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，但是當加水攪拌后，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1.6m1.6m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，其隧道襯砌曾嚴重地開裂，當時要求混凝土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（通常也就是唯一指標）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200200200mm減小到現(xiàn)在的100100100mm），經(jīng)規(guī)定齡期的標準養(yǎng)護（203；RH90%），然后在試驗機上破型得到的數(shù)據(jù)進行。Idorn7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（通常也就是唯一指標）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200200200mm減小到現(xiàn)在的100100100mm），經(jīng)規(guī)定齡期的標準養(yǎng)護（203；RH90%），然后在試驗機上破型得到的數(shù)據(jù)進行。Idorn6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)配筋曰益密集、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