粉煤灰混凝土與粉煤灰砂漿－概述

第三章　粉煤灰混凝土與粉煤灰砂漿

    在第一章敘述粉煤灰的特性時提到粉煤灰具有火山灰活性。所謂“火山灰活性”是指其能在常溫下與石灰起化學反應生成具有膠凝性能的水化產物的性能。由于硅酸鹽水泥在水化過程中要產生游離石灰（以氫氧化鈣的形式存在），對混凝土性能弊多利少，而粉煤灰的火山灰活性使其能與這些游離石灰結合生成新的膠凝物質，制成比普通混凝土性能優良的優質混凝土。因此，在混凝土中摻入粉煤灰，不但能部分代替水泥，降低工程造價，而且能改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土的理想摻合料。在現代混凝土中，粉煤灰已經與水泥、集料、水、外加劑同樣重要，成為混凝土的一個重要組份。粉煤灰高性能混凝土是以耐久性為主要目標進行設計的混凝土。它以優異的耐久性（而不一定是高強度）為主要特征，也就是說，任何強度等級的混凝土都可以做成高耐久性混凝土。

我國已故工程院資深院士吳中偉同志在其支世前不久發表的著名文章：“高性能混凝土——綠色混凝土”中指出：“水泥混凝土作為較大宗人造材料，其資源、能源與環境問題十分突出，必須及早解決，否則將成為不可持續發展的材料。尤其在中國，人口眾多，水泥混凝土的需量特大，而資源并不富裕，環境問題也十分突出。為解決這些問題，混凝土的生產及施工技術必須從原始落后的，以消耗大量資源、能源為代價的粗放生產經營方式，向大量節約資源、能源，減輕地球環境負荷及維護生態平衡的具有較新、較高技術水平的生產經營方式發展。”吳中偉院士接著指出：要達到上述目標，必須發展綠色高性能混凝土（GHPC）。他對“綠色”的涵義根括為：

（1）節約資源、能源；

（2）不破壞環境，更應有利于環境；

（3）不破壞環境，既要滿足當代人的需要，又不危害后代人滿足其需要的能力。

他認為，“高性能混凝土”應具有以下特征：

（1）更多地節約孰料水泥，降低能源與環境污染；

（2）更多地摻加工業廢料為主的細摻料；

（3）更大地發揮混凝土的高性能優勢，減少水泥與混凝土的用量。

基于上述對“綠色”和“高性能混凝土”的認識，發展粉煤灰混凝土就是發展綠色高性能混凝土，是實施可持續發展戰略的重要舉措。

第一節　概述

　　一、粉煤灰在高性能混凝土中的作用機理

　　過去，我們認為粉煤灰只是一種節約水泥的混合材，摻入粉煤灰將使混凝土強度降低，以至于人們總是以消極的態度對待粉煤灰在混凝土中的應用，認為在混凝土中摻入粉煤灰是以降低強度為代價的。但是，自從20世紀80年代后期高性能混凝土開始發展并獲得廣泛應用后，粉煤灰的作用發生了變化。高性能混凝土的特點是：膠凝材料用量大，水膠比低，利用高效減水劑來獲得較大的流動性。在這種混凝土中，如果不摻粉煤灰，由于拌和用水量小，使早期水泥水化的水分不足，不能充分發揮全部膠凝材料的活性作用，而且由于會產生較大的水化熱，不利于形成完好、密實的混凝土結構。摻入粉煤灰后，正好解決了上述問題，也就是說，摻入粉煤灰可以改善早期水泥的水化條件，提高混凝土的工作性，發送水泥與外加劑的相容性，降低水化熱，使混凝土形成密實的內部結構。因此，粉煤灰不是水泥的替代物，而是混凝土的一個獨立組份，使用它的目的在于提高混凝土的某一種或某一些重要性能。

對于粉煤灰在高性能混凝土中的作用機理，清華大學土木工程系覃維祖教授通過研究作出如下解釋：

長期以來，混凝土通常是在水灰比（或水膠比）相當大的條件下制備的（例如W/C≥0.6），這時漿體中水分所占體積大約為2/3，而懸浮在其中的水泥顆粒僅占1/3，因此需要大量的水化生成物填充于骨料與水泥顆粒的間隙，才能將其粘結為一個整體。在這種情況下，水泥的水化活性是決定性因素：水化活性越大，意味著水化速率越快，水化生成物越多，膠凝性能也越好，活性高的水泥有充分水化條件，生成大量的凝膠與結晶，滿足填充空隙的需要。因而在用粉煤灰作水泥替代材料時，通常首先考慮它們的水化活性大小，即填充空隙的能力。粉煤灰與水泥水化釋放的氫氧化鈣反應，形成低鈣C-S-H的過程本來就緩慢，要3~7d才開始；加上氫氧化鈣通過表面水化生成物層向內部擴散十分困難，因此在混凝土拌和后相當長時間里，粉煤灰的水化產物依然不多，填充空隙的能力差，宏觀表現為混凝土強度在一定齡期里隨粉煤灰摻量大呈線性下降。

在混凝土拌和物的水膠化比（水灰比）可以大大降低的情況下（例如W/C≈0.30），水泥顆粒或水泥摻合料顆粒的間距明顯減小，需要填充空隙的消化生成物量也隨之大大減少。高活性的水泥與摻合料迅速的水化，很快地消耗掉體內本來較少的水分，因此，供水不足成為影響它們充分水化的主要矛盾。當然如果能及時從外界補充水分，體內缺水可以緩解，然而實際情況是通常不可能及時而充分地補充水分；同時，在低水灰比情況下混凝土泌水明顯減少乃至基本消失，體內的毛細孔在很短時間里被水化生成物填充而阻塞，使外界水分也沒有進入混凝土的通道，致使水泥與摻合料無法充分水化，留下大量未水化的顆粒內芯。雖然內芯與水化產物的界面粘結強度很好，但因為硬化水泥漿體內大量微孔缺水，會使其自身收縮明顯增大，加上由于早期溫升加劇導致較大的溫度收縮。在這種收縮變形、環境溫濕度變化、荷載等因素形成的應力疊加作用下，混凝土的微結構和性能產生不利的變化，其中較常見的現象就是宏觀裂紋，外界水分和浸蝕性介質沿裂縫侵入，并逐漸延伸、擴展，給本來密不透水的混凝土結構帶來危害。

摻入粉煤灰后以上問題得到了解決。由于粉煤灰水化較緩慢，混凝土拌合物的初始水灰比實際要大得多（水膠比一定的條件下，粉煤灰摻量越多，它自然也就越大），這時高活性水泥的水化顯然要比不摻粉煤灰的低水膠比的混凝土的水化迅速而充分，產生大量的水化生成物去填充相對較小的空隙，釋放出的氫氧化鈣則提供粉煤灰后續的水化，合混凝土隨齡期增長日益密實，水泥石和骨料的界面得到顯著加強（過渡區薄弱的氫氧化鈣結晶大在減少），因此獲得良好的力學性能和耐久性。雖然在拌合時，一部分水分會為粉煤灰所吸附，但是，在水泥水化消耗水分形成的濕度梯度作用下，粉煤灰內的水分會不同程度的倒汲出，對水泥的繼續水化起了一種“內養護”的作用，這遠比通常的外部養護作用更大、更均勻。

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