粉煤灰混凝土与粉煤灰砂浆－概述

第三章　粉煤灰混凝土与粉煤灰砂浆

    在第一章叙述粉煤灰的特性时提到粉煤灰具有火山灰活性。所谓“火山灰活性”是指其能在常温下与石灰起化学反应生成具有胶凝性能的水化产物的性能。由于硅酸盐水泥在水化过程中要产生游离石灰（以氢氧化钙的形式存在），对混凝土性能弊多利少，而粉煤灰的火山灰活性使其能与这些游离石灰结合生成新的胶凝物质，制成比普通混凝土性能优良的优质混凝土。因此，在混凝土中掺入粉煤灰，不但能部分代替水泥，降低工程造价，而且能改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土的理想掺合料。在现代混凝土中，粉煤灰已经与水泥、集料、水、外加剂同样重要，成为混凝土的一个重要组份。粉煤灰高性能混凝土是以耐久性为主要目标进行设计的混凝土。它以优异的耐久性（而不一定是高强度）为主要特征，也就是说，任何强度等级的混凝土都可以做成高耐久性混凝土。

我国已故工程院资深院士吴中伟同志在其支世前不久发表的著名文章：“高性能混凝土——绿色混凝土”中指出：“水泥混凝土作为较大宗人造材料，其资源、能源与环境问题十分突出，必须及早解决，否则将成为不可持续发展的材料。尤其在中国，人口众多，水泥混凝土的需量特大，而资源并不富裕，环境问题也十分突出。为解决这些问题，混凝土的生产及施工技术必须从原始落后的，以消耗大量资源、能源为代价的粗放生产经营方式，向大量节约资源、能源，减轻地球环境负荷及维护生态平衡的具有较新、较高技术水平的生产经营方式发展。”吴中伟院士接着指出：要达到上述目标，必须发展绿色高性能混凝土（GHPC）。他对“绿色”的涵义根括为：

（1）节约资源、能源；

（2）不破坏环境，更应有利于环境；

（3）不破坏环境，既要满足当代人的需要，又不危害后代人满足其需要的能力。

他认为，“高性能混凝土”应具有以下特征：

（1）更多地节约孰料水泥，降低能源与环境污染；

（2）更多地掺加工业废料为主的细掺料；

（3）更大地发挥混凝土的高性能优势，减少水泥与混凝土的用量。

基于上述对“绿色”和“高性能混凝土”的认识，发展粉煤灰混凝土就是发展绿色高性能混凝土，是实施可持续发展战略的重要举措。

第一节　概述

　　一、粉煤灰在高性能混凝土中的作用机理

　　过去，我们认为粉煤灰只是一种节约水泥的混合材，掺入粉煤灰将使混凝土强度降低，以至于人们总是以消极的态度对待粉煤灰在混凝土中的应用，认为在混凝土中掺入粉煤灰是以降低强度为代价的。但是，自从20世纪80年代后期高性能混凝土开始发展并获得广泛应用后，粉煤灰的作用发生了变化。高性能混凝土的特点是：胶凝材料用量大，水胶比低，利用高效减水剂来获得较大的流动性。在这种混凝土中，如果不掺粉煤灰，由于拌和用水量小，使早期水泥水化的水分不足，不能充分发挥全部胶凝材料的活性作用，而且由于会产生较大的水化热，不利于形成完好、密实的混凝土结构。掺入粉煤灰后，正好解决了上述问题，也就是说，掺入粉煤灰可以改善早期水泥的水化条件，提高混凝土的工作性，发送水泥与外加剂的相容性，降低水化热，使混凝土形成密实的内部结构。因此，粉煤灰不是水泥的替代物，而是混凝土的一个独立组份，使用它的目的在于提高混凝土的某一种或某一些重要性能。

对于粉煤灰在高性能混凝土中的作用机理，清华大学土木工程系覃维祖教授通过研究作出如下解释：

长期以来，混凝土通常是在水灰比（或水胶比）相当大的条件下制备的（例如W/C≥0.6），这时浆体中水分所占体积大约为2/3，而悬浮在其中的水泥颗粒仅占1/3，因此需要大量的水化生成物填充于骨料与水泥颗粒的间隙，才能将其粘结为一个整体。在这种情况下，水泥的水化活性是决定性因素：水化活性越大，意味着水化速率越快，水化生成物越多，胶凝性能也越好，活性高的水泥有充分水化条件，生成大量的凝胶与结晶，满足填充空隙的需要。因而在用粉煤灰作水泥替代材料时，通常首先考虑它们的水化活性大小，即填充空隙的能力。粉煤灰与水泥水化释放的氢氧化钙反应，形成低钙C-S-H的过程本来就缓慢，要3~7d才开始；加上氢氧化钙通过表面水化生成物层向内部扩散十分困难，因此在混凝土拌和后相当长时间里，粉煤灰的水化产物依然不多，填充空隙的能力差，宏观表现为混凝土强度在一定龄期里随粉煤灰掺量大呈线性下降。

在混凝土拌和物的水胶化比（水灰比）可以大大降低的情况下（例如W/C≈0.30），水泥颗粒或水泥掺合料颗粒的间距明显减小，需要填充空隙的消化生成物量也随之大大减少。高活性的水泥与掺合料迅速的水化，很快地消耗掉体内本来较少的水分，因此，供水不足成为影响它们充分水化的主要矛盾。当然如果能及时从外界补充水分，体内缺水可以缓解，然而实际情况是通常不可能及时而充分地补充水分；同时，在低水灰比情况下混凝土泌水明显减少乃至基本消失，体内的毛细孔在很短时间里被水化生成物填充而阻塞，使外界水分也没有进入混凝土的通道，致使水泥与掺合料无法充分水化，留下大量未水化的颗粒内芯。虽然内芯与水化产物的界面粘结强度很好，但因为硬化水泥浆体内大量微孔缺水，会使其自身收缩明显增大，加上由于早期温升加剧导致较大的温度收缩。在这种收缩变形、环境温湿度变化、荷载等因素形成的应力叠加作用下，混凝土的微结构和性能产生不利的变化，其中较常见的现象就是宏观裂纹，外界水分和浸蚀性介质沿裂缝侵入，并逐渐延伸、扩展，给本来密不透水的混凝土结构带来危害。

掺入粉煤灰后以上问题得到了解决。由于粉煤灰水化较缓慢，混凝土拌合物的初始水灰比实际要大得多（水胶比一定的条件下，粉煤灰掺量越多，它自然也就越大），这时高活性水泥的水化显然要比不掺粉煤灰的低水胶比的混凝土的水化迅速而充分，产生大量的水化生成物去填充相对较小的空隙，释放出的氢氧化钙则提供粉煤灰后续的水化，合混凝土随龄期增长日益密实，水泥石和骨料的界面得到显著加强（过渡区薄弱的氢氧化钙结晶大在减少），因此获得良好的力学性能和耐久性。虽然在拌合时，一部分水分会为粉煤灰所吸附，但是，在水泥水化消耗水分形成的湿度梯度作用下，粉煤灰内的水分会不同程度的倒汲出，对水泥的继续水化起了一种“内养护”的作用，这远比通常的外部养护作用更大、更均匀。

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