粉煤灰在混凝土中應用現狀

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摘要：基于粉煤灰資源的綜合利用，從粉煤灰的特性、物理及化學性質入手，總結了粉煤灰混凝土在建筑行業的研究成果，探討了粉煤灰對混凝土相關性能的影響，同時也簡要地探討了進一步研究的方向。

關鍵詞：粉煤灰；混凝土；力學性能

0引言

粉煤灰是煤燃燒后的固體廢渣，主要來自火力發電，它會破壞生態環境，因此早在上世紀20年代國外一些學者開始了對粉煤灰的研究和利用［1］。美國學者R.E.戴維斯（Davis）在1935年首次對粉煤灰應用到混凝土中進行研究［2］。研究發現混凝土的性能不僅可以得到改善，而且還可以節約水泥用量。在之后不到五十年的時間，粉煤灰混凝土得到了廣泛應用。由于經濟條件、自然環境、科學水平及粉煤灰自身性質的原因，許多國家在粉煤灰的利用率上存在較大差異。我國是在改革開放初期才開始將粉煤灰應用在混凝土中，沈旦申［3］是我國率先對粉煤灰混凝土研究的學者。他撰寫發表了《蒸養粉煤灰砌塊的生產和應用》《粉煤灰效應的探討》和近代具有技術指導意義的《粉煤灰混凝土》等三十多篇論文和著作；錢覺時［4］等研究了適量的熟石灰可以增加粉煤灰混凝土的抗碳化能力；金祖權［5］等建立了大摻量粉煤灰混凝土抗碳化能力的壽命預測模型。我國混凝土在粉煤灰的利用率上還有上升空間，在混凝土中利用粉煤灰不僅能夠保護生態環境，還能生產出綠色高性能混凝土，具有較好的生態效益和社會效益。

1粉煤灰的性質

粉煤灰主要收集于電廠高溫燃燒煤炭排放的煙氣中，其性質與火山灰相似，又稱飛灰［6］。

1.1物理性質

粉煤灰是一種外觀和水泥相近的混合物，顏色一般在乳白色和灰黑色之間，平均直徑大概在2.5μm，其基本物理性質見表1［7］。

1.2化學性質

不同地方不同的粉煤灰的化學成分其含量是不一樣的，其主要氧化物組成為：SiO2(1.3%~65.76%)、Al2O3(1.59%~40.12%)、Fe2O3(1.5%~6.22%)、CaO(1.44%~16.8%)、MgO(1.2%~3.72%)。美國ASTM將其分為兩種類型：F類(SiO2+Al2O3+Fe2O3≥70%，具有火山灰活性)和C類(SiO2+Al2O3+Fe2O3≥50%，具有水硬性)［8］。由于SiO2和Al2O3含量較高，其水化活性比較好。

2粉煤灰混凝土

粉煤灰混凝土的定義［9-10］：“摻入一定量粉煤灰的水泥混凝土”,對于粉煤灰取代水泥的最大限量、粉煤灰的摻用方法及使用要求、粉煤灰混凝土的各項性能指標以及配合比設計都有明確的規定，其質量也應符合GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的規定。

2.1粉煤灰對混凝土的影響

粉煤灰是活性材料，能夠改善水泥砂漿和粗骨料間的薄弱界面，從而提高混凝土的力學性能。一定摻量的粉煤灰替代水泥制成混凝土提高混凝土性能，粉煤灰的細度越小，球形顆粒越多，它的含碳量就越低，活性就越高，需水量就越少。2.1.1粉煤灰混凝土的水化反應原始狀態的粉煤灰表面相對粗糙，形狀并不規則且會粘連在一起，對改善混凝土性能有一定難度。采用球磨機對這種粉煤灰進行球磨，可打破原本結構的排列方式，使其顆粒重排改變顆粒級配，增大反應面積。但是，粉煤灰當中還有并未燃燒完的部分，是一種對混凝土有害的物質，粉煤灰在水泥中的水化反應稱為火山灰反應，生成低堿度的C-S-H凝膠，火山灰反應會降低水化的生成物濃度，有利于水化反應進行，同時生成的其他低堿性產物會填充空隙，對混凝土的密實度有更好的改善作用。水泥熟料中的水化反應如下［11］：3CaO·SiO（硅酸三鈣）+nH22O→xCaO·SiO·yH22O(水化硅酸鈣凝膠)+(3-x)Ca(OH)2(氫氧化鈣晶體)x=1.5~2.02CaO·SiO2(硅酸二鈣)+nH2O→xCaO·SiO·yH22O(水化硅酸鈣凝膠)+(2-x)Ca(OH)2(氫氧化鈣晶體)x=1.5~2.0粉煤灰在自然養護條件下的水化反應如下：SiO2+xCa(OH)2+(n-1)H2O→xCaO·SiO·nH22O(I型水化硅酸鈣凝膠)x=0.8~1.5A12O3+3Ca(OH)2+3H2O→3CaO·A12O3·6H2O(水化鋁酸鈣)粉煤灰在混凝土中的二次水化作用不僅可以提升混凝土的密實度，還可以提高混凝土的抗滲性和抗硫酸的侵蝕性。2.1.2粉煤灰對混凝土性能的改善作用（1）工作性能摻入粉煤灰的混凝土具有較好的流動性和黏聚性，可以保證較好的工作性能和水膠比。（2）抗裂性能摻入粉煤灰的混凝土不僅可以減少水泥用量，降低成本，而且還可以減少水的用量。隨著粉煤灰的增加，混凝土的熱膨脹系數會減小，減少水化放熱，可以降低施工時溫度差導致的結構裂縫，有助于改善其抗裂性能；摻入粉煤灰后的混凝土可以有效抑制堿骨料反應，減少混凝土的裂縫；此外，摻入粉煤灰的混凝土可以有效抑制混凝土的自收縮性能，減小混凝土由自身收縮引起的裂縫。（3）早期強度混凝土的早期強度會隨著粉煤灰摻量的增加而減小，這是因為起初粉煤灰并沒有參與水化反應，且因為粉煤灰的加入減少了初期水泥和水的用量，從而降低了混凝土的水化速度，延長了凝固時間，導致混凝土早期強度下降。改善混凝土早期強度可以有以下幾個辦法［12］：①適量加入粉煤灰，選擇合適的配合比，采用配量較低的水膠比，讓粉煤灰的使用效率達到最大化；②加入一定量的激發劑，從而破壞影響水化反應的化學鍵和分子結構，提高粉煤灰的化學活性；③摻入其他的摻合料使其充分混合，如硅灰、礦渣等，補充粉煤灰的性能缺陷；④加入適量的外加劑，使混凝土中的物質充分發揮作用使其達到更優的配合比；⑤使用蒸養養護或者濕熱養護。（4）抗碳化性能在混凝土中摻入粉煤灰，會因為二次水化反應減少Ca(OH)2含量，從而降低混凝土中的pH值，因此混凝土抗碳化性能也會隨之降低。粉煤灰混凝土的碳化深度和碳化時間會以正比例關系的形式出現［13］。龔洛書［14］等通過試驗發現，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土碳化深度也會隨之增加。可通過2種方法改善粉煤灰混凝土的抗碳化性能：①增加粉煤灰混凝土材料的堿性強度，加入熟石灰是增強粉煤灰混凝土堿性最好且最經濟的方法。②改善粉煤灰混凝土的抗滲性能。相關實驗證明［15］，養護方式的不同也會對粉煤灰混凝土的抗碳化能力有影響，延長養護時間和水養護的處理方式均可降低粉煤灰混凝土的碳化深度，提高抗碳化能力；預碳化再堿化的養護處理方式可有效降低粉煤灰混凝土和普通混凝土的碳化深度，提高抗碳化能力；摻入適量的HCSA膨脹劑也能提高粉煤灰混凝土的抗碳化能力［16］。（5）后期強度田志高［17］對粉煤灰分別進行了雙向排水和單向排水模擬試驗，發現充填的厚度越小，振密后的壓實度就會越大，充填質量越好，可以增強混凝土的后期強度。由于粉煤灰粒徑要比水泥小，作為摻合料替代水泥時，會填充水泥孔隙以增大密實度，并且使水灰比適當降低，其良好的吸水性和球形顆粒可以使混凝土具有更好的流動性，提高粘結性能，使結構更加致密，并且可以減小混凝土自重，隨著齡期的增加，會提高混凝土的后期強度。（6）耐久性摻入粉煤灰后的混凝土會減小水泥孔隙比，增大接觸面積，使混凝土更密實，同時粉煤灰二次水化反應的生成物會堵塞混凝土滲透通道，從而提高混凝土的抗滲性，防止部分有害混凝土介質的侵入，防止混凝土包裹的鋼筋銹蝕；其次會提高混凝土的抗凍性，降低混凝土開裂、脫落；減少與鋁酸三鈣水化物的反應，降低水泥中鋁酸三鈣導致的混凝土開裂，提高混凝土的抗侵能力和抗凍性能，顯著提高混凝土的耐久性。（7）用粉煤灰替代部分水泥會降低水泥的使用量，有效地降低了造價。

2.2粉煤灰混凝土待研究的問題及相關建議

（1）在摻入粉煤灰替代水泥的過程中，混凝土的各項性能的最優值所對應的配合比往往是不相匹配的，甚至完全有可能當某種性能達到最優的時候另外的性能已經在受影響了，造成粉煤灰混凝土性能的缺陷，很多學者只考慮了部分性能的最優配合比往往忽略了綜合性能的最優配合比。所以綜合性能最優配合比如何達到最大化是我們混凝土行業當下需要解決的問題。（2）粉煤灰混凝土抗壓強度雖然相比普通混凝土而言有所改善，但其強度依然不高。石墨烯和粉煤灰的結合對混凝土各項性能的研究目前看來還并沒有過多的涉足，相關研究發現［18］石墨烯的加入不僅可以促進粉煤灰混凝土的水化速率，提高早期強度而且可以顯著的提高混凝土的抗壓強度等，但是還有很多性能許多學者并沒有展開研究。就目前而言在粉煤灰中加入石墨烯是未來混凝土的新趨勢，它可以顯著提高混凝土的強度，制備新型高性能混凝土。（3）粉煤灰是疏水性質材料，其保水性能不足，在研究保水性能好而且又能增強力學性能的材料問題上，還未找到更好的方法。蚯蚓糞作為一種綠色高活性有機肥料，許多學者并沒有將其和混凝土聯系起來，將蚯蚓糞作為建筑行業新型材料無疑是一條新的路徑。首先，蚯蚓在消化過程中，會產生有機酸，有機酸與混凝土體系中的硅羧基發生化學鍵合，增強體系的力學性能，其次，蚯蚓糞具有良好的保水性能，可促進混凝土充分水化，從而提升體系的力學性能［19］。目前將蚯蚓糞應用在混凝土的研究還沒有展開。

3結語

粉煤灰作為一種具有火山灰性質的活性材料，已替代部分水泥。作為一種新興的建筑材料，粉煤灰的自身性能與水泥的結合在混凝土當中的應用與研究已經被許多學者領悟，僅僅將粉煤灰作為單一摻合料已經不能滿足混凝土行業的創新要求，未來將把粉煤灰作為主料，其他摻合料作為輔料及外加劑復合摻入水泥當中制做混凝土結構并研究混凝土各項性能；研究最適合的配合比滿足混凝土各項性能的要求。其次，還將對粉煤灰進行改良以獲得性能更好的環保混凝土。

作者:周濤 謝雷 單位:延邊大學結構工程土木工程研究室