粉煤灰在混凝土中的应用.docx

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粉煤灰在混凝土中的应用

粉煤灰在混凝土中的应用

一、概述

早在2000多年前的古罗马时期，人类就用火山灰与石灰混合作为胶凝材料，建造了许多雄伟的建筑物，例如万神殿，其直径为44m的半球形穹顶就使用了12000吨这种胶凝材料和凝灰岩轻骨料拌合而成的混凝土；还有闻名于世的圆形剧场等，这些建筑现在仍然安然无恙，2000年还有报道意大利人正在翻修圆形剧场，准备在那里面举行盛大的演出。

今天在混凝土中掺用的粉煤灰，也是一种火山灰材料，大量的实践证明：

掺用粉煤灰的混凝土，其长期性能得到大幅度的改善，对延长结构物的使用寿命有重要意义。

现在作为混凝土主要胶凝材料的硅酸盐水泥，同样是以石灰石和粘土为主要原料经过煅烧生成的。

它问世于19世纪的30年代，至今尚不到200年历史，因此用硅酸盐水泥配制成混凝土建造的各种建筑物最长只有100多年，而国内近些年修建的一些土木工程结构物运行不多年，就出现各种病害，甚至很快就遭到严重的破坏。

例如北京的西直门立交桥，运行仅20年就不得不拆除重建；更有甚者，据某省交通科研所一位所长坦言，那里的混凝土路面运行三年不坏的很少！

80年代初，美国佛罗里达州建造了一座非常宏伟的跨海大桥，在该桥的建设过程中，考虑到周围的侵蚀性环境，在混凝土里掺用了大量粉煤灰，工程质量有很大改善。

因而在1983年修订规范时，对原来随意使用粉煤灰的规定进行了修订[1]。

新规范（S-346）规定：

在中度以上侵蚀环境中的桥梁上部结构，包括预应力构件的混凝土中，必须掺用粉煤灰。

其中大体积混凝土中粉煤灰的掺量为18~50%。

什么是大体积混凝土？

许多人至今仍认为那就是指大坝，也有些人把高层楼房的大型基础包括在内。

可是美国混凝土学会规定：

任何现浇混凝土，其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂影响的，即称为大体积混凝土。

这个问题下面还要谈到。

掺粉煤灰混凝土的另一典型实例，是1982年英国的Garwick机场的停机坪扩建工程，该工程在两条相邻的道面上对掺与不掺粉煤灰混凝土进行了对比[2]。

所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量达到46%。

该工程经运行4年后所拍的照片清楚地显示出：

与纯硅酸盐水泥混凝土相对照，掺粉煤灰混凝土道面的表面层抗滑构造仍基本完好，而前者则已坑坑点点，受到一定程度的破坏了。

这个实际工程事例一方面说明：

在低水胶比条件下，即使掺有大量粉煤灰，也可以获得强度和耐久性都十分优异的混凝土；另一方面，对长期以来沿用的，以28d龄期的快速实验结果评价不同类型混凝土的耐久性提出了质疑。

粉煤灰在混凝土公路路面中的应用举一个例子。

Mehta教授曾提到[3]：

在美国大约70%的低交通量公路与地方公路需要升级，考虑用大掺量粉煤灰代替水泥以降低造价，电力研究院（EPRI）出资搞了几个示范工程：

在北达科他州，1988和1989年夏天，用20000m3粉煤灰混凝土铺筑厚为200mm的路面，其水胶比为0.43，水泥用量100Kg/m3、粉煤灰220Kg/m3。

加拿大矿产与能源技术中心（CANMET）自1985年以来，对大掺量粉煤灰混凝土进行了深入而广泛的研究[4]，由于该国处寒带地区，因此通常在混凝土里掺有引气剂，并保持含气量在5~6%，在这种前提下，以水泥150kg/m3，粉煤灰200kg/m3,通过高效减水剂将水胶比降到0.3左右，所配制的混凝土抗压强度28天为30~40MPa；90天40~50MPa；1年50~60MPa。

大掺量粉煤灰混凝土的成功试验，使其在哈利法克斯的帕克林购物中心施工中用于浇注巨大的柱子，拌合物含55％低钙粉煤灰、45％硅酸盐水泥，以及就地取材的砂、石和高效减水剂。

这些柱子一共用去700m3大掺量粉煤灰混凝土；在哈利法克斯海边处于海洋环境的建筑物群施工中也得到应用。

该建筑物位于海边，包括两幢商业大厦的公共建筑，其32根直径1.2m和30根直径1.1m的框架柱沉箱，平均长度在21m。

采用大掺量粉煤灰混凝土的首要原因，是其抗渗性能优异。

在渥太华附近的大卫伏劳瑞达实验室，工程师们用CANMET开发的大掺量粉煤灰混凝土设计了一个重360吨的混凝土平台。

为了降低水化热，以粉煤灰、Ⅱ型（低热）水泥、水、粗细骨料、引气剂和高效减水剂混合配制。

平台的尺寸是7×8m，平均厚度2.25m，安放在多个充气圆柱体上，因此其震动与地面分离。

由于粉煤灰混凝土特殊的品质，发射火箭产生的冲击不会引起平台共振。

随着龄期增长，平台混凝土的共振频率以每年0.05Hz的速度增长，质量越来越好。

在该平台上成功地发射了爱那克依火箭的事实雄辩地证明：

粉煤灰混凝土可以看作是真正的太空时代的建筑材料。

根据CANMET在第二届“高强混凝土的应用”国际研讨会发表的论文[5]，以水泥150kg/m3、粉煤灰200kg/m3，不掺引气剂并掺高效减水剂将水胶比降至0.29，所配制的大掺量粉煤灰高强混凝土7天强度可达34MPa；28天52MPa；90天70MPa；365天98MPa。

我们用内蒙元宝山电厂1级粉煤灰、北京2级粉煤灰为原材料，同样以水泥150kg/m3、粉煤灰200kg/m3，并掺高效减水剂调节水胶比为0.30~0.38，配制的混凝土R3=30MPa；R28=50MPa；R1y=80MPa。

二、混凝土的结构与性能

为了便于认识粉煤灰在混凝土中的作用，先来看看混凝土的结构和性能之间的关系。

混凝土是由大小不同的颗粒所组成的，大颗粒粗骨料的空隙由中小颗粒的粗骨料（石子）填充；粗骨料颗粒的空隙由细骨料（砂子）填充，它的颗粒也是有粗有细，细颗粒填充粗颗粒之间的空隙；水泥浆则填充粗细骨料堆积体的大小空隙，并包裹它们形成一层润滑层，使新拌混凝土（也称拌合物）具有一定的工作性，能在外力或本身的自重作用下成型密实。

硬化混凝土是一种复杂的、多相的复合材料，它的结构主要包括三个相——骨料、硬化水泥浆体以及二者之间的过渡区，说它复杂是因为它很不匀质，主要体现在以下几方面：

第一，过渡区的存在。

过渡区是围绕骨料颗粒周边的一层薄壳，厚度约10～50μm。

由于它的薄弱，对混凝土性能的影响十分显著；第二，三相中的任一相，本身实际上还是多相体。

例如一颗花岗岩的骨料里除了有微裂缝、孔隙外，还不均匀地镶嵌着石英、长石和云母三种矿物。

石英很硬，而云母就很软；第三，与其他工程材料不同，混凝土结构中的两相——硬化水泥浆体和过渡区是随时间、温度与湿度环境不断变化着的。

先谈骨料相。

通常在为混凝土选择骨料时，首先注意的是它的颗粒强度，也就是说：

它越坚硬越好。

事实上，由于骨料的强度通常比其他两相的高很多，因此它对混凝土的强度并没有直接的影响。

但是它们的粒径和形状间接地影响混凝土强度：

当骨料最大粒径越大、针片状颗粒越多时，其表面积存的水膜越厚，过渡区相就越薄弱，硬化混凝土的强度和抗渗透性也越差。

所以，质量好的骨料应该是颗粒形状均匀、级配好，堆积密实度高，所需要的浆体用量少。

许多路面板之所以不耐久，骨料质量差，尤其缺乏5~10mm粒径的颗粒，因此传荷能力和抗冲击与疲劳能力受到严重影响是重要的原因。

再谈硬化水泥浆体（也称水泥石）。

在配制混凝土选用水泥时，都认为标号越高的水泥就越好。

事实上，高标号水泥因为通常粉磨得越细，在拌合时往往需要更多的水，硬化后生成更多薄弱的氢氧化钙，多余的水分蒸发后也会形成更多的孔隙，对混凝土的强度和耐久性不利。

但是，这样的水泥水化反应快，因此用它配制的混凝土早期强度高，这是它受欢迎，售价高的原因。

试验表明：

即使所用骨料非常致密，混凝土的渗透性也要比相应的水泥浆体低一个数量级。

这说明：

混凝土体的渗透性并不直接取决硬化水泥浆体的渗透性，那么更主要的影响来自哪里呢？

答案只能是：

来自过渡区。

刚浇筑成型的混凝土在其凝固硬化之前，骨料颗粒受重力作用向下沉降，含有大量水分的稀水泥浆则由于密度小的原因向上迁移，它们之间的相对运动使骨料颗粒的周壁形成一层稀浆膜，待混凝土硬化后，这里就形成了过渡区。

过渡区微结构的特点为：

1）富集大晶粒的氢氧化钙和钙矾石；2）孔隙率大、大孔径的孔多；3）存在大量原生微裂缝，即混凝土未承载之前出现的裂缝。

因为过渡区的影响，使混凝土在比它两个主要相能够承受的应力低得多的时候就被破坏；由于过渡区大量孔隙和微裂缝存在，所以虽然硬化水泥浆体和骨料两相的刚性很大，但受它们之间传递应力作用的过渡区影响，混凝土的刚性和弹性模量明显地减小。

过渡区的特性对混凝土的耐久性影响也很显著。

因为硬化水泥浆体和骨料两相在弹性模量、线胀系数等参数上的差异，在反复的荷载、冷热循环与干湿循环作用下，过渡区作为薄弱环节，在较低的拉应力作用下其裂缝就会逐渐扩展，使外界水分和侵蚀性离子易于进入，对混凝土及钢筋产生侵蚀作用。

三、粉煤灰在混凝土中的作用

了解混凝土的微结构的特性及其对性能的影响后，就可以更好地认识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几方面：

1）填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，由于粉煤灰的容重（表观密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好（质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。

2）对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。

当混凝土水胶比较低时，水化缓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颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物（与水泥中硅酸盐的水化产物相同），而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用。

4）粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。

下面对粉煤灰在混凝土中的作用及其机理做一些具体地分析。

长期以来，国内外在混凝土中常掺有一定量粉煤灰，但作为水泥的替代材料，绝大多数情况下是以如下三种方式应用的：

在早期强度要求很低，长期强度大约在25~35MPa的大体积水工混凝土中，大掺量地替代水泥使用；在结构混凝土里较少量地替代水泥（10~25%）；在强度要求很低的回填或道路基层里大量掺用。

对于粉煤灰的作用机理和应用技术，多年来进行了大量的研究工作，取得了不少进展，这些进展对粉煤灰在混凝土中的应用起了一定的推动作用。

如掺用的方法从等量替代水泥，发展到超掺法、代砂法以及与化学外加剂同时使用的双掺法。

对于粉煤灰的作用机理，从主要是火山灰质材料特性的作用（消耗了水泥水化时生成薄弱的，而且往往富集在过渡区的氢氧化钙片状结晶，由于水化缓慢，只在后期才生成少量C-S-H凝胶，填充于水泥水化生成物的间隙，使其更加密实），逐步发展到分析它还具有形态效应、填充效应和微集料效应等。

但无论哪一方面的研究成果，似乎都改变不了这样一个事实：

在混凝土中掺粉煤灰要降低混凝土的强度，包括28天龄期以后一段时间里的强度，其他性能当然也相应受到不同程度的影响，而且这些影响要随着掺量的增大而加剧。

这个事实始终禁锢着粉煤灰在混凝土中，尤其是结构混凝土中的掺量，而且似乎形成了这样一种成见：

掺用粉煤灰是以牺牲结构混凝土的品质为代价的。

事实上，如前所述，由于高效减水剂的应用，使混凝土的水胶比可以大幅度降低，从而使掺用粉煤灰的效果大为改善，使大掺量粉煤灰混凝土的性能能够大幅度地提高

1）水胶比的影响水胶比的上述变化为什么影响这么大呢？

在高水胶比的水泥浆里，水泥颗粒被水分隔开（水所占体积约为水泥的两倍），水化环境优异，可以迅速地生成表面积增大1000倍的水化物，有良好地填充浆体内空隙的能力。

粉煤灰虽然从颗粒形状来说，易于堆积得较为密实，但是它水化缓慢，生成的凝胶量少，难以填充密实颗粒周围的空隙，所以掺粉煤灰水泥浆的强度和其他性能总是随掺量增大（水泥用量减少）呈下降趋势（当然在早龄期就更加显著）。

在低水胶比的水泥浆里情况就不一样了。

不掺粉煤灰时，高活性的水泥因水化环境较差，即缺水而不能充分水化，所以随水灰比下降，未水化水泥的内芯增大，生成产物量下降，但由于颗粒间的距离减小，要填充的空隙也同时减小，因此混凝土强度得到迅速提高。

这种情况下用粉煤灰代替部分水泥，在低水胶比条件下（例如0.3左右），水泥的水化条件相对改善，因为粉煤灰水化缓慢，使混凝土实际的“水灰比”增大，水泥的水化因而加快，这种作用机理随着粉煤灰的掺量增大愈加明显（例如掺量为50%左右，初期实际水灰比则接近0.6），水泥水化程度的改善，则有利于粉煤灰作用的发挥，然而与此同时，需要粉煤灰水化产物填充的空隙已经大大减小，所以其水化能力差的弱点在低水胶比条件下被掩盖，而它降低温升等其它优点则依然起着有利于混凝土性能的作用。

以上所述低水胶比下粉煤灰作用的变化，我们可以用一个“动态堆积”的概念来认识，这是相对于长期以来沿用的静态堆积而言的。

即通常在选择原材料和配合比时，是以各种原材料在加水之前的堆积尽量密实为依据的，但是当加水搅拌后，特别是在低水胶比条件下，如何通过粉状颗粒水化的交叉进行，使初始水胶比尽量降低，混凝土单位用水量尽量减少，配制出的混凝土在密实成型的前提下，经过水化硬化过程，形成的微结构应该是更为密实的。

上述大掺量粉煤灰混凝土的例子中，每方混凝土的用水量仅100kg左右，要比目前配制普通混凝土少几十公斤，就是明显的证据。

有人曾进行过低水灰比（水胶比）掺/不掺粉煤灰净浆的结合水测定试验[6]：

掺有30%粉煤灰，水胶比为0.24的净浆，要比水灰比为0.24的纯水泥浆在28d时的结合水还多，证实上述掺粉煤灰后改善了水泥在低水灰比条件下水化程度的说法。

因此低水胶比条件下，大掺量粉煤灰混凝土的强度发展与空白混凝土接近，而后期仍有一定幅度的增长，在一定范围内随掺量变化的影响不大。

当然，粉煤灰代替水泥用量大了，由于起激发作用的氢氧化钙含量减少，使粉煤灰的水化条件劣化，所以在不同条件下存在一最佳粉煤灰掺量，并不是越大越好。

2）温度的影响众所周知，温度升高时水泥水化的速率会显著加快。

研究表明：

与20℃相比，30℃时硅酸盐水泥的水化速率要加快一倍。

由于近些年来大型、超大型混凝土结构物的建造，构件断面尺寸相应增大；混凝设计土强度等级的提高，使所用水泥标号提高、单位用量增大；又由于水泥生产技术的进展，使其所含水化迅速的早强矿物硅酸三钙含量提高、粉磨细度加大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化时产生的温升明显加剧，温峰升高。

举一个典型的例子：

97年北京一栋建筑物底层断面为1.6m×1.6m的柱子，模板采用9层胶合板材料，施工季节为夏季，混凝土浇筑后柱芯的温峰达到110℃。

在达到温峰后的降温期间，混凝土产生温度收缩（也称热收缩）引起弹性拉应力；另一方面，混凝土水胶比的降低，又会使因水泥水化产生的自身收缩增大，同样产生弹性拉应力；而混凝土的水灰比（水胶比）降低，早期水化加快，混凝土的弹性模量随强度的提高而增大，进一步加剧了弹性拉应力增长；与此同时，混凝土的粘弹性，即对于弹性拉应力的松弛作用却显著地减小，这一切，都导致近些年来许多结构物在施工期间，模板刚拆除或以后不久就发现表面大量裂缝。

除了凝固前的塑性裂缝以外，硬化混凝土早期出现的裂缝往往深而长（实际上不可见裂缝的长度和深度，要远比可见裂缝大得多）。

为了防止可见裂缝的出现，目前常采取外包保温措施，以减小内外温差，这种做法被认为是有效措施而迅速地得到推广。

但是没有注意到：

由于外保温阻碍了混凝土水化热的散发，加剧了体内的温升，混凝土体温度升高，使水泥水化加速，早期强度发展更加迅速，因此也更容易出现裂缝，只是由于钢筋的约束和对应力的分散作用，使少量宽而长的可见裂缝转变为大量分散的不可见裂缝，它们将为侵蚀性介质提供通道，影响结构混凝土的耐久性。

同时较大的弹性拉应力还可能引起钢筋达到屈服点而滑移，从而可能影响结构的使用功能。

与水泥相比，粉煤灰受温度影响更为显著，即温度升高时它的水化明显加快。

所以当混凝土浇注时环境温度与混凝土体温度较高时，对纯水泥混凝土来说，由于温升带来不利的影响，而对掺粉煤灰混凝土来说，则不仅温升下降，减小了混凝土因温度开裂的危险，同时由于加快火山灰反应，还提高了28天强度。

四、大掺量粉煤灰混凝土

既然粉煤灰在混凝土中的作用如此重要，为什么粉煤灰混凝土，主要是大掺量粉煤灰混凝土长时间得不到推广呢？

在这里提出一个新的看法：

目前许多规范中规定的钢筋混凝土中的掺量限制（例如25%），对配制中低强度的混凝土来说，恰恰是最不利于发挥粉煤灰作用的掺量。

换句话说，粉煤灰必须用大掺量，才能发挥良好的效果。

这是为什么呢？

如上所述，掺用粉煤灰要想取得良好效果，水胶比必须低，而中低强度混凝土的水泥用量通常在350kg/m3以下。

这种条件下，即使掺用再好的减水剂，水灰比（水胶比）也只能在0.50左右。

因为再减小时，浆体体积就满足不了填充骨料空隙并形成足够厚度润滑层的需要。

当掺加粉煤灰时，由于它比水泥轻，等重量替代水泥时可以增大胶凝材料的体积，所以可以使混凝土的水胶比降低。

但是当其掺量较小时（如规定的25%以内），增大胶凝材料的体积有限，降低水胶比的作用也就有限。

前面谈到的加拿大CANMET进行的大掺量粉煤灰混凝土性能之所以优异，正是因为它在胶凝材料用量为350kg/m3的条件下，粉煤灰占到57%以上，从而将水胶比降低到0.30左右获得的结果。

我们重复了它的胶凝材料比例进行试验，因此也得到了类似的效果。

大掺量粉煤灰混凝土不仅强度发展效果良好，而且各种耐久性能也十分优异。

由于能够明显降低水化温升，也大大减小了混凝土早期出现开裂的危险，可以说是一种适用于除了早期强度要求非常高以外，能够满足各种工程条件，尤其是侵蚀性严酷环境要求的高性能混凝土。

例如公路路面板、桥面板就是这样一类结构，不仅工作环境严酷，而且需要耐磨性良好。

大掺量粉煤灰混凝土的后期强度增长幅度大，恰好满足了这样的要求——强度和耐磨性随着时间不断增长。

但是目前的耐磨性试验不适宜于判断这种混凝土的耐磨性，因为通常就在28天龄期进行快速试验——用钢球在试件上快速旋转产生的磨耗量来评价。

这也说明：

推广新材料、新技术需要伴随试验评价方法的改进。

当然，任何事物都有它的两面性，大掺量粉煤灰混凝土也存在局限性。

其中，粉煤灰—水泥—化学外加剂之间的相容性，表现为混凝土水胶比能否有效地降低，使粉煤灰能充分发挥作用，自然是应用这种混凝土首先要检验的问题。

一般来说，当水胶比只能在0.40以上时，在中等强度要求的混凝土中使用的效果就可能成问题了。

其次，由于大掺量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度减少，因此对于水泥质量的稳定性和粉煤灰品质的稳定性就比较高，当两者的质量产生波动时，会给使用效果带来明显的影响。

不过大掺量粉煤灰混凝土的水胶比较低这一特性，也有减小混凝土性能波动的益处。

同时，从拌合物的工作度检验中，操作人员比较易于获得粉煤灰质量发生了波动的信息，便于及时采取措施减小或避免损失。

此外，工程所在地附近一定半径范围里，有可以适用的粉煤灰来源也十分重要，过长的运输距离不仅使粉煤灰使用费用增加，也给及时满足工程对粉煤灰货源的需求带来困难。

另外，在使用大掺量粉煤灰混凝土时，需要注意以下施工条件和事项：

1）配制混凝土的骨料级配良好，以减小空隙率，利于水胶比降低，保证使用效果；

2）必须采用强制性搅拌机拌合这种混凝土，以保证其均匀性，由于它比较粘稠，在出机口、罐车进料口、入泵口以及摊铺过程要采取相应措施；

3）混凝土坍落度应控制比普通混凝土减小（不影响泵送与震捣）；浇注后，要及早喷洒养护剂或覆盖外露表面，但一般情况下无需喷雾或浇水养护；

4）气温过低时，要采用保温养护措施，且适当延缓拆模时间，使混凝土硬化和强度发展满足施工需要。

五、混凝土材料的可持续发展

混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料，据统计，每年全世界的耗用量接近100亿吨。

如此巨大的用量，伴随着生产、使用过程带来矿石资源、能源的消耗，以及对大气和环境造成的污染，已引起全世界业内的关注。

我国的水泥产量多年来居世界首位，占1/3以上。

同时我国粉煤灰的年排量也是居世界首位。

由于发展基础设施建设的需要，有关部门仍在计划投资建设更多水泥厂。

过去在混凝土里掺用粉煤灰，是为了节约水泥、降低工程材料费用，今天对混凝土掺用粉煤灰的认识，应该提高到保护环境、保护资源，使混凝土材料可长久地持续应用于基础设施建设中的高度上来认识。

大掺量粉煤灰混凝土不仅可以改善混凝土的各项性能，延长混凝土结构的使用寿命，同时可以大幅度减小耗费能源多、污染环境严重的硅酸盐水泥用量，因此也是一种绿色混凝土。

从这个角度出发，推广大掺量粉煤灰混凝土在我国土木建筑工程中的应用，是一件于国于民有显著效益的事业，必定有强大的生命力，有广阔的发展前景。