论粉煤灰在混凝土工程中的应用

　　长期以来，国内外在工程建设用混凝土中常掺入一定量粉煤灰，以改善混凝土性能。实践证明：掺用粉煤灰的混凝土，其耐久性能得到大幅度改善，对延长结构物的使用寿命具有重要意义。对于粉煤灰的作用机理，无论从火山灰材料的特性（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晶体，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，使混凝土更加密实），还是其所具有的形态效应、填充效应和微集料效应等，众多研究成果都能够证明这样一个事实:在一定条件下，混凝土中掺用粉煤灰其强度会受到影响，包括28d龄期以后一段时间里的强度。这个事实始终影响着粉煤灰在混凝土中，尤其是结构混凝土中的应用，由此形成了一种成见：混凝土中掺用粉煤灰是以牺牲结构混凝土的品质为代价，俗称"掺假"。效果是否如此，下面就结合有关科研成果和我市粉煤灰应用实例进行浅述，以消除人们对混凝土中掺加粉煤灰的成见。

　　一、粉煤灰产生的效应

　　（一）和易性效应。混凝土和易性主要受浆体的体积、水灰比、配合比设计、骨料的级配、形状、孔隙率等因素影响，其中粉煤灰是影响混凝土和易性的重要因素。由于粉煤灰在混凝土中特性之一是增大浆体的体积（相同质量粉煤灰的体积要比水泥约大30%）。如果我们在混凝土中较好的利用粉煤灰特性，用粉煤灰取代等重量的水泥（根据强度要求按重量比大于1：1用粉煤灰取代水泥时，又称超量取代），多加的粉煤灰增大了细屑含量，因此增大了浆体－-骨料比。大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。粉煤灰的骨料颗粒可以减少浆体－-骨料间的界面磨擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善了混凝土的和易性。

　　（二）泌水效应。粉煤灰的掺入可以补偿细骨料中的细屑不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性。同时，粉煤灰作为水泥的取代材料在同样的稠度下，会使混凝土的用水量有不同程度的降低。因而，掺用粉煤灰对防止混凝土的泌水是有利的。

　　（三）拌和物引气作用效应。混凝土的空气含量一般在３％以内，与水泥的细度、骨料形状、级配以及震捣密实的程度等有关。当混凝土中掺入粉煤灰时，由于细屑组分的影响会使混凝土的空气含量减少１％左右。对烧失量超过６％的粉煤灰，由于碳颗粒在冷却过程中变成了封闭的玻璃态，因而防止了对引气剂的吸附，保持了混凝土拌和物的原有含气量。

　　（四）凝结时间效应。掺粉煤灰的混凝土虽然初凝、终凝一般都能满足规范要求，但由于受其掺量、细度、化学成分等因素影响，混凝土会出现凝结时间延长，导致出现缓凝现象。然而，与水泥性能、用水量、环境温度、湿度等因素相比，粉煤灰对混凝土凝结时间的影响是极小的。

　　（五）抗压强度效应。混凝土的抗压强度主要取决于水灰比，对掺与不掺粉煤灰的混凝土，如果二者的早期强度相同，则粉煤灰混凝土的后期强度将高于不掺的，粉煤灰对混凝土有三重影响：减少用水量、增大胶结料含量和通过长期火山灰反应提高强度。

　　当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要决定于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与混凝土的水泥浆体中的Ca(OH)2作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙。一些研究认为：粉煤灰在混凝土中，当Ca(OH)2薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时，就开始发生火山灰效应。但由于在Ca(OH)2薄膜与粉煤灰颗粒之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性成分反应，反应产物在层内逐渐聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大增长。随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，这就是掺粉煤灰的混凝土早龄期强度较低，后龄期强度增长较多的主要原因。

　　（六）水化热效应。混凝土中水泥的水化反应是放热反应。在混凝土中掺入粉煤灰可以降低水化热，原因是减少了水泥的用量。水化放热的多少和速度取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量。

　　由于近年来大型、超大型混凝土结构的建造，构件断面尺寸相应增大；混凝土设计强度等级提高，使所用水泥等级提高，单位用量增大；又由于实行水泥新标准后，使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，导致混凝土硬化过程温升明显加剧，温峰升高。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提高而增大，进一步加剧弹性拉应力增长。这是导致近些年来许多结构物在施工期间，模板刚拆除时就发现大量裂缝的原因。这种硬化混凝土早期出现的裂缝往往深而长，为了防止可见裂缝的出现，通常采取外包保温的方法，以减少内外温差，因而被认为是有效措施得到迅速推广。但却忽略了，由于外保温阻碍了混凝土水化热的散发，进一步加剧体内的温升，使混凝土体内温度继续升高，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化为大量分散的不可见裂缝，它们将为侵蚀性介质提供通道，影响结构的使用功能。

　　与纯水泥混凝土一样，掺粉煤灰的混凝土由于水泥的水化随本体温度升高而加快，强度发展也因此加快。这使得粉煤灰混凝土，包括大掺量粉煤灰混凝土的强度发展在低水胶比的条件下，很快通过最初的缓慢凝结与硬化期，强度的发展迅速加快。有研究资料表明掺适当比例的粉煤灰后，不仅温升可以降低，使混凝土因温度收缩和开裂的危险减少，同时由于温升相同，其抗压强度在3d之前就超过了不掺粉煤灰类混凝土。

　　（七）冻融耐久性效应。当粉煤灰质量较差、粗颗粒多、含碳量高时，都会对混凝土抗冻融性有不利影响。质量差的粉煤灰随掺量的增加，其抗冻融耐久性剧烈降低。但当掺用质量较好的粉煤灰同时适当降低水灰比，则可以收到改善抗冻融耐久性的效果。试验资料表明，掺粉煤灰的混凝土水灰比在0.50以下，粉煤灰掺量在30%以内，混凝土抗冻融耐久性降低较少。此外，掺粉煤灰的混凝土只要抗压强度与含气量与不掺粉煤灰的混凝土相同，即在等强度、等含气量条件下，掺粉煤灰混凝土与不掺粉煤灰混凝土具有相等的抗冻融耐久性。关键在于混凝土引气后硬化混凝土中存在均匀分布的微气孔，这些微气孔在混凝土受冻时可容纳水结冰时所增大的部分体积。使混凝土免于因冰胀作用而破坏。

　　（八）炭化和钢筋阻锈效应。通过长期研究和工程实践，尤其是近年来的工程调研资料表明，防止掺粉煤灰混凝土炭化，首要因素是确保粉煤灰混凝土的密实度。密实度差的不掺粉煤灰的混凝土同样有碳化问题。研究和调查结果表明，当用矿渣水泥掺15%粉煤灰，普通水泥掺20%粉煤灰，硅酸盐水泥掺25%粉煤灰时，采用超量取代法设计混凝土配合比，满足等稠度和等强度的要求时，掺粉煤灰的混凝土抗碳化性能、钢筋锈蚀性能与不掺粉煤灰混凝土相比均明显增大。

　　过去曾有人提出，粉煤灰含硫是否会使粉煤灰混凝土中的钢筋锈蚀加重问题，国内外一些学者认为：

　　1、只要混凝土里面的石灰不被溶出，保持碱性环境，钢筋周围就能保持一层氢氧化铁保护膜，阻止与氧气渗入到钢筋表面，保护钢筋不致锈蚀。混凝土中掺用的粉煤灰实质上没有改变这种碱性环境。

　　2、混凝土中掺用的粉煤灰，因产生火山灰-石灰反应而提高了混凝土的抗渗性。火山灰凝胶还可以减少混凝土中的石灰溶出量。

　　（九）粉煤灰与碱-骨料反应产生的效应。碱-骨料反应是骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应生水化硅酸钙凝胶体，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。当向混凝土中掺入粉煤灰后，粉煤灰和水泥中的碱反应，能够防止这种过度的膨胀。可见，粉煤灰对抑制混凝土中的碱-骨料反应是有利的。

　　二、粉煤灰在我市的应用情况

　　（一）粉煤灰在我市应用现状

　　1、基本情况

　　目前我市粉煤灰资源比较丰富，青岛电厂、黄岛电厂、海湾集团和热电集团公司等单位，年粉煤灰排量达150万立方米以上。粉煤灰排灰方式为湿排和干排两种，近几年各排灰单位充分认识到粉煤灰的利用价值，经技术改进已全部从过去的湿排改为干排，提高了粉煤灰的利用率。根据调查统计用于混凝土中的粉煤灰约占总量的12%，作为混合材掺入水泥中的粉煤灰约占总量的25%，出口约占总量的14%，其余的主要用于新型墙体材料、保温材料、市政工程的路基、路沿石、路面砖、混凝土排水管和销往省内外其他地区，目前除湿排在海滩的粉煤灰还有待于继续开发利用外，干排的利用率达到100%。

　　2、在我市混凝土工程中的应用案例

　　由于粉煤灰在混凝土中能够产生非常好的技术效应，特别适用于预拌混凝土搅拌站工厂化生产条件，被业内人士所认识。预拌混凝土在生产过程中，电搅拌站依据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-91）、《粉煤灰混凝土应用技术规范》（GBJ146-90）、《港口工程粉煤灰技术规程》（JTJ/T273-97）、《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》（JGJ28-86）等粉煤灰技术标准、规范和工程设计要求，在预拌混凝土中掺入一定量粉煤灰，减少水泥用量10-20%以上仍能满足《预拌混凝土》标准和有关技术规范要求，并将掺入一定量粉煤灰的预拌混凝土用于我市的公共建筑、高层建筑、市政路桥、港口、机场等工程，如前湾港的泊位、堆场、道路等约30余万立方米混凝土，均采用超量取代水泥15%左右，经多年使用观察，混凝土质量稳定。再如数码港工程主体浇筑的混凝土，采用超量取代水泥15-25%以上，混凝土质量稳定。还有城阳立交桥工程，同样采用超量取代水泥15-20%以上，经多年观察使用混凝土质量也非常稳定。

　　（二）应用于预拌混凝土的前景

　　目前预拌混凝土技术已经在我市七区得到较为广泛的推广应用，而粉煤灰作为掺合料被普遍用于预拌混凝土中，其用量随预拌混凝土生产量增长而增加。尤其是2003年国家商务部、公安部、建设部、交通部四部出台了《关于限期禁止在城市城区现场搅拌混凝土的通知》，要求全国124个城市（包括青岛市）从2003年12月31日起禁止现场搅拌混凝土，此政策将对预拌混凝土技术的推广应用起到助推作用，由此会进一步扩大粉煤灰应用的范围和用量。因此，粉煤灰在混凝土工程中会有较好的应用前景。

　　通过以上的大量实践证明，合理的应用粉煤灰配制混凝土，可以充分的利用资源，防止环境污染，降低建筑能耗和工程成本，改善混凝土性能、确保工程质量。因此，对粉煤灰的合理应用，具有良好的社会效益和经济效益。