刘 刚

粉煤灰是火力发电厂煤粉在锅炉中燃烧后排出的灰色粉状废弃物，是一种具有活性的人工火山灰质材料。当前，其全球的产量约6.5亿t，其中超过50%未被利用，不是被长期堆积，就是被处理掉。只有很小比例的粉煤灰被当作一种高价值的资源材料，用作混凝土中的水泥组分材料。用粉煤灰大量替代水泥掺加到混凝土中不仅可以减少污染、节约能源、降低混凝土的经济成本，而且使混凝土的各方面性能得到改善。因此粉煤灰混凝土具有“绿色环保”的应用前景，能产生良好的经济效益和社会效益。

粉煤灰作为混凝土的矿物活性掺合料，具有形态效应、活性效应和微集料效应。在显微镜下显示，粉煤灰中含70%以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地致密。这种形态能起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送混凝土，能起到良好的润滑作用，这就是粉煤灰的“形态效应”。因粉煤灰中的化学成分含有大量活性SiO2及Al2O3，在潮湿的环境中与Ca(OH)2等碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，对粉煤灰制品及混凝土能起到增强作用和堵塞混凝土中的毛细组织，提高混凝土的抗腐蚀能力，这是粉煤灰的“活性效应”。粉煤灰的“微集料效应”是指粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在水泥石中可以相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显改善和增强混凝土及制品的结构强度，提高匀质性和致密性。

1 粉煤灰对混凝土施工性能的影响

掺加粉煤灰可以改变混凝土和易性，增加混凝土粘性，减少离析与泌水，降低由于水化热带来的混凝土温度升高，减少或消除混凝土中碱集料反应，同时也可以节省水泥用量。

1.1 和易性

粉煤灰混凝土中胶凝物质——水泥和粉煤灰数量要比水泥混凝土多。粉煤灰比重较轻，同样重量粉煤灰的体积大于水泥的体积，胶凝材料的浆体体积增加将使混凝土有较好的塑性和较好的粘性，粉煤灰的球形颗粒将有利于混凝土的流动性能，这些使混凝土的和易性得到改善。

1.2 泌水

粉煤灰含有较多的微细颗粒，有助于截断混凝土内泌水通道，降低混凝土的泌水率。

1.3 改善泵送性能

粉煤灰与水泥细度相近或比水泥还细，粘聚性强，提高了抗离析能力，提高了混凝土的稳定性，保持混凝土可泵性和匀质性。掺加粉煤灰的混凝土坍落度损失小，凝结时间延长，从而延长了允许的运送时间和运送距离，扩大了泵送混凝土应用范围，不仅改变混凝土的泵送性能，而且还可以延长泵送机械使用寿命。

1.4 减少碱—骨料反应

碱—骨料反应是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应，生成吸水产物，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。发生碱骨料反应需要具备三个条件:

1)混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高;

2)骨料中有相当数量的活性成分;

3)潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。粉煤灰取代部分水泥，不仅能降低混凝土的有效含碱量，还能产生物理化学作用，抑制碱—骨料反应。

2 粉煤灰的掺加对混凝土力学性能的影响

混凝土的力学性能一般包括:强度指标、弹性模量等性能，而强度指标是其中最重要的力学性能。通常研究中把混凝土的7 d和28 d的抗压强度以及劈拉强度作为衡量混凝土力学性能是否合格的最重要的指标，弹性模量也是比较重要的指标。随着粉煤灰的掺入，混凝土的早期强度会比不掺粉煤灰的普通混凝土的强度低，但是其增长速率快，到中后期会达到甚至超过普通混凝土。与工作性能相似，掺入不同量的粉煤灰对混凝土强度也有较大的影响:随着粉煤灰掺量增加，混凝土的表观密度减小，混凝土早期强度随着粉煤灰掺量而变化，当掺量较低(在20左右)时，对7 d强度影响不大，而当掺量较高(＞30)时，早期强度明显降低;而掺加粉煤灰混凝土后期强度增长较快，而且在一定范围内(＜50)随粉煤灰掺量增加而增大。然而，在掺加粉煤灰后，混凝土劈裂抗拉强度的提高幅度不如抗压强度提高的幅度大，因此，劈拉强度成为限制粉煤灰混凝土抗拉性能的一个重要因素。在弹性模量方面，掺粉煤灰混凝土的弹性模量较普通混凝土略高，但随粉煤灰掺量的增大而降低。此外，由于粉煤灰的掺入，会使混凝土的早期强度和极限拉伸值过低，有可能使混凝土无法承受早期的温度应力和干缩应力而导致结构出现裂缝。在混凝土中掺入粉煤灰替代水泥，可以有效提高混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性模量等力学性能，但要进行反复实验，以确定其最佳掺量。此外，在施工中还要注意掺粉煤灰混凝土早期强度较低的特点。

3 粉煤灰混凝土的耐久性能

3.1 抗渗性、抗冻性

在粉煤灰掺量很高的情况下，混凝土仍具有良好的抗渗性能。粉煤灰混凝土优良的抗渗性能为实验和工程实践所证实，如有防水要求的建筑工程，常采用掺加粉煤灰的措施来提高混凝土的抗渗性能。混凝土的抗冻性与混凝土的抗拉强度、孔隙率和孔隙结构特征有关。混凝土的抗拉强度高，孔隙率低，孔隙细小不连通，其抗冻性就好。粉煤灰恰恰改善了混凝土这几方面的性能，使混凝土的抗冻性提高。高掺量粉煤灰混凝土亦具有适宜的气孔参数及令人满意的抗冻性;但与普通混凝土相比，其抗盐冻剥蚀性能较差。

3.2 耐蚀性

粉煤灰混凝土耐溶出性侵蚀、酸性侵蚀和盐类侵蚀的能力增强。其效应如下:

1)粉煤灰使混凝土的密实度提高，阻止了软水和腐蚀介质的渗透;

2)粉煤灰混凝土中水泥水化产物Ca(OH)2的量少;

3)粉煤灰使高盐基的水化铝酸钙水解成为极限石灰浓度较低的低盐基水化铝酸钙，因而消除或减少了高硫型水化硫铝酸钙形成的可能性，更易形成低硫型水化硫铝酸钙。低硫型水化硫铝酸钙在远离含铝固相表面的液相中以分散状析出结晶，填充原来的充水空间，不仅不会产生有害的内应力，而且还可作为水泥石的有效组织结构，增强水泥石的密实性和强度。

3.3 碳化

粉煤灰对混凝土碳化的影响具有两面性:一方面，粉煤灰的取代效应和二次反应使混凝土中Ca(OH)2的量减少，碳化进程加快，这是不利的一面;另一方面，粉煤灰的微集料效应使混凝土孔隙细化，结构致密，阻止CO2和水的渗透，延缓了碳化进程。粉煤灰混凝土综合抗碳化性能有所提高，有利于保护钢筋表面的钝化膜。

3.4 钢筋防锈

粉煤灰混凝土因密实性提高，孔隙结构改善和水化产物的变化，具有较高的抗氯离子渗透能力和较高的电阻抗，从而有效地抑制氯离子对钢筋的电化学锈蚀及杂散电流对钢筋的腐蚀，使混凝土对钢筋的保护能力提高。

3.5 碱骨料反应

水泥中强碱含量高、活性骨料和水的存在是碱骨料反应发生的充要条件。粉煤灰结合了水泥中95%的强碱，且不会浸出，破坏了产生碱骨料反应的条件，消除或减轻了碱骨料反应的危害。

此外，粉煤灰还能提高混凝土的耐磨性和耐热性。

4 结语

粉煤灰作为燃煤电厂的副产品，量大且来源稳定，如果利用不好，不仅占地、占水域，而且污染环境。对于工程中添加粉煤灰作为混凝土的成分，不但节约了成本，而且提高了混凝土的强度，明显改善混凝土的工作性、力学性能和耐久性。由于粉煤灰混凝土的性能较好，在各种大大小小的工程中应用变得日益广泛，具有显著的技术、经济和社会效益。

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