論粉煤灰在混凝土工程中的應(yīng)用

　　長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外在工程建設(shè)用混凝土中常摻入一定量粉煤灰，以改善混凝土性能。實(shí)踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其耐久性能得到大幅度改善，對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的使用壽命具有重要意義。對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理，無(wú)論從火山灰材料的特性（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)的氫氧化鈣片狀晶體，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，使混凝土更加密實(shí)），還是其所具有的形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)等，眾多研究成果都能夠證明這樣一個(gè)事實(shí):在一定條件下，混凝土中摻用粉煤灰其強(qiáng)度會(huì)受到影響，包括28d齡期以后一段時(shí)間里的強(qiáng)度。這個(gè)事實(shí)始終影響著粉煤灰在混凝土中，尤其是結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用，由此形成了一種成見(jiàn)：混凝土中摻用粉煤灰是以犧牲結(jié)構(gòu)混凝土的品質(zhì)為代價(jià)，俗稱(chēng)"摻假"。效果是否如此，下面就結(jié)合有關(guān)科研成果和我市粉煤灰應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行淺述，以消除人們對(duì)混凝土中摻加粉煤灰的成見(jiàn)。

　　一、粉煤灰產(chǎn)生的效應(yīng)

　?。ㄒ唬┖鸵仔孕?yīng)?；炷梁鸵仔灾饕軡{體的體積、水灰比、配合比設(shè)計(jì)、骨料的級(jí)配、形狀、孔隙率等因素影響，其中粉煤灰是影響混凝土和易性的重要因素。由于粉煤灰在混凝土中特性之一是增大漿體的體積（相同質(zhì)量粉煤灰的體積要比水泥約大30%）。如果我們?cè)诨炷林休^好的利用粉煤灰特性，用粉煤灰取代等重量的水泥（根據(jù)強(qiáng)度要求按重量比大于1：1用粉煤灰取代水泥時(shí)，又稱(chēng)超量取代），多加的粉煤灰增大了細(xì)屑含量，因此增大了漿體－-骨料比。大量的漿體填充了骨料間的孔隙，包裹并潤(rùn)滑了骨料顆粒，從而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。粉煤灰的骨料顆?？梢詼p少漿體－-骨料間的界面磨擦，在骨料的接觸點(diǎn)起滾珠軸承效果，從而改善了混凝土的和易性。

　?。ǘ┟谒?yīng)。粉煤灰的摻入可以補(bǔ)償細(xì)骨料中的細(xì)屑不足，中斷砂漿基體中泌水渠道的連續(xù)性。同時(shí)，粉煤灰作為水泥的取代材料在同樣的稠度下，會(huì)使混凝土的用水量有不同程度的降低。因而，摻用粉煤灰對(duì)防止混凝土的泌水是有利的。

　?。ㄈ┌韬臀镆龤庾饔眯?yīng)?；炷恋目諝夂恳话阍冢常ヒ?xún)?nèi)，與水泥的細(xì)度、骨料形狀、級(jí)配以及震搗密實(shí)的程度等有關(guān)。當(dāng)混凝土中摻入粉煤灰時(shí)，由于細(xì)屑組分的影響會(huì)使混凝土的空氣含量減少１％左右。對(duì)燒失量超過(guò)６％的粉煤灰，由于碳顆粒在冷卻過(guò)程中變成了封閉的玻璃態(tài)，因而防止了對(duì)引氣劑的吸附，保持了混凝土拌和物的原有含氣量。

　　（四）凝結(jié)時(shí)間效應(yīng)。摻粉煤灰的混凝土雖然初凝、終凝一般都能滿(mǎn)足規(guī)范要求，但由于受其摻量、細(xì)度、化學(xué)成分等因素影響，混凝土?xí)霈F(xiàn)凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致出現(xiàn)緩凝現(xiàn)象。然而，與水泥性能、用水量、環(huán)境溫度、濕度等因素相比，粉煤灰對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響是極小的。

　　（五）抗壓強(qiáng)度效應(yīng)?；炷恋目箟簭?qiáng)度主要取決于水灰比，對(duì)摻與不摻粉煤灰的混凝土，如果二者的早期強(qiáng)度相同，則粉煤灰混凝土的后期強(qiáng)度將高于不摻的，粉煤灰對(duì)混凝土有三重影響：減少用水量、增大膠結(jié)料含量和通過(guò)長(zhǎng)期火山灰反應(yīng)提高強(qiáng)度。

　　當(dāng)原材料和環(huán)境條件一定時(shí)，摻粉煤灰混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)主要決定于粉煤灰的火山灰效應(yīng)，即粉煤灰中玻璃態(tài)的活性氧化硅、氧化鋁與混凝土的水泥漿體中的Ca(OH)2作用生成堿度較小的二次水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣。一些研究認(rèn)為：粉煤灰在混凝土中，當(dāng)Ca(OH)2薄膜覆蓋在粉煤灰顆粒表面上時(shí)，就開(kāi)始發(fā)生火山灰效應(yīng)。但由于在Ca(OH)2薄膜與粉煤灰顆粒之間存在著水解層，鈣離子要通過(guò)水解層與粉煤灰的活性成分反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物在層內(nèi)逐漸聚集，水解層未被火山灰反應(yīng)產(chǎn)物充滿(mǎn)到某種程度時(shí)，不會(huì)使強(qiáng)度有較大增長(zhǎng)。隨著水解層被反應(yīng)產(chǎn)物充滿(mǎn)，粉煤灰顆粒和水泥水化產(chǎn)物之間逐步形成牢固聯(lián)系，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度、不透水性和耐磨性的增長(zhǎng)，這就是摻粉煤灰的混凝土早齡期強(qiáng)度較低，后齡期強(qiáng)度增長(zhǎng)較多的主要原因。

　?。┧療嵝?yīng)。混凝土中水泥的水化反應(yīng)是放熱反應(yīng)。在混凝土中摻入粉煤灰可以降低水化熱，原因是減少了水泥的用量。水化放熱的多少和速度取決于水泥的物理、化學(xué)性能和摻入粉煤灰的量。

　　由于近年來(lái)大型、超大型混凝土結(jié)構(gòu)的建造，構(gòu)件斷面尺寸相應(yīng)增大；混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)提高，使所用水泥等級(jí)提高，單位用量增大；又由于實(shí)行水泥新標(biāo)準(zhǔn)后，使早強(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)致混凝土硬化過(guò)程溫升明顯加劇，溫峰升高。在達(dá)到溫峰后的降溫期間，混凝土產(chǎn)生溫度收縮（也稱(chēng)熱收縮）引起彈性拉應(yīng)力；另一方面混凝土的水灰比（水膠比）降低，早期水化加快，混凝土的彈性模量隨強(qiáng)度提高而增大，進(jìn)一步加劇彈性拉應(yīng)力增長(zhǎng)。這是導(dǎo)致近些年來(lái)許多結(jié)構(gòu)物在施工期間，模板剛拆除時(shí)就發(fā)現(xiàn)大量裂縫的原因。這種硬化混凝土早期出現(xiàn)的裂縫往往深而長(zhǎng)，為了防止可見(jiàn)裂縫的出現(xiàn)，通常采取外包保溫的方法，以減少內(nèi)外溫差，因而被認(rèn)為是有效措施得到迅速推廣。但卻忽略了，由于外保溫阻礙了混凝土水化熱的散發(fā)，進(jìn)一步加劇體內(nèi)的溫升，使混凝土體內(nèi)溫度繼續(xù)升高，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)化為大量分散的不可見(jiàn)裂縫，它們將為侵蝕性介質(zhì)提供通道，影響結(jié)構(gòu)的使用功能。

　　與純水泥混凝土一樣，摻粉煤灰的混凝土由于水泥的水化隨本體溫度升高而加快，強(qiáng)度發(fā)展也因此加快。這使得粉煤灰混凝土，包括大摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度發(fā)展在低水膠比的條件下，很快通過(guò)最初的緩慢凝結(jié)與硬化期，強(qiáng)度的發(fā)展迅速加快。有研究資料表明摻適當(dāng)比例的粉煤灰后，不僅溫升可以降低，使混凝土因溫度收縮和開(kāi)裂的危險(xiǎn)減少，同時(shí)由于溫升相同，其抗壓強(qiáng)度在3d之前就超過(guò)了不摻粉煤灰類(lèi)混凝土。

　?。ㄆ撸﹥鋈谀途眯孕?yīng)。當(dāng)粉煤灰質(zhì)量較差、粗顆粒多、含碳量高時(shí)，都會(huì)對(duì)混凝土抗凍融性有不利影響。質(zhì)量差的粉煤灰隨摻量的增加，其抗凍融耐久性劇烈降低。但當(dāng)摻用質(zhì)量較好的粉煤灰同時(shí)適當(dāng)降低水灰比，則可以收到改善抗凍融耐久性的效果。試驗(yàn)資料表明，摻粉煤灰的混凝土水灰比在0.50以下，粉煤灰摻量在30%以?xún)?nèi)，混凝土抗凍融耐久性降低較少。此外，摻粉煤灰的混凝土只要抗壓強(qiáng)度與含氣量與不摻粉煤灰的混凝土相同，即在等強(qiáng)度、等含氣量條件下，摻粉煤灰混凝土與不摻粉煤灰混凝土具有相等的抗凍融耐久性。關(guān)鍵在于混凝土引氣后硬化混凝土中存在均勻分布的微氣孔，這些微氣孔在混凝土受凍時(shí)可容納水結(jié)冰時(shí)所增大的部分體積。使混凝土免于因冰脹作用而破壞。

　?。ò耍┨炕弯摻钭桎P效應(yīng)。通過(guò)長(zhǎng)期研究和工程實(shí)踐，尤其是近年來(lái)的工程調(diào)研資料表明，防止摻粉煤灰混凝土炭化，首要因素是確保粉煤灰混凝土的密實(shí)度。密實(shí)度差的不摻粉煤灰的混凝土同樣有碳化問(wèn)題。研究和調(diào)查結(jié)果表明，當(dāng)用礦渣水泥摻15%粉煤灰，普通水泥摻20%粉煤灰，硅酸鹽水泥摻25%粉煤灰時(shí)，采用超量取代法設(shè)計(jì)混凝土配合比，滿(mǎn)足等稠度和等強(qiáng)度的要求時(shí)，摻粉煤灰的混凝土抗碳化性能、鋼筋銹蝕性能與不摻粉煤灰混凝土相比均明顯增大。

　　過(guò)去曾有人提出，粉煤灰含硫是否會(huì)使粉煤灰混凝土中的鋼筋銹蝕加重問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者認(rèn)為：

　　1、只要混凝土里面的石灰不被溶出，保持堿性環(huán)境，鋼筋周?chē)湍鼙３忠粚託溲趸F保護(hù)膜，阻止與氧氣滲入到鋼筋表面，保護(hù)鋼筋不致銹蝕?；炷林袚接玫姆勖夯覍?shí)質(zhì)上沒(méi)有改變這種堿性環(huán)境。

　　2、混凝土中摻用的粉煤灰，因產(chǎn)生火山灰-石灰反應(yīng)而提高了混凝土的抗?jié)B性?；鹕交夷z還可以減少混凝土中的石灰溶出量。

　?。ň牛┓勖夯遗c堿-骨料反應(yīng)產(chǎn)生的效應(yīng)。堿-骨料反應(yīng)是骨料中的活性氧化硅和水泥中的堿發(fā)生反應(yīng)生水化硅酸鈣凝膠體，體積增大，導(dǎo)致混凝土的膨脹和開(kāi)裂。當(dāng)向混凝土中摻入粉煤灰后，粉煤灰和水泥中的堿反應(yīng)，能夠防止這種過(guò)度的膨脹?？梢?jiàn)，粉煤灰對(duì)抑制混凝土中的堿-骨料反應(yīng)是有利的。

　　二、粉煤灰在我市的應(yīng)用情況

　　（一）粉煤灰在我市應(yīng)用現(xiàn)狀

　　1、基本情況

　　目前我市粉煤灰資源比較豐富，青島電廠(chǎng)、黃島電廠(chǎng)、海灣集團(tuán)和熱電集團(tuán)公司等單位，年粉煤灰排量達(dá)150萬(wàn)立方米以上。粉煤灰排灰方式為濕排和干排兩種，近幾年各排灰單位充分認(rèn)識(shí)到粉煤灰的利用價(jià)值，經(jīng)技術(shù)改進(jìn)已全部從過(guò)去的濕排改為干排，提高了粉煤灰的利用率。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)用于混凝土中的粉煤灰約占總量的12%，作為混合材摻入水泥中的粉煤灰約占總量的25%，出口約占總量的14%，其余的主要用于新型墻體材料、保溫材料、市政工程的路基、路沿石、路面磚、混凝土排水管和銷(xiāo)往省內(nèi)外其他地區(qū)，目前除濕排在海灘的粉煤灰還有待于繼續(xù)開(kāi)發(fā)利用外，干排的利用率達(dá)到100%。

　　2、在我市混凝土工程中的應(yīng)用案例

　　由于粉煤灰在混凝土中能夠產(chǎn)生非常好的技術(shù)效應(yīng)，特別適用于預(yù)拌混凝土攪拌站工廠(chǎng)化生產(chǎn)條件，被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)識(shí)。預(yù)拌混凝土在生產(chǎn)過(guò)程中，電攪拌站依據(jù)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-91）、《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GBJ146-90）、《港口工程粉煤灰技術(shù)規(guī)程》（JTJ/T273-97）、《粉煤灰在混凝土和砂漿中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ28-86）等粉煤灰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和工程設(shè)計(jì)要求，在預(yù)拌混凝土中摻入一定量粉煤灰，減少水泥用量10-20%以上仍能滿(mǎn)足《預(yù)拌混凝土》標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，并將摻入一定量粉煤灰的預(yù)拌混凝土用于我市的公共建筑、高層建筑、市政路橋、港口、機(jī)場(chǎng)等工程，如前灣港的泊位、堆場(chǎng)、道路等約30余萬(wàn)立方米混凝土，均采用超量取代水泥15%左右，經(jīng)多年使用觀察，混凝土質(zhì)量穩(wěn)定。再如數(shù)碼港工程主體澆筑的混凝土，采用超量取代水泥15-25%以上，混凝土質(zhì)量穩(wěn)定。還有城陽(yáng)立交橋工程，同樣采用超量取代水泥15-20%以上，經(jīng)多年觀察使用混凝土質(zhì)量也非常穩(wěn)定。

　　（二）應(yīng)用于預(yù)拌混凝土的前景

　　目前預(yù)拌混凝土技術(shù)已經(jīng)在我市七區(qū)得到較為廣泛的推廣應(yīng)用，而粉煤灰作為摻合料被普遍用于預(yù)拌混凝土中，其用量隨預(yù)拌混凝土生產(chǎn)量增長(zhǎng)而增加。尤其是2003年國(guó)家商務(wù)部、公安部、建設(shè)部、交通部四部出臺(tái)了《關(guān)于限期禁止在城市城區(qū)現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土的通知》，要求全國(guó)124個(gè)城市（包括青島市）從2003年12月31日起禁止現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土，此政策將對(duì)預(yù)拌混凝土技術(shù)的推廣應(yīng)用起到助推作用，由此會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大粉煤灰應(yīng)用的范圍和用量。因此，粉煤灰在混凝土工程中會(huì)有較好的應(yīng)用前景。

　　通過(guò)以上的大量實(shí)踐證明，合理的應(yīng)用粉煤灰配制混凝土，可以充分的利用資源，防止環(huán)境污染，降低建筑能耗和工程成本，改善混凝土性能、確保工程質(zhì)量。因此，對(duì)粉煤灰的合理應(yīng)用，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。