粉煤灰对混凝土性能的影响和工程应用

王锡武

（长春市轨道交通集团有限公司，吉林 长春 130000）

改革开放以来，我国基建规模迅速增长，水泥用量成倍增长。据调查，每生产1吨水泥就会产生0.9吨二氧化碳，这只是水泥石分解产生的二氧化碳量，而不包括水泥生产过程中消耗电力产生的二氧化碳量。温室气体是加速全球变暖的主要原因。同时，我国是用煤大国，因烧煤产生的灰渣量逐年增加，储存灰渣占用了大量良田，若这些灰渣得不到有效利用，就会污染环境。为了促进粉煤灰的合理利用，国家和地方政府分别出台了鼓励利用粉煤灰的政策，由最初的利用率不足10%提高到70%左右。从研究资料中可以看出，我国的粉煤灰主要用于建筑工程和基础建设，这是提高粉煤灰利用率的最有效途径。

1 粉煤灰的活化特性

粉煤灰是从火电厂烟道中收集的粉末，属于火电厂的主要废弃物。粉煤灰的主要成分包括二氧化硅、氧化铝和氧化铁，这些主要的矿物成分多以不稳定的玻璃体形式存在。粉煤灰具有潜在的火山灰特性，在碱激发的条件下可发生水化反应，生成具有一定强度的钙矾石和硅酸凝胶。粉煤灰最初是作为活性掺合料添加到硅酸盐水泥中，以调整水泥标号。粉煤灰的掺入可在一定程度上改善水泥的某些特性，使水泥的应用范围更广。同时，可以提高混凝土的产量、降低成本。通过对粉煤灰自身结构特点的研究，发现粉煤灰分子间的化学键能更高、粘合度较高，常温下粉煤灰的化学性质更加稳定。但其化学活性较低，水化反应速度非常缓慢。要想充分发挥粉煤灰的活性，可采取以下三种途径：

（1）分选加工。将粉煤灰按不同颗粒大小进行分选，在相同质量的情况下，颗粒更细的粉煤灰总表面积更大、活性更高。分选的优势在于将粉煤灰按照颗粒细度进行分级，这是一种常用的分级定价方法，适用于对粉煤灰性能有不同要求的工程领域；分选粉煤灰的弊端是未改变粉煤灰的颗粒形态、破坏粉煤灰颗粒表面的玻璃体结构，只是将粉煤灰颗粒分成不同的细度级别，细度越小，其活性越高，但分选出来的中颗粒和粗颗粒粉煤灰活性比分选前的活性更低，在本质上并没有改善分选前粉煤灰的总体活性。

（2）将粉煤灰进行二次加工处理。主要是将粉煤灰原粉充分研磨，将粉煤灰颗粒表面坚硬且密实的玻璃质外壳磨碎，以增加火山灰效应的表面积，使混凝土的钙离子更容易与粉煤灰玻璃质中的硅、铝结合。微观机理分析得知，磨细的粉煤灰晶体原有状态被破坏且粉煤灰颗粒化学键被切断，能够生成分子活性更高的原子基团和带电荷界面。同时，粉煤灰的结构形状更不规则且颗粒缺陷更高，粉煤灰颗粒活性更高。能量角度分析得知，将粉煤灰磨细后可增加颗粒的化学性能、不稳定性和活性。综合分析得知，磨细的粉煤灰无论是其活化效应、形态效应，还是其经济性，在二次加工的整体方面优势更明显。

（3）掺入化学激发剂。通过一定量的化学激发剂激发粉煤灰的碱性或硫酸盐，可有效激发粉煤灰的活性。但应严格控制激发剂的用量，当激发剂掺入量较少时，激发效果不明显；当激发剂掺入过量时，会产生一些不利影响。所以，一定要控制激发剂用量。经试验研究得知，水泥可有效激发粉煤灰，且十分经济、适用性更高，两者的细度是影响活性的关键因素，水泥和粉煤灰的颗粒细度越小，激发效果越明显。因此，在混凝土中掺入粉煤灰十分科学，工程适用性更高。

2 粉煤灰对混凝土工作性能的影响

（1）粉煤灰的密度比水泥小，在配制混凝土时，用粉煤灰替代水泥可在一定程度上增加混凝土的浆体体积。

（2）混凝土的工作性能主要与混凝土的配合比设计有关。在配合比相同的情况下，用粉煤灰替代水泥可增加混凝土的浆体体积和浆体塑性，具有降低混凝土浆体黏度的作用。同时，可增加混凝土浆体中氧化钙和二氧化硅的浓度，在一定程度上降低水泥和粉煤灰处于高碱环境中颗粒分散度的稳定性，有效改变混凝土的流变特性。

（3）粉煤灰原有颗粒形貌多为球形，若采用分选的粉煤灰，粉煤灰的原有颗粒形貌不受破坏。当拌和混凝土时，球形粉煤灰在混凝土中充当滚珠，可有效降低混凝土的黏稠度，增加混凝土的流动性。

（4）粉煤灰的用水量相较于水泥更低。在用水量相同的情况下，用粉煤灰替代水泥配制混凝土，其工作性能、坍落度更优。但粉煤灰的替代量不宜过高，若替代量过高，将导致新拌混凝土保水性较差、混凝土的黏度变差，还会影响混凝土浇筑成型，延长混凝土初凝和终凝的时间，过长的终凝时间不利于混凝土养护成型。

3 粉煤灰对混凝土力学性能的影响

（1）粉煤灰的活化特性相对较低，当用粉煤灰替代水泥配制混凝土时，随着粉煤灰用量的增加，混凝土浆体中的水泥占比会下降，水泥含量降低将直接影响混凝土水化反应的速度。水化反应的成分主要由水泥提供，水泥遇水很快发生水化反应，释放大量热量。掺入粉煤灰可降低混凝土搅拌和成型养护过程中释放的热量，使混凝土不易在搅拌过程中因温度过高而缩短混凝土的初凝时间，在一定程度上可延长初凝时间，有利于混凝土远距离运输，降低长时间运输导致混凝土有较大坍落度的损失。

（2）大体积混凝土浇筑掺入粉煤灰，减少水泥用量，可有效降低因水泥水化反应释放的热量，从而避免混凝土产生温度裂缝而降低混凝土的力学性能、抗渗性能、抗离子侵蚀性能等。

（3）由于混凝土的早期强度较低，在混凝土中掺入粉煤灰会减少水泥含量，在一些建筑工程中会影响混凝土模板的周转速度，影响施工进度。因此，在一定程度上限制了粉煤灰的掺入量。粉煤灰的主要作用是在水泥水化产物的基础上进一步发生水化反应，经大量试验研究发现，粉煤灰对混凝土的抗折和抗压强度不会引起特殊影响。与普通混凝土相比，掺入粉煤灰的混凝土3天和7天抗压强度更低（在相应需求下，可通过掺入早强剂或调整混合料来提升混凝土的早期强度）。当水泥的强度生成率降低后，粉煤灰会持续发生火山灰反应。掺入粉煤灰的混凝土早期强度等于或低于普通混凝土，后期强度则等于或高于普通混凝土。对长龄期粉煤灰强度的贡献率进行试验研究，以28天强度作为基准强度，掺入粉煤灰的混凝土360天强度与28天强度相比，提升了60%。而普通混凝土360天强度与28天强度相比，提升了30%。可见，28天强度并不能真实反映掺入粉煤灰对混凝土性能的提升效果。还有一些学者和专家对更长龄期的粉煤灰混凝土进行试验研究，发现粉煤灰能显著提升混凝土的终期强度，其耐久性能可持续10年以上，这一特点使粉煤灰成为生产高强混凝土的有效成分。

4 粉煤灰混凝土的工程应用

目前，粉煤灰已广泛应用于土建工程、预制混凝土制品、大体积混凝土等领域。在土建工程的主要应用原因是粉煤灰具有较好的和易性、水密性。同时，还具有低水化热、较小膨胀收缩、耐有害离子侵蚀性能强及后期强度高等特点。由于粉煤灰的耐海水侵蚀能力较强，并具有较好的水密性，使粉煤灰混凝土较好地应用于临海工程，如胶州湾跨海大桥、港珠澳跨海大桥、厦门大桥和海澜大桥等。

（1）粉煤灰混凝土具有和易性好、后期强度高等特点，已广泛应用于工业或民用建筑的梁、板、柱和地面等部位。同时，其较好的和易性有利于混凝土浇筑过程中的振捣成型，更有利于现场施工。

（2）粉煤灰混凝土被预制混凝土制品厂广泛应用，其主要原因在于粉煤灰混凝土的和易性优于普通混凝土。粉煤灰在一定程度上改善了混凝土的工作性能，缩短了混凝土的振捣时间。掺入粉煤灰的混凝土可有效改善混凝土制品成型后的外观质量，减少因混凝土流动性差导致成型的预制混凝土表面产生较多气泡和蜂窝麻面。同时，由于粉煤灰是电厂烟筒中的废弃物，其价格更低，可在不降低预制混凝土制品强度的情况下取代一定量的水泥，减少水泥用量，从而降低预制混凝土构件的成本，经济效益更好。

（3）针对大体积混凝土，如油井平台、大型基础及混凝土重力水坝等工程领域，混凝土的用量较大。当选用普通水泥配制混凝土时，水化热可引起较大的体积变化，使混凝土产生不同的膨胀变形和不同程度的裂缝，故在浇筑大体积混凝土时应选用特殊水泥，如水化热较低的低热水泥或采取埋置水管冷却降温的方式。由于粉煤灰混凝土能显著降低水化热，比特殊水泥降温更多，能延缓凝结时间，有利于大体积混凝土连续浇筑施工，还能在一定程度上改善混凝土的抗渗性能，尤其对于低强度混凝土，水泥用量较少，其抗渗效果更强。因此，用粉煤灰混凝土更适合浇筑大坝等大体积混凝土。

5 结语

粉煤灰具有优良的活化特性，掺入粉煤灰的混凝土工作性能和力学性能均能得到不同程度的提升，由于粉煤灰混凝土性能良好，已广泛应用于工程领域。