大掺量粉煤灰混凝土的研究进展

大掺量粉煤灰混凝土的研究进展

吴坤

1 前言

混凝土是当代世界上最重要的建筑材料之一,被广泛应用于房屋建筑、交通运输、水利设施等基础工程中,甚至海洋开发、航天工业等特殊工程中也有它的足迹,为人类文明与建设做出了巨大的贡献。

水泥作为混凝土的重要组分,在生产过程中会产生大量废气,每生产一吨水泥熟料则会同时排放一吨CＯ

气体,造成环境污染、温室效应等不利影响。再加

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上,我国对水泥需求量逐年增加,当今世界发达的工业而产生的大量工业废渣，给环境造成极大的负担。因此,水泥的大量生产造成资源、能源与环境问题十分突出。考虑全球的可持续发展,迫切需要在混凝土中以辅助胶凝材料大比例替代水泥,其中以热电厂副产品粉煤灰是世界各国使用最多的一种首选辅助掺合材料。

目前,全世界粉煤灰年产量约为500亿吨。在我国粉煤灰是排放量最大的燃煤副产品之一,也是利用程度和利用水平最高的工业废渣之一，利用量排在世界各国前列,已广泛作为生产水泥基材料、烧结砖以及其它新型建筑材料制品的主要原材料。在所有粉煤灰应用中，它用在混凝土中不仅用量大，而且应用水平也比较高。在美国2０04年利用的粉煤灰中有5９%用在水泥及混凝土工程中,英国200３年利用的粉煤灰中71％用在水泥及混凝土工程中。

具有胶凝性质的粉煤灰作为矿物外加剂代替部分水泥配制高性能混凝土,在我国还有很大的发展空间和潜力。大力推广粉煤灰混凝土甚至大掺量粉煤灰混凝土,大幅度降低水泥熟料用量,有巨大的经济效应和社会效应及环境保护。

粉煤灰的主要作用可以包括以下几方面：1 ）填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层,由于粉煤灰的容重(表观密度)只有水泥的2／３左右,而且粒形好(质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠)，因此能填充得更密实,在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。2）对水泥颗粒起物理分散作用,使其分布得更均匀。当混

凝土水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分,使水泥水化得更充分。３) 粉煤灰和附集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应,不仅生成具有胶凝性质的产物（与水泥中硅酸盐的水化产物相同），而且加强了薄弱的过渡区,对改善混凝土的各项性能有显著作用。4）粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。

本文主要介绍国内外学者对大掺量粉煤灰混凝土研究的现状。粉煤灰作为排放量最大的工业废料,在我国目前的排放量每年已超过亿吨,虽然其利用率与国际一些发达国家相比我国仍处于前列，但利用水平较低。因此,任何提高粉煤灰利用率和利用水平的途径与技术都具有重大的环保意义和巨大的经济效益。粉煤灰作为混凝土掺合料用于土木、水利和海洋等工程领域是目前粉煤灰利用的主要途径,不仅经济效益明显,还具有其他材料无法替代的技术优势，特别是作为绿色混凝土的大掺量粉煤灰混凝土的快速发展更具有广阔的应用前景。而粉煤灰作为钢纤维混凝土的一种掺合料，具有增加灰浆量、节约水泥用量、改善混凝土拌和料的和易性及提高浆体对纤维的亲和性。粉煤灰的活性效应和微骨料效应使化学Ca OH：形成水硬性的胶凝物质,使粉煤灰颗粒与水泥浆体的界性质不稳定的()

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面结合，对水泥浆体和骨料的界面起致密的作用,提高混凝土的密实性。且粉煤灰的效应充分发挥后，混凝土后期强度及折压比有较大幅度提高。所以用粉煤灰替代部分水泥，对高性能混凝土的开发也是必要的技术措施,而且有利于环境保护,是绿色混凝土的可持续发展。

大掺量粉煤灰混凝土(Hiｇh Voｌume Fly Ａsh Conｃreｔe，简称HＶFAＣ)。目前，对大掺量粉煤灰混凝土(HVＦAC)尚没有统一的定义。HVFＡC的含义，根据我国几十年来在混凝土中粉煤灰取代水泥率15%左右而谈,粉煤灰取代水泥率30%以上(含30%)配制的混凝土,可称为HVFAＣ；但很多国家标准或规程都将粉煤灰掺量为40%作为上限，规定很多情况下粉煤灰掺量不可超过4０%，因此,也有研究者认为将粉煤灰掺量在40％以上的混凝土定义为HVＦAC较为合适。有些研究者认为，当胶凝材料粉煤灰比例超过水泥时,即粉煤灰掺量大于５0％时，其混凝土为HVFAC。也有研究者认为HVFAC的粉煤灰掺量一般在55%～7０%，即混凝土中粉煤灰比水泥用量还多。

2 国内外大掺量粉煤灰混凝土的研究现状

2.1大掺量粉煤灰早期强度

开发和实际使用大掺量粉煤灰混凝土进展缓慢有其客观原因。掺加粉煤灰,尤其在大掺量情况下,其早期性能难以达到工程要求。大量粉煤灰替代水泥后，混凝土的早期强度发展相当缓慢,但后期强度却能够提高很多,一般掺粉煤灰混凝土其强度在２8d 后到６个月这期间增长幅度比较大，1年后仍会继续增长,当其掺量较大(如50%，甚至70%)时，这种效应更加明显，粉煤灰对混凝土强度的贡献主要表现在后期,这样势必严重影响混凝土生产企业对大掺量粉煤灰混凝土生产的积极性,另外在某种程度上也会造成混凝土强度和材料的浪费，这与混凝土“绿色化”的真正目的是背道而驰的。再者,大掺量粉煤灰混凝土早期强度较低也将导致现场施工拆模时间延长,预制生产模板周转缓慢等不良后果。所以改善大掺量粉煤灰混凝土的早期强度已成当务之急。

针对大掺量粉煤灰混凝土早期强度相对较低的特点,可以从物理和化学角度提出改善大掺量粉煤灰混凝土早期强度的几种途径：机械活化粉煤灰是将原状粉煤灰经过装载小型球磨机进行“益化”处理后的粉煤灰。原状粉煤灰泛指未加工磨细的粉煤灰，原状粉煤灰经过机械活化后,均质性得到了较大改善。化学活化粉煤灰就是用化学激发剂来激发粉煤灰的活性。在粉煤灰混凝土中,常用的化学激发剂有24Na SO 、4CaSO 、2CaCl 等。对于低钙粉煤灰,掺入适量的24Na SO 、2CaCl 。在机械活化粉煤灰的基础上，加入化学激发剂称为复合活化粉煤灰。

粉煤灰品质是影响其早期强度发挥的主要内因。相同配比条件下,粉煤灰品质愈佳、颗粒级配愈合理，其早期的反应活性就越高。机械磨细作为传统的粉煤灰改性方法，在原状灰向商品灰的推广过程中起到了很重要的作用。

其中，粉煤灰经过磨细后，减弱或消除了需水量大结构疏松的碳粒、多孔的玻璃体及各种粘联体的不良影响。磨细粉煤灰表面有明显的擦痕,粗糙度增加,表面活性点增多;颗粒表面的硅、铝、钙分布均匀，可溶性氧化硅及氧化铝增多，粉煤灰通过磨细后,改善了粉煤灰总体均质性及颗粒级配。磨细粉煤灰还能促进水泥的水化反应。磨细粉煤灰由于其活性增强，在火山灰反应过程中消耗更多的