粉煤灰在混凝土當(dāng)中的應(yīng)用

一、 混凝土的結(jié)構(gòu)與性能 

為了便于認(rèn)識粉煤灰在混凝土中的作用，先來看看混凝土的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。混凝土是由大小不同的顆粒所組成的，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)主要包括三個相——骨料、硬化水泥漿體以及二者之間的過渡區(qū)，說它復(fù)雜是因?yàn)樗懿粍蛸|(zhì)，主要體現(xiàn)在以下幾方面： 
第一，過渡區(qū)的存在。過渡區(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——硬化水泥漿體和過渡區(qū)是隨時間、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，首先注意的是它的顆粒強(qiáng)度，也就是說：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，因此它對混凝土的強(qiáng)度并沒有直接的影響。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，其表面積存的水膜越厚，過渡區(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。 
再談硬化水泥漿體（也稱水泥石）。在配制混凝土選用水泥時，都認(rèn)為標(biāo)號越高的水泥就越好。事實(shí)上，高標(biāo)號水泥因?yàn)橥ǔ７勰サ迷郊?xì)，在拌合時往往需要更多的水，硬化后生成更多薄弱的氫氧化鈣，多余的水分蒸發(fā)后也會形成更多的孔隙，對混凝土的強(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)的水泥漿體低一個數(shù)量級。這說明：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自哪里呢？答案只能是：來自過渡區(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，它們之間的相對運(yùn)動使骨料顆粒的周壁形成一層稀漿膜，待混凝土硬化后，這里就形成了過渡區(qū)。過渡區(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^渡區(qū)的影響，使混凝土在比它兩個主要相能夠承受的應(yīng)力低得多的時候就被破壞；由于過渡區(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)力作用的過渡區(qū)影響，混凝土的剛性和彈性模量明顯地減小。 
過渡區(qū)的特性對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逐漸擴(kuò)展，使外界水分和侵蝕性離子易于進(jìn)入，對混凝土及鋼筋產(chǎn)生侵蝕作用。

二、 粉煤灰在混凝土中的作用 

了解混凝土的微結(jié)構(gòu)的特性及其對性能的影響后，就可以更好地認(rèn)識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，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)了薄弱的過渡區(qū)，對改善混凝土的各項(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，對防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利。 
下面對粉煤灰在混凝土中的作用及其機(jī)理做一些具體地分析。 
長期以來，國內(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。 
對于粉煤灰的作用機(jī)理和應(yīng)用技術(shù)，多年來進(jìn)行了大量的研究工作，取得了不少進(jìn)展，這些進(jìn)展對粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用起了一定的推動作用。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)外加劑同時使用的雙摻法。對于粉煤灰的作用機(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。但無論哪一方面的研究成果，似乎都改變不了這樣一個事實(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：摻用粉煤灰是以犧牲結(jié)構(gòu)混凝土的品質(zhì)為代價的。 
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（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說，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（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，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改善，因?yàn)榉勖夯宜徛够炷翆?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，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“動態(tài)堆積”的概念來認(rèn)識，這是相對于長期以來沿用的靜態(tài)堆積而言的。即通常在選擇原材料和配合比時，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)過水化硬化過程，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僅100kg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)行過低水灰比（水膠比）摻/不摻粉煤灰凈漿的結(jié)合水測定試驗(yàn)[6]：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，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，溫度升高時水泥水化的速率會顯著加快。研究表明：與20℃相比，30℃時硅酸鹽水泥的水化速率要加快一倍。由于近些年來大型、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)度等級的提高，使所用水泥標(biāo)號提高、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)致混凝土硬化時產(chǎn)生的溫升明顯加劇，溫峰升高。舉一個典型的例子：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；與此同時，混凝土的粘彈性，即對于彈性拉應(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（實(shí)際上不可見裂縫的長度和深度，要遠(yuǎn)比可見裂縫大得多）。為了防止可見裂縫的出現(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應(yīng)力的分散作用，使少量寬而長的可見裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅糠稚⒌牟豢梢娏芽p，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，即溫度升高時它的水化明顯加快。所以當(dāng)混凝土澆注時環(huán)境溫度與混凝土體溫度較高時，對純水泥混凝土來說，由于溫升帶來不利的影響，而對摻粉煤灰混凝土來說，則不僅溫升下降，減小了混凝土因溫度開裂的危險(xiǎn)，同時由于加快火山灰反應(yīng)，還提高了28天強(qiáng)度。舉一個很有意思的例子：德國在修建一條新鐵路時，其隧道襯砌曾嚴(yán)重地開裂，當(dāng)時要求混凝土10

三、 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時間得不到推廣呢？在這里提出一個新的看法：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%），對配制中低強(qiáng)度的混凝土來說，恰恰是最不利于發(fā)揮粉煤灰作用的摻量。換句話說，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，漿體體積就滿足不了填充骨料空隙并形成足夠厚度潤滑層的需要。當(dāng)摻加粉煤灰時，由于它比水泥輕，等重量替代水泥時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（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)開裂的危險(xiǎn)，可以說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)度增長幅度大，恰好滿足了這樣的要求——強(qiáng)度和耐磨性隨著時間不斷增長。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)生的磨耗量來評價。這也說明：推廣新材料、新技術(shù)需要伴隨試驗(yàn)評價方法的改進(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)的問題。一般來說，當(dāng)水膠比只能在0.40以上時，在中等強(qiáng)度要求的混凝土中使用的效果就可能成問題了。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)生波動時，會給使用效果帶來明顯的影響。不過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的益處。同時，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)生了波動的信息，便于及時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源也十分重要，過長的運(yùn)輸距離不僅使粉煤灰使用費(fèi)用增加，也給及時滿足工程對粉煤灰貨源的需求帶來困難。 
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小（不影響泵送與震搗）；澆注后，要及早噴灑養(yǎng)護(hù)劑或覆蓋外露表面，但一般情況下無需噴霧或澆水養(yǎng)護(hù)； 
4） 氣溫過低時，要采用保溫養(yǎng)護(hù)措施，且適當(dāng)延緩拆模時間，使混凝土硬化和強(qiáng)度發(fā)展?jié)M足施工需要。