果正和小試件的相反。對(duì)于大摻量粉煤灰混凝土，或者從更廣泛的意義上來(lái)說(shuō)，在混凝土技術(shù)領(lǐng)域里的研究方面，我們與先進(jìn)國(guó)家的差距，可能更突出地反映在這些問(wèn)題上（當(dāng)然還有其他方面的，例如配制混凝土?xí)r所用骨料的變異性大，因此試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性差；室內(nèi)試驗(yàn)混凝土的攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)條件有待改善等等），而不是如有些人誤認(rèn)為的：因?yàn)閲?guó)內(nèi)粉煤灰、水泥、外加劑等原材料的質(zhì)量存在著很大差距，因此得不出類似結(jié)果。

　　四、 大摻量粉煤灰混凝土

　　既然粉煤灰在混凝土中的作用如此重要，為什么粉煤灰混凝土，主要是大摻量粉煤灰混凝土長(zhǎng)時(shí)間得不到推廣呢？在這里提出一個(gè)新的看法：目前許多規(guī)范中規(guī)定的鋼筋混凝土中的摻量限制（例如25%），對(duì)配制中低強(qiáng)度的混凝土來(lái)說(shuō)，恰恰是最不利于發(fā)揮粉煤灰作用的摻量。換句話說(shuō)，粉煤灰必須用大摻量，才能發(fā)揮良好的效果。這是為什么呢？

　　如上所述，摻用粉煤灰要想取得良好效果，水膠比必須低，而中低強(qiáng)度混凝土的水泥用量通常在350kg/m3以下。這種條件下，即使摻用再好的減水劑，水灰比（水膠比）也只能在0.50左右。因?yàn)樵贉p小時(shí)，漿體體積就滿足不了填充骨料空隙并形成足夠厚度潤(rùn)滑層的需要。當(dāng)摻加粉煤灰時(shí)，由于它比水泥輕，等重量替代水泥時(shí)可以增大膠凝材料的體積，所以可以使混凝土的水膠比降低。但是當(dāng)其摻量較小時(shí)（如規(guī)定的25%以內(nèi)），增大膠凝材料的體積有限，降低水膠比的作用也就有限。前面談到的加拿大CANMET進(jìn)行的大摻量粉煤灰混凝土性能之所以優(yōu)異，正是因?yàn)樗谀z凝材料用量為350kg/m3的條件下，粉煤灰占到57%以上，從而將水膠比降低到0.30左右獲得的結(jié)果。我們重復(fù)了它的膠凝材料比例進(jìn)行試驗(yàn)，因此也得到了類似的效果。

　　大摻量粉煤灰混凝土不僅強(qiáng)度發(fā)展效果良好，而且各種耐久性能也十分優(yōu)異。由于能夠明顯降低水化溫升，也大大減小了混凝土早期出現(xiàn)開(kāi)裂的危險(xiǎn)，可以說(shuō)是一種適用于除了早期強(qiáng)度要求非常高以外，能夠滿足各種工程條件，尤其是侵蝕性嚴(yán)酷環(huán)境要求的高性能混凝土。例如公路路面板、橋面板就是這樣一類結(jié)構(gòu)，不僅工作環(huán)境嚴(yán)酷，而且需要耐磨性良好。大摻量粉煤灰混凝土的后期強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度大，恰好滿足了這樣的要求——強(qiáng)度和耐磨性隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)。但是目前的耐磨性試驗(yàn)不適宜于判斷這種混凝土的耐磨性，因?yàn)橥ǔ＞驮?8天齡期進(jìn)行快速試驗(yàn)——用鋼球在試件上快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨耗量來(lái)評(píng)價(jià)。這也說(shuō)明：推廣新材料、新技術(shù)需要伴隨試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)。

　　當(dāng)然，任何事物都有它的兩面性，大摻量粉煤灰混凝土也存在局限性。其中，粉煤灰—水泥—化學(xué)外加劑之間的相容性，表現(xiàn)為混凝土水膠比能否有效地降低，使粉煤灰能充分發(fā)揮作用，自然是應(yīng)用這種混凝土首先要檢驗(yàn)的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)水膠比只能在0.40以上時(shí)，在中等強(qiáng)度要求的混凝土中使用的效果就可能成問(wèn)題了。其次，由于大摻量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度減少，因此對(duì)于水泥質(zhì)量的穩(wěn)定性和粉煤灰品質(zhì)的穩(wěn)定性就比較高，當(dāng)兩者的質(zhì)量產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)給使用效果帶來(lái)明顯的影響。不過(guò)大摻量粉煤灰混凝土的水膠比較低這一特性，也有減小混凝土性能波動(dòng)的益處。同時(shí)，從拌合物的工作度檢驗(yàn)中，操作人員比較易于獲得粉煤灰質(zhì)量發(fā)生了波動(dòng)的信息，便于及時(shí)采取措施減小或避免損失。此外，工程所在地附近一定半徑范圍里，有可以適用的粉煤灰來(lái)源也十分重要，過(guò)長(zhǎng)的運(yùn)輸距離不僅使粉煤灰使用費(fèi)用增加，也給及時(shí)滿足工程對(duì)粉煤灰貨源的需求帶來(lái)困難。

　　另外，在使用大摻量粉煤灰混凝土?xí)r，需要注意以下施工條件和事項(xiàng)：

　　1） 配制混凝土的骨料級(jí)配良好，以減小空隙率，利于水膠比降低，保證使用效果；

　　2） 必須采用強(qiáng)制性攪拌機(jī)拌合這種混凝土，以保證其均勻性，由于它比較粘稠，在出機(jī)口、罐車進(jìn)料口、入泵口以及攤鋪過(guò)程要采取相應(yīng)措施；

　　3） 混凝土坍落度應(yīng)控制比普通混凝土減?。ú挥绊懕盟团c震搗）；澆注后，要及早噴灑養(yǎng)護(hù)劑或覆蓋外露表面，但一般情況下無(wú)需噴霧或澆水養(yǎng)護(hù)；

　　4） 氣溫過(guò)低時(shí)，要采用保溫養(yǎng)護(hù)措施，且適當(dāng)延緩拆模時(shí)間，使混凝土硬化和強(qiáng)度發(fā)展?jié)M足施工需要。

　　五、混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展

　　混凝土材料是當(dāng)今用量最大、用途最廣泛的建筑材料，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全世界的耗用量接近100億噸。如此巨大的用量，伴隨著生產(chǎn)、使用過(guò)程帶來(lái)礦石資源、能源的消耗，以及對(duì)大氣和環(huán)境造成的污染，已引起全世界業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

　　我國(guó)的水泥產(chǎn)量多年來(lái)居世界首位，占1/3以上。同時(shí)我國(guó)粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，有關(guān)部門(mén)仍在計(jì)劃投資建設(shè)更多水泥廠。過(guò)去在混凝土里摻用粉煤灰，是為了節(jié)約水泥、降低工程材料費(fèi)用，今天對(duì)混凝土摻用粉煤灰的認(rèn)識(shí)，應(yīng)該提高到保護(hù)環(huán)境、保護(hù)資源，使混凝土材料可長(zhǎng)久地持續(xù)應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的高度上來(lái)認(rèn)識(shí)。

　　大摻量粉煤灰混凝土不僅可以改善混凝土的各項(xiàng)性能，延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時(shí)可以大幅度減小耗費(fèi)能源多、污染環(huán)境嚴(yán)重的硅酸鹽水泥用量，因此也是一種綠色混凝土。從這個(gè)角度出發(fā)，推廣大摻量粉煤灰混凝土在我國(guó)土木建筑工程中的應(yīng)用，是一件于國(guó)于民有顯著效益的事業(yè)，必定有強(qiáng)大的生命力，有廣闊的發(fā)展前景。