大掺量粉煤灰混凝土性能研究

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摘 要：介绍了大掺量粉煤灰混凝土(HVFAC)发展的意义、机理，对其和易性、凝结时间、水化热、耐腐蚀性、强度性能和抗碳化等主要性能进行了阐述，并对研究中存在的问题进行了分析，最后对掺量粉煤灰混凝土的应用前景进行了展望。

关键词：粉煤灰，混凝土，和易性，水化热

中图分类号：TU528．2 文献标识码：A

0 引言

粉煤灰是一种工业废料，从粉煤灰的组成和微观结构来看，又是一种具有潜在火山灰活性的物质，能为建材工业所用。虽然目前，我国粉煤灰在建材工业中已得到部分的应用，但是还只能处理部分粉煤灰，且利用水平低 没有充分发挥粉煤灰的火山灰活性。如果能用粉煤灰取代部分水泥熟料，不仅可以减少水泥熟料生产量，减少生产水泥对资源的消耗和CO2排放量，且提高了粉煤灰的利用率及利用水平。通过粉煤灰的二次反应，改善水泥的性能，提高混凝土的性能。因此，如何在水泥生产中大量利用粉煤灰是亟待解决的重要课题。

从开发大掺量粉煤灰混凝土(High Volume F1y Ash Concrete，简称 HVFAC)的意义来看，它将高性能混凝土、大掺量粉煤灰混凝土和环保型低水泥用量混凝土的概念加以有机地结合，对于拓 展三者的涵义，走新型建材、绿色建材的道路，具有指导意义。关于大掺量的范围，通常认为，以纯水泥混凝土的水泥用量的百分数计，在30%以上即为大掺量粉煤灰混凝土，当然 在掺用粉煤灰的同时，水泥用量也减少几乎相同的数量。

1 HVFAC的性能研究现状

1.1 HⅥ AC的机理研究

将具有活性的粉煤灰掺人到混凝土当中，粉煤灰中含有的活性SiO2、Al2O3与水泥水化产物 Ca(OH)2会发生显着的水化反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙胶体，既可改善早期水泥的水化条件，提高混凝土的工作性，改善水泥与外加剂的相容性，降低水化热；也可填充空隙，提高混凝土的密实度，提高混凝土的强度和耐久性[1]，但当粉煤灰掺量过大时，由于Ca(OH)2消耗过大，混凝土中相对碱度下降，导致钢筋锈蚀，碳化深度加大，混凝土耐久性下降。因此，适当提高 HVFAC的相对碱度意义重大。故可渗入石灰或硫酸钠来提高水泥的含碱量[2]。

1.2 HVFAC的主要性能

1)和易性。当粉煤灰掺到混凝土中时，可以明显地改善混凝土拌合物的和易性，这是因为：

a．粉煤灰由大小不等的球状玻璃体组成，表面致密光滑，在混凝土中可以起到滚珠效应。

b．新拌混凝土拌合物的水泥颗粒易聚集成团，掺人粉煤灰，由于表面电负性作用，可以有效地分散水泥颗粒，释放更多的浆体来包裹骨料颗粒。

c．能降低用水量 ，使混凝土的水灰比降低到更低水平减少混凝土拌合物的离析和泌水。HVFAC的和易性与粉煤灰质量、外加剂品种及掺量等有关。

2)凝结时间。粉煤灰的掺量对水泥浆体 的凝结时间有明显的延缓作用，并且凝结时间随着粉煤灰掺量的增加而延长，在掺有减水剂的水泥浆体中，这种现象更为显着。而粉煤灰的细度对水泥浆体的凝结时间没有明显的延缓作用，但对标准稠度用水量有很大的影响。掺磨细灰浆体 的凝结时间比掺原状灰的凝结时间略短，但磨细程度对这种缩短效应有影响，当磨细至一定程度后，凝结时间反而较掺原状灰的水泥浆体略有延长[4]。

3)水化热。由于 HVFAC含有大量粉煤灰，而相应的单方水泥用量的减少，水化产生的热量少。因此 HVFAC的自生温升要比硅酸盐水泥混凝土低得多。从而避免了混凝土内外形成明显的温差，导致混凝土内外层变形不一致，产生温度应力，而导致产生裂缝。对混凝土的整体性 、耐久性乃至安全性都具有良好的效果。同时可掺人缓凝外加剂，这种方法已成功地应用到实际工程中。

4)耐腐蚀性。大掺量粉煤灰混凝土，由于粉煤灰降低了混凝土的孔隙率，使孔细化，提高了混凝土的密实度，其抗渗 、抗硫酸盐侵蚀和抗 Cl-侵蚀耐久性能比纯硅酸盐水泥混凝土提高；由于对碱的稀释和吸收作用，降低了有效碱含量，即孔洞溶液中的碱浓度、碱骨料反应得到抑制。由于粉煤灰二次水化反应较慢 ，混凝土整体水化过程较长，水化程度降低，导致可结冰水较多，大掺量粉煤灰混凝土的抗冻性较差；由于二次水化反应使碱储备和碱度降低而导致混凝土抗碳化和抗熔出侵蚀能力大幅度下降，由碳化引起 的钢筋锈蚀加快。

5)强度性能。粉煤灰掺入水泥混凝土中的作用效应早期是物理填充微集料效应，这种微集料效应表现为抗压、抗折强度与粉煤灰掺量成反比，即粉煤灰掺量越 大，早期抗压 、抗折强度越低；后期因粉煤灰中SiO2和Al2O3含量大，同水泥水化释放出的Ca(OH)2作用形成不溶、安全的CaSiO2，提高了强度，即粉煤灰的活化效应促进混凝土的抗压、抗折强度 的提高，特别是抗折强度的提高。粉煤灰混凝土中，水泥用量减少，则砂率降低，有利于水泥浆对骨料界面的包裹，改善了水泥浆与骨料界面的结合强度，这也就是粉煤灰混凝土后期抗折强度提高的机理的主要点。而微集料效应，当粉煤灰活化作用开始后，粉煤灰的微细颗粒均匀分布于水泥浆体中，对骨料界面的包裹比单纯水泥浆体更好，结合强度更高，因此，抗折强度更高，改善了混凝土的脆性。但是单一的HVFAC早期强度很低，所以HVFAC技术宜结合激发剂共同使用，在掺加 HD-EA型活性激发剂后，可有效地改善早期强度低的不足；HVFAC后期强度持续增长，在有 HD-EA存在时，后期强度明显高于普通 HVFAC，一般都达到 200%以上，HVFAC的强度发展与高效减水剂的关系更密切，在测试的各个龄期，掺入高效减水剂的 HVFAC强度都显着高于不掺高效减水剂的 HVFAC，HD-EA对 HVFAC强度贡献的最佳掺人量为 3%。掺人量过大时，会对 HVFAC后期强度的增长起负作用。

6)抗碳化性能。水泥品种、水灰比、粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土强度有一定影响。水胶比、粉煤灰掺量越犬，粉煤灰混凝土强度越低 。粉煤灰混凝土的碳化深度随时间的延长而加深。早期的碳化深度增长较快 ，粉煤灰掺量达 50%时，按标准试验测得的混凝土 28 d碳化深度为零，而后期增长相对较快。混凝土的抗碳化性能随粉煤灰掺量的上升而下降，掺量在 20%～30%时下降趋势相对缓慢 ，超过 50%时下降趋势大大增加。

2 存在问题与建议

目前推广 HVFAC仍存在的一些问题，如 HVFAC的抗碳化能力 、规范施工，保证质量等。对于 HVFAC以 28 d抗压强度作为质量评定指标显然不合适，粉煤灰混凝土的早期强度低，所以和普通混凝土一样以28 d抗压强度作为评定指标显然不合适，应考虑采用龄期更长的强度指标作为VFAC的衡量标准。粉煤灰混凝土在国内还处于科研探索的初级阶段，要使其有充分的发展，科研部门必须制定严格的、可操作的相关技术规范以指导工程实践。

3 展望

任何新技术、新材料的发展，都需要经历漫长的反复的过程随着高层建筑、大型拱坝建筑、大跨度桥梁以及海洋工程结构的发展，混凝土的强度等级不断升高，大体积混凝土高水泥用量所产生的热裂危险以及体积不稳定性等副作用也随之被充分认识对于 HVFAC的发展应该是一个难得的机遇。大掺量粉煤灰凝土在未来的建筑工程 中，具有极好的应用前景。

配制大掺量粉煤灰混凝土，同时加入适 当的外加剂 ，可大大提高混凝土的性能。在粉煤灰掺入量比较大时，仍可配制出性能优越的高性能建筑砂浆。这对于大量利用粉煤灰、消除污染、保护环境、降低材料成本均具有积极的意义。随着 HVFAC的继续发展，HVFAC的性能将得到进一步的完善，人们对 HVFAC的认识也将更加的深入。相信在市场经济的推动下，应用大掺量粉煤灰混凝土将会给建筑行业带来 巨大的冲击 。不仅有利于混凝土业的可持续发展，同时这也是使水泥与混凝土工业符合国际社会对环境保护呼声 日高的发展趋势的必然途径。

参考文献：

[1]吴正直．粉煤灰房建材料的开发与应用[M]．北京：中国建材工业出版社．2003．1．

[2]孟志良，吴仲兵，钱觉时，大掺量粉煤灰混凝土的孔隙液相碱度[J]．重庆建筑大学学报，1999(1)：24~27．

[3]陈 瑜，周士琼．大掺量粉煤灰高性能混凝土的应用[J]．四川建筑，1999(11)：41~43．

[4]张 日华，张战营．大掺量粉煤灰特种水泥的研制[J]．粉煤灰2003，15(6)：39~41．