粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用.doc

三、 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(duì)性能的影響后，就可以更好地認(rèn)識(shí)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(rùn)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(duì)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(shí)，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(guò)渡區(qū)，對(duì)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(duì)防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利。 下面對(duì)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(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)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(zhǎng)期強(qiáng)度大約在2535MPa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（1025%）；在強(qiáng)度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。 對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理和應(yīng)用技術(shù)，多年來(lái)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(duì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用起了一定的推動(dòng)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(shí)使用的雙摻法。對(duì)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(shí)生成薄弱的，而且往往富集在過(guò)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(wú)論哪一方面的研究成果，似乎都改變不了這樣一個(gè)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(shí)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(gè)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(jiàn)：摻用粉煤灰是以犧牲結(jié)構(gòu)混凝土的品質(zhì)為代價(jià)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(kāi)（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(lái)說(shuō)，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(shì)（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(shí)，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(shí)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(duì)改善，因?yàn)榉勖夯宜徛?，使混凝土?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(shí)，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(gè)“動(dòng)態(tài)堆積”的概念來(lái)認(rèn)識(shí)，這是相對(duì)于長(zhǎng)期以來(lái)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(shí)，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?，特別是在低水膠比條件下，如何通過(guò)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(guò)水化硬化過(guò)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?jī)H100kg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(guò)低水灰比（水膠比）摻/不摻粉煤灰凈漿的結(jié)合水測(cè)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(shí)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(shuō)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(zhǎng)，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(shí)水泥水化的速率會(huì)顯著加快。研究表明：與20相比，30時(shí)硅酸鹽水泥的水化速率要加快一倍。由于近些年來(lái)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(jí)的提高，使所用水泥標(biāo)號(hào)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(shí)產(chǎn)生的溫升明顯加劇，溫峰升高。舉一個(gè)典型的例子：97年北京一棟建筑物底層斷面為1.6m1.6m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(huì)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(zhǎng)；與此同時(shí)，混凝土的粘彈性，即對(duì)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(lái)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(zhǎng)（實(shí)際上不可見(jiàn)裂縫的長(zhǎng)度和深度，要遠(yuǎn)比可見(jiàn)裂縫大得多）。為了防止可見(jiàn)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(méi)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(duì)應(yīng)力的分散作用，使少量寬而長(zhǎng)的可見(jiàn)裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅糠稚⒌牟豢梢?jiàn)裂縫，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(shí)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(shí)它的水化明顯加快。所以當(dāng)混凝土澆注時(shí)環(huán)境溫度與混凝土體溫度較高時(shí)，對(duì)純水泥混凝土來(lái)說(shuō)，由于溫升帶來(lái)不利的影響，而對(duì)摻粉煤灰混凝土來(lái)說(shuō)，則不僅溫升下降，減小了混凝土因溫度開(kāi)裂的危險(xiǎn)，同時(shí)由于加快火山灰反應(yīng)，還提高了28天強(qiáng)度。舉一個(gè)很有意思的例子：德國(guó)在修建一條新鐵路時(shí)，其隧道襯砌曾嚴(yán)重地開(kāi)裂，當(dāng)時(shí)要求混凝土10h強(qiáng)度不低于12MPa；后來(lái)修改了規(guī)定：以隔熱的立方模型澆注的試件12h最高強(qiáng)度為6MPa；如果超過(guò)了，就要增加粉煤灰的摻量來(lái)更多地代替水泥。 以上說(shuō)明：由于混凝土技術(shù)的進(jìn)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(xiàn)顯著地變化。而近些年來(lái)水泥活性增大、混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)提高促使水泥用量增大，以及構(gòu)件斷面尺寸加大，在混凝土體溫度上升的前提下，進(jìn)一步促進(jìn)了粉煤灰在混凝土中作用的發(fā)揮，以至可以說(shuō)：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(yōu)質(zhì)混凝土必不可少的組分之一。 3）室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)澆注 長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于混凝土強(qiáng)度其質(zhì)量控制主要指標(biāo)（通常也就是唯一指標(biāo)）的評(píng)價(jià)，一直是根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室里制備的小試件（由于骨料最大粒徑的減小，試件尺寸從200200200mm減小到現(xiàn)在的100100100mm），經(jīng)規(guī)定齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（203；RH90%），然后在試驗(yàn)機(jī)上破型得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行。Idorn7在91年曾擬文指出：在特定實(shí)驗(yàn)室條件下取樣制備試件進(jìn)行試驗(yàn)作為控制質(zhì)量的方法，而不去開(kāi)發(fā)以物理化學(xué)為科學(xué)依據(jù)的控制方法，是不合乎當(dāng)今時(shí)代的錯(cuò)誤。 試驗(yàn)室制備的試件與工程中澆筑構(gòu)件的實(shí)際情況存在著明顯的差異： 1）制備試件時(shí)的成型條件與工程實(shí)際振搗密實(shí)的情況不相符，因此不能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土的振實(shí)程度（孔隙率）、沉降程度（離析、泌水）等； 2）試件養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫、濕度與實(shí)際構(gòu)件的情況不同，而這種差異隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)斷面尺寸明顯增大、施工中忽視養(yǎng)護(hù)的情況使反差更加劇。如前所述，混凝土構(gòu)件體內(nèi)的溫升及其對(duì) 3）室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)澆注 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果要反映工程施工中混凝土澆筑的實(shí)際情況。 長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)于混凝土強(qiáng)度其質(zhì)量控制主要指標(biāo)（通常也就是唯一指標(biāo)）的評(píng)價(jià)，一直是根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室里制備的小試件（由于骨料最大粒徑的減小，試件尺寸從200200200mm減小到現(xiàn)在的100100100mm），經(jīng)規(guī)定齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（203；RH90%），然后在試驗(yàn)機(jī)上破型得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行。Idorn6在91年曾擬文指出：在特定實(shí)驗(yàn)室條件下取樣制備試件進(jìn)行試驗(yàn)作為控制質(zhì)量的方法，而不去開(kāi)發(fā)以物理化學(xué)為科學(xué)依據(jù)的控制方法，是不合乎當(dāng)今時(shí)代的錯(cuò)誤。 試驗(yàn)室制備的試件與工程中澆筑構(gòu)件的實(shí)際情況存在著明顯的差異： 1）制備試件時(shí)的成型條件與工程實(shí)際振搗密實(shí)的情況不相符，因此不能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土的振實(shí)程度（孔隙率）、沉降程度（離析、泌水）等； 2）試件養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫、濕度與實(shí)際構(gòu)件的情況不同，而這種差異隨著現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)斷面尺寸明顯增大、施工中忽視養(yǎng)護(hù)的情況使反差更加劇。如前所述，混凝土構(gòu)件體內(nèi)的溫升及其對(duì)混凝土水化過(guò)程的不利影響、隨后降溫時(shí)的變形以及產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，小試件是反映不出來(lái)的，更無(wú)法反映上述普通混凝土與大摻量粉煤灰混凝土在溫升影響下的反差（純水泥混凝土后期強(qiáng)度比小試件偏低，而大摻量粉煤灰混凝土強(qiáng)度發(fā)展加速和提高）。 3）自由變形的試件和受配筋及其他條件約束的實(shí)際構(gòu)件，在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)配筋曰益密集、混凝土水膠比明顯降低的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土性能產(chǎn)生的影響差異加大：試件在初齡期自身收縮增大時(shí)，強(qiáng)度會(huì)呈提高趨勢(shì)；而實(shí)際結(jié)構(gòu)中混凝土早期強(qiáng)度提高（彈性模量增大）、自身收縮加劇時(shí)，則因變形受約束，引起很大的拉應(yīng)力從而導(dǎo)致開(kāi)裂，強(qiáng)度與耐久性降低。 以上說(shuō)明：室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果難以完全反映工程施工中混凝土澆筑的實(shí)際情況。正是從這個(gè)角度出發(fā)，許多國(guó)家從事混凝土技術(shù)研究時(shí)，越來(lái)越重視足尺試驗(yàn)（與實(shí)際結(jié)構(gòu)物尺寸相同或者成比例縮?。┖蛯?duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。如上所述，其結(jié)果正和小試件的相反。對(duì)于大摻量粉煤灰混凝土，或者從更廣泛的意義上來(lái)說(shuō)，在混凝土技術(shù)領(lǐng)域里的研究方面，我們與先進(jìn)國(guó)家的差距，可能更突出地反映在這些問(wèn)題上（當(dāng)然還有其他方面的，例如配制混凝土?xí)r所用骨料的變異性大，因此試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性差；室內(nèi)試驗(yàn)混凝土的攪拌、成型和養(yǎng)護(hù)條件有待改善等等），而不是如有些人誤認(rèn)為的：因?yàn)閲?guó)內(nèi)粉煤灰、水泥、外加劑等原材料的質(zhì)量存在著很大差距，因此得不出類似結(jié)果。四、 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(zhǎng)時(shí)間得不到推廣呢？在這里提出一個(gè)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(duì)配制中低強(qiáng)度的混凝土來(lái)說(shuō)，恰恰是最不利于發(fā)揮粉煤灰作用的摻量。換句話說(shuō)，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(shí)，漿體體積就滿足不了填充骨料空隙并形成足夠厚度潤(rùn)滑層的需要。當(dāng)摻加粉煤灰時(shí)，由于它比水泥輕，等重量替代水泥時(shí)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(shí)（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(kāi)裂的危險(xiǎn)，可以說(shuō)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(zhǎng)幅度大，恰好滿足了這樣的要求強(qiáng)度和耐磨性隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)。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(lái)評(píng)價(jià)。這也說(shuō)明：推廣新材料、新技術(shù)需要伴隨試驗(yàn)評(píng)價(jià)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(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)水膠比只能在0.40以上時(shí)，在中等強(qiáng)度要求的混凝土中使用的效果就可能成問(wèn)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(duì)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(dòng)時(shí)，會(huì)給使用效果帶來(lái)明顯的影響。不過(guò)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(dòng)的益處。同時(shí)，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(dòng)的信息，便于及時(shí)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(lái)源也十分重要，過(guò)長(zhǎng)的運(yùn)輸距離不僅使粉煤灰使用費(fèi)用增加，也給及時(shí)滿足工程對(duì)粉煤灰貨源的需求帶來(lái)困難。 另外，在使用大摻量粉煤灰混凝土?xí)r，需要注意以