粉煤灰對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，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高性能混凝土性能的影響進行了系統(tǒng)的研究分析，對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值。

  關(guān)鍵詞：高性能混凝土；粉煤灰；密實度；強度；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時，一般摻平均粒徑遠小于水泥粒徑的如粉煤灰等超細粉狀礦物活性材料來置換水泥，這些礦物外加劑和化學外加劑作為HPC第五、六組分摻合料對水泥石孔結(jié)構(gòu)起填充作用，提高水泥石的密實度，改善水泥石與粗骨料間的界面結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的強度、耐久性以及工作性能，改善了其抗?jié)B性、抗化學腐蝕性和徐變性能，同時能有效地降低水化熱。

  粉煤灰也叫飛灰（flyash）,簡稱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，以及莫來石、石英及少量的礦物結(jié)晶相（方解石、鈣長石、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，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，消耗了水泥水化時所的生成薄弱的、而且往往富集在過渡區(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；對于高性能混凝土用的優(yōu)質(zhì)和磨細的粉煤灰，還存在著活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)等。實踐已經(jīng)證明，摻粉煤灰的混凝土，其長期性能可以得到大幅度改善，對延長結(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，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，使水泥石的孔隙細化，孔隙率減小，密實度增加，強度提高。實驗證明，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，促進了強度的增長。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，使混凝土后期強度得以提高。

  2.2微集料效應(yīng)，粉煤灰的微集料效應(yīng)是指粉煤灰微細顆粒均勻分布于水泥漿體的基相之中，就像微細的集料一樣。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度較高(厚壁空心微珠的抗壓強度在700MPa以上)，同時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孔的充填和“細化”。另外，由于粉煤灰表層的水化層擴散速率比熟料顆粒的水化層擴散速率要緩慢得多，在保持微集料狀態(tài)的時間上更長。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“細化孔隙”，所以致密化的貢獻較大。

  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性。

  3  粉煤灰對混凝上性能的影響：

  3.1 FA對新拌混凝工作性的影響

  3.1.1對和易性的影響

  粉煤灰對混凝土和易性的改善作用有以下幾點: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棱角，性能穩(wěn)定，在混凝土的泵送、振搗過程中起著一種類似于軸承的潤滑作用；第二，新拌混凝土中水泥顆粒易聚集成團，粉煤灰的摻入可有效分散水泥顆粒，釋放更多的漿體來潤滑骨料，有利于混凝土性能的提高；第三，摻入粉煤灰可以補償細骨料中細屑的不足，中斷砂漿基體中泌水渠道的連續(xù)性，同時優(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骨料的細度模數(shù)有關(guān)，通過圖3.1可以看出，粉煤灰對水泥的置換率到達25%時，標準稠度用水量降低7%左右，因此，可以判定，粉煤灰的細度越大，燒失量越低，細骨料的細度模數(shù)越大，混凝土到達相同稠度時的用水量就越低。

  3.1.2 對膠凝材料流動性的影響

  關(guān)于粉煤灰對膠凝材料系統(tǒng)流動性的影響，可采用測定膠砂流動度比的試驗方法進行系統(tǒng)的研究。流動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度之比，該值能夠直觀地反應(yīng)出摻粉煤灰后對膠砂流動性的改善效果。通過研究發(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，才能達到理想的流動性，而摻入細度、粒型較好的粉煤灰能明顯改善膠砂的流動性，使減水劑的用量大大減少。

  3.1.3對凝結(jié)時間的影響

  摻粉煤灰一般會使混凝土的凝結(jié)時間延長，粉煤灰的緩凝作用的大小和粉煤灰的摻量、細度、化學成分等因素有關(guān)。工程中，對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行，應(yīng)該在水泥初凝后立即進行灑水養(yǎng)護。當摻入粉煤灰取代部分水泥時，隨著粉煤灰摻量的增加，其凝結(jié)時間會有所延長，而在高性能混凝土中，粉煤灰對凝結(jié)時間會產(chǎn)生影響之外，水泥的性能、用水量、環(huán)境溫度等也會對凝結(jié)時間產(chǎn)生影響。因此，預測高性能混凝土凝結(jié)時間應(yīng)通過試驗確定。

  3.2 FA對混凝土力學性能的影響

  粉煤灰對混凝上強度有三種影響:減少用水量、增大膠結(jié)材含量和通過長期火山灰反應(yīng)提高其強度。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)晶強度很低，特別是Ca(OH)2僅是托勃莫來石強度的1-2%，而Ca(OH)₂體積占整個水泥石體積的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，有利于混凝上強度的提高。同時，粉煤灰 的摻入可分散水泥顆粒，使水泥水化更充分，提高水泥漿的密實度，使混凝上中骨料與水泥漿的界而強度提高。粉煤灰對抗拉強度和抗彎強度的貢獻比抗壓強度還要大，這對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度相類似，早期偏低，后期逐步提高，到28d時可比基準混凝上提高5-10%。對混凝土長期強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，標準條件下養(yǎng)護3～6個月可與不含F(xiàn)A的混凝土達到相同的強度。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以后才開始進行，在溫度低時，該反應(yīng)所需的時間更長。如果對混凝上的早期強度有嚴格要求，粉煤灰的摻量宜小于30%，冬季施工非大體積混凝上時，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，這對于改善粉煤灰的早期強度是有效的，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型水泥，也可以補償粉煤灰的摻入對混凝上早期強度的影響。

  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，會影響混凝土的強度發(fā)展，特別是早期強度。在配置HPC時，應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)的摻合料，對于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%，對混凝土有明顯的減水增強的作用。

  3.3 FA對混凝土水化熱的影響

  粉煤灰對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數(shù)，就是溫升和水化熱降低的百分數(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對混凝土耐久性的影響

  3.4.1對抗?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)進一步細化，分布更為合理，混凝上更加密實，抗?jié)B性能得以提高。粉煤灰混凝土抗?jié)B性能比基準混凝上有所提高，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)是一個長期進行的過程，不斷進行的火山灰反應(yīng)，使粉煤灰混凝上的孔結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化，混凝上的抗?jié)B性也進一步改善。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)。當粉煤灰的摻量為30%時，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時提高一個數(shù)量級。

  3.4.2 對抗凍性的影響

  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，其抗凍性下降的幅度大大縮小。在等強超量取代的條件下，則對抗凍性的影響不大。在混凝土中以15%的粉煤灰代替相應(yīng)的水泥，其抗凍性超過基準混凝土，但摻量太高(50%)時，經(jīng)過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μ幱趪篮貐^(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)、細度以及粉煤灰的摻量等會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，影響混凝土的抗凍性。一般認為這是由于引氣劑引入的氣泡被粉煤灰中的細微顆粒吸附成的。對引氣量小于3.5%的粉煤灰混凝土，其水灰比對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，則其水灰比對混凝土的抗凍性能影響不大。

  3.4.3對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20mm左右。因此，對高性能混凝土的材料選擇中，要考慮FA混凝土的碳化問題，國家標準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)在一定的相對濕度范圍內(nèi)進行最快，否則，反應(yīng)較慢。當相對濕度在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，不會發(fā)生碳化反應(yīng)，因此可較多地摻加粉煤灰，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，同時摻加以減水劑為主的外加劑進行配合比設(shè)計，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。

  3.4.4 FA對混凝土堿-集料反應(yīng)的影響

  國內(nèi)外的工程實踐已經(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，抑制堿-集料反應(yīng)才有效，當摻入30%時可有效抑制堿-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，在計算混凝土的總堿量時，粉煤灰?guī)氲挠行A量可按粉煤灰總堿量的15%計算。

  3.4.5 FA對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，粉煤灰的細微顆粒均勻分散到水泥漿體中，會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物質(zhì)，是促使混凝上中鋼筋去鈍化的無可匹敵的殺手。

  對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)場必須控制礦物摻合料與配合比選擇時所采用的材料相同，現(xiàn)場應(yīng)按施工配合比用量通過計量加入。配制高性能混凝土的礦物摻合料（Ⅰ級粉煤灰、磨細礦粉）應(yīng)符合GB1596-91和GB/T18046-2000的規(guī)定。Ⅰ級粉煤灰需水量比不應(yīng)大于100%，磨細礦粉比表面積應(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)量由試驗確定。

  4.結(jié)束語

  粉煤灰曾被認為是工業(yè)“三廢”之一，目前，全世界粉煤灰的年產(chǎn)量約為500億噸，我國年排放粉煤灰約11000萬噸，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，而且能保護和治理環(huán)境，具有重要的現(xiàn)實意義。

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