浅谈粉煤灰在混凝土中的应用

井旭东 （淮南市建筑管理处，安徽 淮南 232001）

1 概 述

粉煤灰是燃烧煤粉后收集的灰粒，其主要化学成分为二氧化硅（45%～65%）、三氧化二铝（20%～35%）、三氧化二铁（5%～10%）、氧化钙（5%）等，粉煤灰掺入混凝土后，不仅可以替代部分水泥，降低混凝土成本，保护环境，而且能与水泥互相取长补短，均衡协和，改善混凝土性能，具有明显的技术经济效益。

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。

2 粉煤灰最主要的三大效应

2.1 形态效应

在显微镜下显示，粉煤灰中含有70%的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地致密。这种形态对混凝土而言，无疑能起到减水、致密和匀质作用，促进初期水泥的解絮作用，改变拌和物的流变性质，初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送混凝土能起到良好的润滑作用。

2.2 活性效应

因粉煤灰系人工火山灰质材料，所以又称之为“ 火山灰效应”。这一效应能对混凝土起到增强作用和堵塞混凝土中的毛细组织，提高混凝土的抗腐蚀能力。

2.3 微集料效应

粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在水泥中可以相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显地改善和增强混凝土的结构强度，提高匀质性和致密性。

这三种效应相互关联，互为补充，粉煤灰的品质越高，效应越大。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。

3 粉煤灰在混凝土中的作用

3.1 掺入粉煤灰可改善新拌混凝土的和易性

新拌混凝土的和易性受浆体的体积、水胶比、骨料的级配、形状、孔隙率等的影响。掺用粉煤灰对新拌混凝土的明显好处是增大浆体的体积，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。

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。

3.2 粉煤灰可抑制新拌混凝土的泌水

粉煤灰的掺入可以补偿细骨料中的细屑不足，中断砂浆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新拌混凝土的泌水是有利的。

3.3 掺用粉煤灰，可以提高混凝土的后期强度

试验资料表明，在混凝土中掺入粉煤灰后，随着粉煤灰掺量的增加，早期强度（28d 以前）逐减而后期强度逐渐增加。 粉煤灰对混凝土强度的后期有三重影响：减少用水量，增大胶凝材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取决于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与水泥浆体中的氢氧化钙作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙的速度和数量。

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2 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，有良好的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。

3.4 掺粉煤灰可降低混凝土的水化热

众所周知，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，由于减少了水泥的用量可以降低水化热。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，譬如若按重量计用粉煤灰取代30%的水泥时，可使因水化热导致的绝热温升降低15%左右。温度升高时水泥水化速率会显著加快，研究表面：与20℃相比，30℃时硅酸盐水泥的水化速率要加快1 倍。一些大体积混凝土结构，由于设计强度等级提高，所用水泥的强度也随之提高，单位水泥用量的增大，加之现在的水泥越磨越细，施工现场养护不足，这些不利因素的叠加，致使混凝土硬化过程中温升明显加剧，是导致很多混凝土结构在施工期间拆除模板就发现大量裂缝的原因。粉煤灰混凝土可降低水泥的水化热， 减少构件由于温度而造成的裂缝。

3.5 掺粉煤灰可改善混凝土的耐久性

在混凝土中掺粉煤灰对其冻融耐久性有很大影响。当掺用质量较好的粉煤灰同时可以适当降低水胶比，可以收到改善抗冻性的效果，但是当粉煤灰质量较差、颗粒较多、含碳量高对混凝土抗冻融性有不利影响，随着掺量的增加，其抗冻融耐久性降低。

4 结 语

由于混凝土技术的进展，使混凝土可以在比较低的水胶比条件下制备， 这就使粉煤灰在混凝土中的作用出现显著的变化。而近些年来水泥活性增大、混凝土设计等级提高促使水泥用量增大，以及构件断面尺寸加大，在混凝土体温度上升的前提下，进一步促进了粉煤灰在混凝土中作用的发挥，以至可以说：粉煤灰在许多情况下可以起到水泥所起不到的作用，成为优质混凝土必不可少的组分之一。

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。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。因此大量推广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。

[1]GB/T50081-2002，普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社,2002.

[2]GB/T50080-2002，普通混凝土拌合物性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社,2002.

[3]GB/T1596-2005，用于水泥和混凝土中的粉煤灰[S].北京：中国标准出版社,2005.

[4]JISA6201-1999，混凝土用粉煤灰[S].北京：中国标准出版社,1999.