粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用

　　一、 概述

　　早在2000多年前的古羅馬時期，人類就用火山灰與石灰混合作為膠凝材料，建造了許多雄偉的建筑物，例如萬神殿，其直徑為44m的半球形穹頂就使用了12000噸這種膠凝材料和凝灰?guī)r輕骨料拌合而成的混凝土；還有聞名于世的圓形劇場等，這些建筑現(xiàn)在仍然安然無恙，2000年還有報道意大利人正在翻修圓形劇場，準(zhǔn)備在那里面舉行盛大的演出。今天在混凝土中摻用的粉煤灰，也是一種火山灰材料，大量的實踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其長期性能得到大幅度的改善，對延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命有重要意義。

　　現(xiàn)在作為混凝土主要膠凝材料的硅酸鹽水泥，同樣是以石灰石和粘土為主要原料經(jīng)過煅燒生成的。它問世于19世紀(jì)的30年代，至今尚不到200年歷史，因此用硅酸鹽水泥配制成混凝土建造的各種建筑物最長只有100多年，而國內(nèi)近些年修建的一些土木工程結(jié)構(gòu)物運行不多年，就出現(xiàn)各種病害，甚至很快就遭到嚴(yán)重的破壞。例如北京的西直門立交橋，運行僅20年就不得不拆除重建；更有甚者，據(jù)某省交通科研所一位所長坦言，那里的混凝土路面運行三年不壞的很少！

　　80年代初，美國佛羅里達州建造了一座非常宏偉的跨海大橋，在該橋的建設(shè)過程中，考慮到周圍的侵蝕性環(huán)境，在混凝土里摻用了大量粉煤灰，工程質(zhì)量有很大改善。因而在1983年修訂規(guī)范時，對原來隨意使用粉煤灰的規(guī)定進行了修訂。新規(guī)范（S-346）規(guī)定：在中度以上侵蝕環(huán)境中的橋梁上部結(jié)構(gòu)，包括預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的混凝土中，必須摻用粉煤灰。其中大體積混凝土中粉煤灰的摻量為18~50%。

　　什么是大體積混凝土？許多人至今仍認為那就是指大壩，也有些人把高層樓房的大型基礎(chǔ)包括在內(nèi)。可是美國混凝土學(xué)會規(guī)定：任何現(xiàn)澆混凝土，其尺寸達到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響的，即稱為大體積混凝土。這個問題下面還要談到。

　　摻粉煤灰混凝土的另一典型實例，是1982年英國的Garwick機場的停機坪擴建工程，該工程在兩條相鄰的道面上對摻與不摻粉煤灰混凝土進行了對比。所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量達到46%。該工程經(jīng)運行4年后所拍的照片清楚地顯示出：與純硅酸鹽水泥混凝土相對照，摻粉煤灰混凝土道面的表面層抗滑構(gòu)造仍基本完好，而前者則已坑坑點點，受到一定程度的破壞了。這個實際工程事例一方面說明：在低水膠比條件下，即使摻有大量粉煤灰，也可以獲得強度和耐久性都十分優(yōu)異的混凝土；另一方面，對長期以來沿用的，以28d齡期的快速實驗結(jié)果評價不同類型混凝土的耐久性提出了質(zhì)疑。

　　粉煤灰在混凝土公路路面中的應(yīng)用舉一個例子。Mehta教授曾提到：在美國大約70%的低交通量公路與地方公路需要升級，考慮用大摻量粉煤灰代替水泥以降低造價，電力研究院(EPRI)出資搞了幾個示范工程：在北達科他州，1988和1989年夏天，用20000m³粉煤灰混凝土鋪筑厚為200mm的路面，其水膠比為0.43，水泥用量100Kg/m³、粉煤灰220Kg/m³。

　　加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心（CANMET）自1985年以來，對大摻量粉煤灰混凝土進行了深入而廣泛的研究，由于該國處寒帶地區(qū)，因此通常在混凝土里摻有引氣劑，并保持含氣量在5~6%，在這種前提下，以水泥150kg/m³，粉煤灰200kg/m³通過高效減水劑將水膠比降到0.3左右，所配制的混凝土抗壓強度28天為30~40MPa；90天40~50MPa；1年50~60MPa。大摻量粉煤灰混凝土的成功試驗，使其在哈利法克斯的帕克林購物中心施工中用于澆注巨大的柱子，拌合物含55%低鈣粉煤灰、45%硅酸鹽水泥，以及就地取材的砂、石和高效減水劑。這些柱子一共用去700m³大摻量粉煤灰混凝土；在哈利法克斯海邊處于海洋環(huán)境的建筑物群施工中也得到應(yīng)用。該建筑物位于海邊，包括兩幢商業(yè)大廈的公共建筑，其32根直徑1.2m和30根直徑1.1m的框架柱沉箱，平均長度在21m。采用大摻量粉煤灰混凝土的首要原因，是其抗?jié)B性能優(yōu)異。在渥太華附近的大衛(wèi)伏勞瑞達實驗室，工程師們用CANMET開發(fā)的大摻量粉煤灰混凝土設(shè)計了一個重360噸的混凝土平臺。為了降低水化熱，以粉煤灰、Ⅱ型（低熱）水泥、水、粗細骨料、引氣劑和高效減水劑混合配制。平臺的尺寸是7×8m，平均厚度2.25m，安放在多個充氣圓柱體上，因此其震動與地面分離。由于粉煤灰混凝土特殊的品質(zhì)，發(fā)射火箭產(chǎn)生的沖擊不會引起平臺共振。隨著齡期增長，平臺混凝土的共振頻率以每年0.05Hz的速度增長，質(zhì)量越來越好。在該平臺上成功地發(fā)射了愛那克依火箭的事實雄辯地證明：粉煤灰混凝土可以看作是真正的太空時代的建筑材料。

　　根據(jù)CANMET在第二屆“高強混凝土的應(yīng)用”國際研討會發(fā)表的論文，以水泥150kg/m³、粉煤灰200kg/m³，不摻引氣劑并摻高效減水劑將水膠比降至0.29，所配制的大摻量粉煤灰高強混凝土7天強度可達34MPa；28天52MPa；90天70MPa；365天98MPa。

　　我們用內(nèi)蒙元寶山電廠1級粉煤灰、北京2級粉煤灰為原材料，同樣以水泥150kg/m³、粉煤灰200kg/m³，并摻高效減水劑調(diào)節(jié)水膠比為0.30~0.38，配制的混凝土R3=30MPa；R28=50MPa；R1y=80MPa。根據(jù)分析，早期強度發(fā)展更快是因為所用水泥含堿量較大、活性高，并因此影響了后期強度發(fā)展幅度偏小。

　　在建筑工程中，我們與北京城建集團總公司構(gòu)件廠合作，在自密實混凝土中摻用30~45%粉煤灰作為增粘劑，保證了這種混凝土有足夠粘聚性，不致發(fā)生離析與泌水現(xiàn)象，而且可在數(shù)小時里幾乎沒有坍落度損失，滿足長途運輸后仍然能夠自密實的效果。該成果（大摻量粉煤灰混凝土在建筑工程中的應(yīng)用）于1998年12月獲得北京市科技進步三等獎。

　　在公路工程建設(shè)中，由我們提供技術(shù)咨詢服務(wù)，自1994年以來于廣東深-汕等四條近100km高速公路路面混凝土中摻用粉煤灰20~40%，取得明顯提高滑模攤鋪機攤鋪路面板的質(zhì)量（提高路面宏觀平整度、明顯減少開裂）、減小進口設(shè)備損耗并降低水泥用量等技術(shù)與經(jīng)濟綜合效益。

　　二、 混凝土的結(jié)構(gòu)與性能

　　為了便于認識粉煤灰在混凝土中的作用，先來看看混凝土的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。混凝土是由大小不同的顆粒所組成的，大顆粒粗骨料的空隙由中小顆粒的粗骨料（石子）填充；粗骨料顆粒的空隙由細骨料（砂子）填充，它的顆粒也是有粗有細，細顆粒填充粗顆粒之間的空隙；水泥漿則填充粗細骨料堆積體的大小空隙，并包裹它們形成一層潤滑層，使新拌混凝土（也稱拌合物）具有一定的工作性，能在外力或本身的自重作用下成型密實。硬化混凝土是一種復(fù)雜的、多相的復(fù)合材料，它的結(jié)構(gòu)主要包括三個相——骨料、硬化水泥漿體以及二者之間的過渡區(qū)，說它復(fù)雜是因為它很不勻質(zhì)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

　　第一，過渡區(qū)的存在。過渡區(qū)是圍繞骨料顆粒周邊的一層薄殼，厚度約10～50μm。由于它的薄弱，對混凝土性能的影響十分顯著；第二，三相中的任一相，本身實際上還是多相體。例如一顆花崗巖的骨料里除了有微裂縫、孔隙外，還不均勻地鑲嵌著石英、長石和云母三種礦物。石英很硬，而云母就很軟；第三，與其他工程材料不同，混凝土結(jié)構(gòu)中的兩相——硬化水泥漿體和過渡區(qū)是隨時間、溫度與濕度環(huán)境不斷變化著的。

　　先談骨料相。通常在為混凝土選擇骨料時，首先注意的是它的顆粒強度，也就是說：它越堅硬越好。事實上，由于骨料的強度通常比其他兩相的高很多，因此它對混凝土的強度并沒有直接的影響。但是它們的粒徑和形狀間接地影響混凝土強度：當(dāng)骨料最大粒徑越大、針片狀顆粒越多時，其表面積存的水膜越厚，過渡區(qū)相就越薄弱，硬化混凝土的強度和抗?jié)B透性也越差。所以，質(zhì)量好的骨料應(yīng)該是顆粒形狀均勻、級配好，堆積密實度高，所需要的漿體用量少。許多路面板之所以不耐久，骨料質(zhì)量差，尤其缺乏5~10mm粒徑的顆粒，因此傳荷能力和抗沖擊與疲勞能力受到嚴(yán)重影響是重要的原因。

　　再談硬化水泥漿體（也稱水泥石）。在配制混凝土選用水泥時，都認為標(biāo)號越高的水泥就越好。事實上，高標(biāo)號水泥因為通常粉磨得越細，在拌合時往往需要更多的水，硬化后生成更多薄弱的氫氧化鈣，多余的水分蒸發(fā)后也會形成更多的孔隙，對混凝土的強度和耐久性不利。但是，這樣的水泥水化反應(yīng)快，因此用它配制的混凝土早期強度高，這是它受歡迎，售價高的原因。

　　試驗表明：即使所用骨料非常致密，混凝土的滲透性也要比相應(yīng)的水泥漿體低一個數(shù)量級。這說明：混凝土體的滲透性并不直接取決硬化水泥漿體的滲透性，那么更主要的影響來自哪里呢？答案只能是：來自過渡區(qū)。剛澆筑成型的混凝土在其凝固硬化之前，骨料顆粒受重力作用向下沉降，含有大量水分的稀水泥漿則由于密度小的原因向上遷移，它們之間的相對運動使骨料顆粒的周壁形成一層稀漿膜，待混凝土硬化后，這里就形成了過渡區(qū)。過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)的特點為：1）富集大晶粒的氫氧化鈣和鈣礬石；2）孔隙率大、大孔徑的孔多；3）存在大量原生微裂縫，即混凝土未承載之前出現(xiàn)的裂縫。

　　因為過渡區(qū)的影響，使混凝土在比它兩個主要相能夠承受的應(yīng)力低得多的時候就被破壞；由于過渡區(qū)大量孔隙和微裂縫存在，所以雖然硬化水泥漿體和骨料兩相的剛性很大，但受它們之間傳遞應(yīng)力作用的過渡區(qū)影響，混凝土的剛性和彈性模量明顯地減小。

　　過渡區(qū)的特性對混凝土的耐久性影響也很顯著。因為硬化水泥漿體和骨料兩相在彈性模量、線脹系數(shù)等參數(shù)上的差異，在反復(fù)的荷載、冷熱循環(huán)與干濕循環(huán)作用下，過渡區(qū)作為薄弱環(huán)節(jié)，在較低的拉應(yīng)力作用下其裂縫就會逐漸擴展，使外界水分和侵蝕性離子易于進入，對混凝土及鋼筋產(chǎn)生侵蝕作用。

　　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(zhì)量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），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(dāng)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(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），而且加強了薄弱的過渡區(qū)，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(chǎn)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(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：在早期強度要求很低，長期強度大約在25~35MPa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（10~25%）；在強度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。

　　對于粉煤灰的作用機理和應(yīng)用技術(shù)，多年來進行了大量的研究工作，取得了不少進展，這些進展對粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用起了一定的推動作用。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)外加劑同時使用的雙摻法。對于粉煤灰的作用機理，從主要是火山灰質(zhì)材料特性的作用（消耗了水泥水化時生成薄弱的，而且往往富集在過渡區(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），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(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。這個事實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：摻用粉煤灰是以犧牲結(jié)構(gòu)混凝土的品質(zhì)為代價的。

　　事實上，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（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大（水泥用量減少）呈下降趨勢（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，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”增大，水泥的水化因而加快，這種作用機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，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在低水膠比條件下被掩蓋，而它降低溫升等其它優(yōu)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(tài)堆積”的概念來認識，這是相對于長期以來沿用的靜態(tài)堆積而言的。即通常在選擇原材料和配合比時，是以各種原材料在加水之前的堆積盡量密實為依據(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(jīng)過水化硬化過程，形成的微結(jié)構(gòu)應(yīng)該是更為密實的。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(jù)。有人曾進行過低水灰比（水膠比）摻/不摻粉煤灰凈漿的結(jié)合水測定試驗：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(jié)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，大摻量粉煤灰混凝土的強度發(fā)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(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)計土強度等級的提高，使所用水泥標(biāo)號提高、單位用量增大；又由于水泥生產(chǎn)技術(shù)的進展，使其所含水化迅速的早強礦物硅酸三鈣含量提高、粉磨細度加大，這些因素的疊加，導(dǎo)致混凝土硬化時產(chǎn)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(jié)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(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度的提高而增大，進一步加劇了彈性拉應(yīng)力增長；與此同時，混凝土的粘彈性，即對于彈性拉應(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（實際上不可見裂縫的長度和深度，要遠比可見裂縫大得多）。為了防止可見裂縫的出現(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(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應(yīng)力的分散作用，使少量寬而長的可見裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅糠稚⒌牟豢梢娏芽p，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。同時較大的彈性拉應(yīng)力還可能引起鋼筋達到屈服點而滑移，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，即溫度升高時它的水化明顯加快。所以當(dāng)混凝土澆注時環(huán)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(yīng)，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(yán)重地開裂，當(dāng)時要求混凝土10h強度不低于12MPa；后來修改了規(guī)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(shù)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(xiàn)顯著地變化。而近些年來水泥活性增大、混凝土設(shè)計等級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，進一步促進了粉煤灰在混凝土中作用的發(fā)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(yōu)質(zhì)混凝土必不可少的組分之一。

　　3）室內(nèi)試驗與現(xiàn)場澆注

　　長期以來，人們對于混凝土強度——其質(zhì)量控制主要指標(biāo)（通常也就是唯一指標(biāo)）的評價，一直是根據(jù)在實驗室里制備的小試件（由于骨料最大粒徑的減小，試件尺寸從200×200×200mm減小到現(xiàn)在的100×100×100mm），經(jīng)規(guī)定齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護（20±3℃；RH≥90%），然后在試驗機上破型得到的數(shù)據(jù)進行。Idorn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(zhì)量的方法，而不去開發(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)今時代的錯誤。

　　試驗室制備的試件與工程中澆筑構(gòu)件的實際情況存在著明顯的差異：

　　1）制備試件時的成型條件與工程實際振搗密實的情況不相符，因此不能反映實際結(jié)構(gòu)物中混凝土的振實程度（孔隙率）、沉降程度（離析、泌水）等；

　　2）試件養(yǎng)護時的溫、濕度與實際構(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

　　3）室內(nèi)試驗與現(xiàn)場澆注 室內(nèi)試驗結(jié)果要反映工程施工中混凝土澆筑的實際情況。

　　長期以來，人們對于混凝土強度——其質(zhì)量控制主要指標(biāo)（通常也就是唯一指標(biāo)）的評價，一直是根據(jù)在實驗室里制備的小試件（由于骨料最大粒徑的減小，試件尺寸從200×200×200mm減小到現(xiàn)在的100×100×100mm），經(jīng)規(guī)定齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護（20±3℃；RH≥90%），然后在試驗機上破型得到的數(shù)據(jù)進行。Idorn[6]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(zhì)量的方法，而不去開發(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)今時代的錯誤。

　　試驗室制備的試件與工程中澆筑構(gòu)件的實際情況存在著明顯的差異：

　　1）制備試件時的成型條件與工程實際振搗密實的情況不相符，因此不能反映實際結(jié)構(gòu)物中混凝土的振實程度（孔隙率）、沉降程度（離析、泌水）等；

　　2）試件養(yǎng)護時的溫、濕度與實際構(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)的溫升及其對混凝土水化過程的不利影響、隨后降溫時的變形以及產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，小試件是反映不出來的，更無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度比小試件偏低，而大摻量粉煤灰混凝土強度發(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際構(gòu)件，在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)配筋日益密集、混凝土水膠比明顯降低的情況下，對結(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，強度會呈提高趨勢；而實際結(jié)構(gòu)中混凝土早期強度提高（彈性模量增大）、自身收縮加劇時，則因變形受約束，引起很大的拉應(yīng)力從而導(dǎo)致開裂，強度與耐久性降低。

　　以上說明：室內(nèi)試驗結(jié)果難以完全反映工程施工中混凝土澆筑的實際情況。正是從這個角度出發(fā)，許多國家從事混凝土技術(shù)研究時，越來越重視足尺試驗（與實際結(jié)構(gòu)物尺寸相同或者成比例縮小）和對于實際結(jié)構(gòu)物的現(xiàn)場檢測。如上所述，其結(jié)果正和小試件的相反。對于大摻量粉煤灰混凝土，或者從更廣泛的意義上來說，在混凝土技術(shù)領(lǐng)域里的研究方面，我們與先進國家的差距，可能更突出地反映在這些問題上（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，因此試驗結(jié)果的重現(xiàn)性差；室內(nèi)試驗混凝土的攪拌、成型和養(yǎng)護條件有待改善等等），而不是如有些人誤認為的：因為國內(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時間得不到推廣呢？在這里提出一個新的看法：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%），對配制中低強度的混凝土來說，恰恰是最不利于發(fā)揮粉煤灰作用的摻量。換句話說，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。因為再減小時，漿體體積就滿足不了填充骨料空隙并形成足夠厚度潤滑層的需要。當(dāng)摻加粉煤灰時，由于它比水泥輕，等重量替代水泥時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（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進行的大摻量粉煤灰混凝土性能之所以優(yōu)異，正是因為它在膠凝材料用量為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行試驗，因此也得到了類似的效果。

　　大摻量粉煤灰混凝土不僅強度發(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)開裂的危險，可以說是一種適用于除了早期強度要求非常高以外，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度增長幅度大，恰好滿足了這樣的要求——強度和耐磨性隨著時間不斷增長。但是目前的耐磨性試驗不適宜于判斷這種混凝土的耐磨性，因為通常就在28天齡期進行快速試驗——用鋼球在試件上快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨耗量來評價。這也說明：推廣新材料、新技術(shù)需要伴隨試驗評價方法的改進。

　　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的問題。一般來說，當(dāng)水膠比只能在0.40以上時，在中等強度要求的混凝土中使用的效果就可能成問題了。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)生波動時，會給使用效果帶來明顯的影響。不過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的益處。同時，從拌合物的工作度檢驗中，操作人員比較易于獲得粉煤灰質(zhì)量發(fā)生了波動的信息，便于及時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源也十分重要，過長的運輸距離不僅使粉煤灰使用費用增加，也給及時滿足工程對粉煤灰貨源的需求帶來困難。

　　另外，在使用大摻量粉煤灰混凝土?xí)r，需要注意以下施工條件和事項：

　　1） 配制混凝土的骨料級配良好，以減小空隙率，利于水膠比降低，保證使用效果；

　　2） 必須采用強制性攪拌機拌合這種混凝土，以保證其均勻性，由于它比較粘稠，在出機口、罐車進料口、入泵口以及攤鋪過程要采取相應(yīng)措施；

　　3） 混凝土坍落度應(yīng)控制比普通混凝土減?。ú挥绊懕盟团c震搗）；澆注后，要及早噴灑養(yǎng)護劑或覆蓋外露表面，但一般情況下無需噴霧或澆水養(yǎng)護；

　　4） 氣溫過低時，要采用保溫養(yǎng)護措施，且適當(dāng)延緩拆模時間，使混凝土硬化和強度發(fā)展?jié)M足施工需要。

　　五、混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展

　　混凝土材料是當(dāng)今用量最大、用途最廣泛的建筑材料，據(jù)統(tǒng)計，每年全世界的耗用量接近100億噸。如此巨大的用量，伴隨著生產(chǎn)、使用過程帶來礦石資源、能源的消耗，以及對大氣和環(huán)境造成的污染，已引起全世界業(yè)內(nèi)的關(guān)注。

　　我國的水泥產(chǎn)量多年來居世界首位，占1/3以上。同時我國粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，有關(guān)部門仍在計劃投資建設(shè)更多水泥廠。過去在混凝土里摻用粉煤灰，是為了節(jié)約水泥、降低工程材料費用，今天對混凝土摻用粉煤灰的認識，應(yīng)該提高到保護環(huán)境、保護資源，使混凝土材料可長久地持續(xù)應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的高度上來認識。

　　大摻量粉煤灰混凝土不僅可以改善混凝土的各項性能，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時可以大幅度減小耗費能源多、污染環(huán)境嚴(yán)重的硅酸鹽水泥用量，因此也是一種綠色混凝土。從這個角度出發(fā)，推廣大摻量粉煤灰混凝土在我國土木建筑工程中的應(yīng)用，是一件于國于民有顯著效益的事業(yè)，必定有強大的生命力，有廣闊的發(fā)展前景。