摘要：混凝土在凝结硬化时由塑性状态转变为刚性状态过程中会放出大量的热，由于混凝土的导热性差，热量散发缓慢的特点，导致混凝土内部温度升高，产生体积膨胀；在降温过程中由于混凝土体积收缩，当混凝土受到基础约束时，使混凝土表面产生一定的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝。混凝土开裂不仅影响混凝土的强度，更重要的是降低了混凝土的耐久性。粉煤灰具有来源广泛、价格便宜的特点，使用它还可以减少污染，同时还可以提高混凝土的强度，具有很好的使用价值，因此对于粉煤灰在混凝土中的应用研究就越来越多。
关键词：粉煤灰；混凝土；作用效应；性能
一、粉煤灰的作用
粉煤灰是燃烧煤粉的锅炉排放出的一种粘土类火山灰质材料。目前我国电厂排放的粉煤灰以低钙灰为主，其主要成分为氧化硅、氧化铝及氧化铁，其含量约占粉煤灰的85%左右，氧化钙含量普遍较低，氧化镁及氧化硫的含量也较低。粉煤灰作为一种活性掺合料，具有一定的火山灰活性，能与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化反应。粉煤灰替代部分水泥用于混凝土中，能改善混凝土的和易性和耐久性，表现出粉煤灰的活性效应、形态效应、微集料效应和界面效应。
1.1和易性
对于有泌水或离析倾向的新拌混凝土拌合物，掺入细分散的颗粒，可以减小空隙的尺寸和体积，所以通常会使工作性得到改善。粉煤灰越细，为了增进新拌混凝土拌合物的粘聚性，也就是改善工作性所需要的掺加量就越少。粉煤灰的粒径细小，又呈玻璃态，故可能在给定稠度下降低需水量。
1.2火山灰反应
粉煤灰与氢氧化钙之间的反应称为火山灰反应。这个反应主要有三个特征：（1）反应是缓慢的，所以放热速率和强度发展也相应较慢；（2）反应消耗了氢氧化钙而并不是产生氢氧化钙，这对于水泥浆体在酸性环境中的耐久性有很重要的意义；（3）反应产物极为有效地填充了大的毛细空间，从而会使系统的强度和抗渗性能得到提高。
火山灰反应具有两种物理效应：（1）孔径细化；（2）粒径细化。在粉煤灰颗粒周围形成的次生水化产物（主要为水化硅酸钙），趋向于以微观上多孔也就是低密度的物质填充进大的毛细空隙。将一个含有大的毛细空隙的体系转化为包含无数微孔的微观上多孔的产物的过程，就称为“孔径细化”。同样，氢氧化钙在均匀分布的粉煤灰微粒周围成核结晶，也就是用无数取向性较弱的细小晶体以及结晶程度差的反应物置换了取向的氢氧化钙巨大晶体，将一个含有粗颗粒组分的体系转化成较小颗粒的产物的过程，即称为“粒径细化”。这两种孔径和粒径的细化过程都可使水泥浆体得到增强。从抗渗性和耐久性的角度看，火山灰反应对于混凝土的效果或许要比水化水泥浆体更为重要。因为过渡区存在微裂缝的缘故，混凝土的渗透性一般要比水泥浆体大得多。可以认为，孔径细化和粒径细化过程会强化过渡区，从而能减少微裂缝，提高混凝土的抗渗性。
1.3强度
掺入粉煤灰时，混凝土的早期强度随掺量的增加而降低，但后期强度会有较大幅度的增长。粉煤灰对混凝土强度的贡献随着龄期的增加而增加，随水胶比（水与水泥和粉煤灰总量之比）的降低而增加。粉煤灰对强度的贡献与水胶比的关系比水泥对强度的贡献与水灰比的关系还要敏感。28天以后，粉煤灰与水泥对混凝土强度的贡献的差距缩小，并随着水胶比的降低而显著；90天以后，二者相近；360天以后，则粉煤灰的贡献超过水泥的贡献；水胶比越低，粉煤灰的贡献越大。故加入粉煤灰后，应当相应降低水胶比，以保持早期强度不降低，并且后期强度有显著的增长，发挥粉煤灰的作用。其后期强度增长的主要原因是因为火山灰反应，导致孔隙细化并且用较强的产物（水化硅酸钙）置换了较弱的组分（氢氧化钙）的缘故。
1.4抗裂性
设大体积结构由于水化热在混凝土浇捣后一星期之内就达到了最高的温度，则掺用粉煤灰，就有可能使温升减小，可与替代水泥的数量成正比。这是因为在通常条件下，这些粉煤灰在几天之内不会发生明显反应的缘故。根据经验，可以认为有火山灰反应所产生的总的水化热，只是水泥平均值的一半左右。
当混凝土经受的温度比平常高得多时，不论是由于水化热还是其他原因，使用粉煤灰都会是有好处的。掺加粉煤灰的混凝土在经受高温时可能受热活化（即加速火山灰反应）得到好处，其强度经常总是有所增长。
1.5抗化学侵蚀
混凝土的抗渗性，是决定碱骨料的膨胀，以及酸和硫酸盐侵蚀等破坏性化学作用中质量传输速率的基本因素。因为粉煤灰所带来的火山灰反应可以使空隙细化，所以就能使混凝土的渗透性降低。混凝土中掺加粉煤灰大体上都能改善对酸性水、硫酸盐水和海水的抵抗能力，这主要是由于与火山灰反应同时发生的渗透性减小以及水化产物中氢氧化钙含量降低的缘故。就粉煤灰水泥来说，在水化水泥浆体中，由于稀释效应和火山灰效应两方面所导致的氢氧化钙量的减少，是使这些水泥所配置的混凝土对硫酸盐和酸性环境具有优异抵抗能力的一个原因。开始，随着养护时候的增长，水泥中的氢氧化钙含量由于其中的水泥水化而提高，以后则随着火山灰反应的进展即开始下降。硫酸盐侵蚀的速率依赖于透水性以及所存在的氢氧化钙和活性氧化铝相的数量。粉煤灰的加入降低了混凝土的渗透性，同时减少了氢氧化钙的量，因此增强了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性。同时粉煤灰通常能使碱骨料反应产生的膨胀有效地减小。
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二、粉煤灰在混凝土中的作用效应
粉煤灰在混凝土中主要有三个效应，即形态效应、活性效应和微集料效应。在早期主要是形态效应和微集料效应起作用，直到水泥水化后，其活性效应才逐渐占优势地位。
2.1形态效应。粉煤灰使用在混凝土中它会起到润滑的作用，由于粉煤灰具有颗粒状，它可以减少水泥的使用量，在同等条件是用下它可以增强混凝土的流动性。
2.2微集料效应。粉煤灰可以填充到混凝土的缝隙之中，提高混凝土的密度，在水泥凝固的工程中粉煤灰就会渗入到混凝土的毛细管之中，增强混凝土的密度。
2.3活性效应。在水泥水化过程中，除了产生水化硅酸钙（C-S-H）以外，还产生大量的游离氢氧化钙Ca（OH）2。而掺入粉煤灰以后，通过二次反应，不但可以减少或消除游离氢氧化钙，而且可以使胶凝物质（C-S-H）的数量大幅度增加，水泥石与集料的界面结构也得以改善。
三、粉煤灰对混凝土性能的影响
3.1强度。粉煤灰对混凝土强度的影响，根据粉煤灰品质的不同，其影响规律也略有不同。对优质的I级粉煤灰来说，在掺入量小于l0%时，不仅强度有所提高，而且早期强度也不下降。但当掺量超过一定值后，混凝土早期强度略有下降，但后期强度仍可高于不掺粉煤灰的基准混凝土。当水灰比较小时，低掺量粉煤灰对强度影响较显著，对高掺量粉煤灰影响率下降。
Ⅱ级粉煤灰是目前工程上用量最大的粉煤灰品种，对混凝土强度的影响规律基本与I级灰相似。只是早期强度比I级灰更低，即使掺量较小时，早期强度通常也低于基准混凝土。另一方面，由于Ⅱ级粉煤灰相对强度活性较小，对混凝土强度的贡献率低于I级粉煤灰，因此，再配合比设计时通常采用超量取代法，以保证混凝土的后期强度。
Ⅲ级灰也可以在混凝土工程中使用，但一般只用于低强度等级的混凝土结构，很少用于高强度等级的混凝土结构，特别是预应力混凝土结构，而烧失量和需水量比较小时，对混凝土性能改善作用还是较大的。
粉煤灰对混凝土强度的贡献可用掺合料的火山灰效应强度贡献率或掺料的活性指数来定量表征。根据文献[3]，单位活性矿物（1%的活性矿物掺料）所提供的火山灰效应强度贡献率定义为该掺料的活性指数，即：A=P火山/P掺
式中：P掺：活性矿物掺料掺量，%；P火山：掺料的火山灰效应强度贡献率，%。
P火山=R比火/R比掺×100%
式中：R比火：混凝土的火山灰效应比强度；R比掺：含掺料混凝土的比强度。
从式中可以看出，活性掺料的火山灰效应强度贡献率愈大，则其火山灰效应对混凝土强度的贡献愈大；活性掺料的活性指数愈大，则其火山灰活性愈高。
3.2水化热。有关实验和资料表明，掺用粉煤灰后，减少了水泥用量。若使混凝土减少水泥用量10kg/m3，则可使混凝土中的温度降低1.5℃―2.5℃；如减少50kg/m3，则可降低6℃―10℃。若425#矿渣水泥中同时掺入15%的粉煤灰和0.25%的木钙，可使热峰温度推迟，温度由47.95℃降至40.3℃；7天水化热由275.4J/g降至269.8J/g。由此可见在水泥中掺入粉煤灰，可以降低温度，减少温差，有利于防止和减少大体积混凝土裂缝的产生。
3.3抗渗、抗冻和抗裂性。影响混凝土抗渗和抗冻性能的因素很多，主要有以下几个因素：混凝土的密实度，密实度愈大，抗渗、抗冻性愈好；混凝土孔隙构造及数量，开口孔隙愈多，抗渗、抗冻性愈差；水灰比愈大，开口孔隙愈大，对抗渗、抗冻性愈不利。粉煤灰的“活性效应”、“形态效应”和“微集料效应”大大降低了混凝土的孔隙率，改变了混凝土的孔结构，提高了混凝土的抗渗性和抗冻性。
3.4抗碳化性。如果水泥用量不减少，再外掺粉煤灰取代部分砂子，这样的粉煤灰混凝土抗碳化能力就可以增加；当粉煤灰掺量不大于40%时，与矿渣粉复合使用，可以改善抗碳化性能。
结束语
粉煤灰混凝土应用技术和实践而言，不仅粉煤灰混凝土的应用技术成熟，而且工程应用粉煤灰混凝土的量大面广，社会经济综合效益显著。而西部偏远地区，经济不发达，技术落后，加上对粉煤灰混凝土应用的认识不够，粉煤灰混凝土在工程中的应用还寥寥无几。而且粉煤灰混凝土作为一种新型材料，由于其自身独特的优越性，不但给人类带来了显著的经济效益，而且还推动了在建筑业的发展。它必将以其优良的性能在保护环境、协调自然与人类关系等方面起到积极作用。
参考文献：
[1]鄢朝勇.低等级湿排粉煤灰在中低强度混凝土中的应用研究 2013.9
[2]岳洪涛，柯国军，杨晓峰等.低等级粉煤灰强度试验研究 2016.7
[3]崔军.湿排粉煤灰混凝土性能试验研究2011.4
论文作者:赵天龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第14期
论文发表时间:2018/7/9
标签：混凝土论文; 粉煤灰论文; 强度论文; 火山灰论文; 水化论文; 氢氧化钙论文; 效应论文; 《基层建设》2018年第14期论文;