工程中摻粉煤灰在混凝土中的應用（二）
發布時間：2010-01-14 共2頁
三、 粉煤灰在混凝土中的作用
了解混凝土的微結構的特性及其對性能的影響后，就可以更好地認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（質量好的粉煤灰含量玻璃微珠），因此能填充得更密實，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晶發生火山灰反應，不僅生成具有膠凝性質的產物（與水泥中硅酸鹽的水化產物相同），而且加強了薄弱的過渡區，對改善混凝土的各項性能有顯著作用。
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理做一些具體地分析。
長期以來，國內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，絕多數情況下是以如下三種方式應用的：在早期強度要求很低，長期強度約在25~35MPa的體積水工混凝土中，摻量地替代水泥使用；在結構混凝土里較少量地替代水泥（10~25%）；在強度要求很低的回填或道路基層里量摻用。
對于粉煤灰的作用機理和應用技術，多年來進行了量的研究工作，取得了不少進展，這些進展對粉煤灰在混凝土中的應用起了一定的推動作用。如摻用的方法從等量替代水泥，發展到超摻法、代砂法以及與化學外加劑同時使用的雙摻法。對于粉煤灰的作用機理，從主要是火山灰質材料特性的作用（消耗了水泥水化時生成薄弱的，而且往往富集在過渡區的氫氧化鈣片狀結晶，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），逐步發展到分析它還具有形態效應、填充效應和微集料效應等。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：在混凝土中摻粉煤灰要降低混凝土的強度，包括28天齡期以后一段時間里的強度，其他性能當然也相應受到不同程度的影響，而且這些影響要隨著摻量的增而加劇。這個事實始終禁錮著粉煤灰在混凝土中，尤其是結構混凝土中的摻量，而且似乎形成了這樣一種成見：摻用粉煤灰是以犧牲結構混凝土的品質為代價的。
事實上，如前所述，由于高效減水劑的應用，使混凝土的水膠比可以幅度降低，從而使摻用粉煤灰的效果為改善，使摻量粉煤灰混凝土的性能能夠幅度地提高。
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），水化環境優異，可以迅速地生成表面積增1000倍的水化物，有良好地填充漿體內空隙的能力。粉煤灰雖然從顆粒形狀來說，易于堆積得較為密實，但是它水化緩慢，生成的凝膠量少，難以填充密實顆粒周圍的空隙，所以摻粉煤灰水泥漿的強度和其他性能總是隨摻量增（水泥用量減少）呈下降趨勢（當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，未水化水泥的內芯增，生成產物量下降，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，因為粉煤灰水化緩慢，使混凝土實際的“水灰比”增，水泥的水化因而加快，這種作用機理隨著粉煤灰的摻量增愈加明顯（例如摻量為50%左右，初期實際水灰比則接近0.6），水泥水化程度的改善，則有利于粉煤灰作用的發揮，然而與此同時，需要粉煤灰水化產物填充的空隙已經減小，所以其水化能力差的弱點在低水膠比條件下被掩蓋，而它降低溫升等其它優點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“動態堆積”的概念來認識，這是相對于長期以來沿用的靜態堆積而言的。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為依據的，但是當加水攪拌后，特別是在低水膠比條件下，如何通過粉狀顆粒水化的交叉進行，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成型的前提下，經過水化硬化過程，形成的微結構應該是更為密實的。上述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。有人曾進行過低水灰比（水膠比）摻/不摻粉煤灰凈漿的結合水測定試驗[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時的結合水還多，證實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，摻量粉煤灰混凝土的強度發展與空白混凝土接近，而后期仍有一定幅度的增長，在一定范圍內隨摻量變化的影響不。當然，粉煤灰代替水泥用量了，由于起激發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。由于近些年來型、超型混凝土結構物的建造，構件斷面尺寸相應增；混凝設計土強度等級的提高，使所用水泥標號提高、單位用量增；又由于水泥生產技術的進展，使其所含水化迅速的早強礦物硅酸三鈣含量提高、粉磨細度加，這些因素的疊加，導致混凝土硬化時產生的溫升明顯加劇，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，施工季節為夏季，混凝土澆筑后柱芯的溫峰達到110℃。
在達到溫峰后的降溫期間，混凝土產生溫度收縮（也稱熱收縮）引起彈性拉應力；另一方面，混凝土水膠比的降低，又會使因水泥水化產生的自身收縮增，同樣產生彈性拉應力；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度的提高而增，進一步加劇了彈性拉應力增長；與此同時，混凝土的粘彈性，即對于彈性拉應力的松弛作用卻顯著地減小，這一切，都導致近些年來許多結構物在施工期間，模板剛拆除或以后不久就發現表面量裂縫。除了凝固前的塑性裂縫以外，硬化混凝土早期出現的裂縫往往深而長（實際上不可見裂縫的長度和深度，要遠比可見裂縫得多）。為了防止可見裂縫的出現，目前常采取外包保溫措施，以減小內外溫差，這種做法被認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，加劇了體內的溫升，混凝土體溫度升高，使水泥水化加速，早期強度發展更加迅速，因此也更容易出現裂縫，只是由于鋼筋的約束和對應力的分散作用，使少量寬而長的可見裂縫轉變為量分散的不可見裂縫，它們將為侵蝕性介質提供通道，影響結構混凝土的耐久性。同時較的彈性拉應力還可能引起鋼筋達到屈服點而滑移，從而可能影響結構的使用功能。
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。所以當混凝土澆注時環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，同時由于加快火山灰反應，還提高了28天強度。舉一個很有意思的例子：德國在修建一條新鐵路時，其隧道襯砌曾嚴重地開裂，當時要求混凝土10h強度不低于12MPa；后來修改了規定：以隔熱的立方模型澆注的試件12h最高強度為6MPa；如果超過了，就要增加粉煤灰的摻量來更多地代替水泥。
以上說明：由于混凝土技術的進展，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顯著地變化。而近些年來水泥活性增、混凝土設計等級提高促使水泥用量增，以及構件斷面尺寸加，在混凝土體溫度上升的前提下，進一步促進了粉煤灰在混凝土中作用的發揮，以至可以說：粉煤灰在許多情況下可以起到水泥所起不到的作用，成為優質混凝土必不可少的組分之一。
3）室內試驗與現場澆注 長期以來，人們對于混凝土強度——其質量控制主要指標（通常也就是唯一指標）的評價，一直是根據在實驗室里制備的小試件（由于骨料最粒徑的減小，試件尺寸從200×200×200mm減小到現在的100×100×100mm），經規定齡期的標準養護（20±3℃；RH≥90%），然后在試驗機上破型得到的數據進行。Idorn[7]在91年曾擬文指出：在特定實驗室條件下取樣制備試件進行試驗作為控制質量的方法，而不去開發以物理化學為科學依據的控制方法，是不合乎當今時代的錯誤。
了解混凝土的微結構的特性及其對性能的影響后，就可以更好地認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（質量好的粉煤灰含量玻璃微珠），因此能填充得更密實，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晶發生火山灰反應，不僅生成具有膠凝性質的產物（與水泥中硅酸鹽的水化產物相同），而且加強了薄弱的過渡區，對改善混凝土的各項性能有顯著作用。
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理做一些具體地分析。
長期以來，國內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，絕多數情況下是以如下三種方式應用的：在早期強度要求很低，長期強度約在25~35MPa的體積水工混凝土中，摻量地替代水泥使用；在結構混凝土里較少量地替代水泥（10~25%）；在強度要求很低的回填或道路基層里量摻用。
對于粉煤灰的作用機理和應用技術，多年來進行了量的研究工作，取得了不少進展，這些進展對粉煤灰在混凝土中的應用起了一定的推動作用。如摻用的方法從等量替代水泥，發展到超摻法、代砂法以及與化學外加劑同時使用的雙摻法。對于粉煤灰的作用機理，從主要是火山灰質材料特性的作用（消耗了水泥水化時生成薄弱的，而且往往富集在過渡區的氫氧化鈣片狀結晶，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），逐步發展到分析它還具有形態效應、填充效應和微集料效應等。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：在混凝土中摻粉煤灰要降低混凝土的強度，包括28天齡期以后一段時間里的強度，其他性能當然也相應受到不同程度的影響，而且這些影響要隨著摻量的增而加劇。這個事實始終禁錮著粉煤灰在混凝土中，尤其是結構混凝土中的摻量，而且似乎形成了這樣一種成見：摻用粉煤灰是以犧牲結構混凝土的品質為代價的。
事實上，如前所述，由于高效減水劑的應用，使混凝土的水膠比可以幅度降低，從而使摻用粉煤灰的效果為改善，使摻量粉煤灰混凝土的性能能夠幅度地提高。
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），水化環境優異，可以迅速地生成表面積增1000倍的水化物，有良好地填充漿體內空隙的能力。粉煤灰雖然從顆粒形狀來說，易于堆積得較為密實，但是它水化緩慢，生成的凝膠量少，難以填充密實顆粒周圍的空隙，所以摻粉煤灰水泥漿的強度和其他性能總是隨摻量增（水泥用量減少）呈下降趨勢（當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，未水化水泥的內芯增，生成產物量下降，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，因為粉煤灰水化緩慢，使混凝土實際的“水灰比”增，水泥的水化因而加快，這種作用機理隨著粉煤灰的摻量增愈加明顯（例如摻量為50%左右，初期實際水灰比則接近0.6），水泥水化程度的改善，則有利于粉煤灰作用的發揮，然而與此同時，需要粉煤灰水化產物填充的空隙已經減小，所以其水化能力差的弱點在低水膠比條件下被掩蓋，而它降低溫升等其它優點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“動態堆積”的概念來認識，這是相對于長期以來沿用的靜態堆積而言的。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為依據的，但是當加水攪拌后，特別是在低水膠比條件下，如何通過粉狀顆粒水化的交叉進行，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成型的前提下，經過水化硬化過程，形成的微結構應該是更為密實的。上述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。有人曾進行過低水灰比（水膠比）摻/不摻粉煤灰凈漿的結合水測定試驗[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時的結合水還多，證實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，摻量粉煤灰混凝土的強度發展與空白混凝土接近，而后期仍有一定幅度的增長，在一定范圍內隨摻量變化的影響不。當然，粉煤灰代替水泥用量了，由于起激發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。由于近些年來型、超型混凝土結構物的建造，構件斷面尺寸相應增；混凝設計土強度等級的提高，使所用水泥標號提高、單位用量增；又由于水泥生產技術的進展，使其所含水化迅速的早強礦物硅酸三鈣含量提高、粉磨細度加，這些因素的疊加，導致混凝土硬化時產生的溫升明顯加劇，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，施工季節為夏季，混凝土澆筑后柱芯的溫峰達到110℃。
在達到溫峰后的降溫期間，混凝土產生溫度收縮（也稱熱收縮）引起彈性拉應力；另一方面，混凝土水膠比的降低，又會使因水泥水化產生的自身收縮增，同樣產生彈性拉應力；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度的提高而增，進一步加劇了彈性拉應力增長；與此同時，混凝土的粘彈性，即對于彈性拉應力的松弛作用卻顯著地減小，這一切，都導致近些年來許多結構物在施工期間，模板剛拆除或以后不久就發現表面量裂縫。除了凝固前的塑性裂縫以外，硬化混凝土早期出現的裂縫往往深而長（實際上不可見裂縫的長度和深度，要遠比可見裂縫得多）。為了防止可見裂縫的出現，目前常采取外包保溫措施，以減小內外溫差，這種做法被認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，加劇了體內的溫升，混凝土體溫度升高，使水泥水化加速，早期強度發展更加迅速，因此也更容易出現裂縫，只是由于鋼筋的約束和對應力的分散作用，使少量寬而長的可見裂縫轉變為量分散的不可見裂縫，它們將為侵蝕性介質提供通道，影響結構混凝土的耐久性。同時較的彈性拉應力還可能引起鋼筋達到屈服點而滑移，從而可能影響結構的使用功能。
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。所以當混凝土澆注時環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，同時由于加快火山灰反應，還提高了28天強度。舉一個很有意思的例子：德國在修建一條新鐵路時，其隧道襯砌曾嚴重地開裂，當時要求混凝土10h強度不低于12MPa；后來修改了規定：以隔熱的立方模型澆注的試件12h最高強度為6MPa；如果超過了，就要增加粉煤灰的摻量來更多地代替水泥。
以上說明：由于混凝土技術的進展，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顯著地變化。而近些年來水泥活性增、混凝土設計等級提高促使水泥用量增，以及構件斷面尺寸加，在混凝土體溫度上升的前提下，進一步促進了粉煤灰在混凝土中作用的發揮，以至可以說：粉煤灰在許多情況下可以起到水泥所起不到的作用，成為優質混凝土必不可少的組分之一。
3）室內試驗與現場澆注 長期以來，人們對于混凝土強度——其質量控制主要指標（通常也就是唯一指標）的評價，一直是根據在實驗室里制備的小試件（由于骨料最粒徑的減小，試件尺寸從200×200×200mm減小到現在的100×100×100mm），經規定齡期的標準養護（20±3℃；RH≥90%），然后在試驗機上破型得到的數據進行。Idorn[7]在91年曾擬文指出：在特定實驗室條件下取樣制備試件進行試驗作為控制質量的方法，而不去開發以物理化學為科學依據的控制方法，是不合乎當今時代的錯誤。
