浅谈粉煤灰对混凝土强度的影响.

广东建材２００８年第４期１前言粉煤灰又称飞灰，是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出，被收尘器收集的物质，粉煤灰呈灰褐色，通常呈酸性，比表面积在２５００～７０００ｃｍ２／ｇ，尺寸从几百微米到几微米，通常为球状颗粒，我国大多数粉煤灰的主要化学成分为：ＳｉＯ２４０％～６０％；Ａｌ２Ｏ３１５％～４０％；Ｆｅ２Ｏ３４％～２０％；ＣａＯ２％～７％；烧失量３％～１０％。

此外，还有少量的Ｍｇ、Ｔｉ、Ｓ、Ｋ、Ｎａ等氧化物。

我国是产煤和烧煤大国，火电厂每年排放的粉煤灰总量逐年增长，预计２００５年排粉煤灰量约２亿吨左右，如果这些粉煤灰得不到利用，将污染环境，影响气候，破坏生态。

从目前有关资料来看，粉煤灰在建筑工程和基础工程的应用，是最主要的利用方式，也是提高其利用率的根本途径。

至今比较成熟的技术和已建成生产线的有：粉煤灰加气混凝土、粉煤灰混凝土、粉煤灰砌筑水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、粉煤灰粘土砖、粉煤灰硅酸盐砌块、粉煤灰地面砖、粉煤灰免烧砖、粉煤灰筑路和粉煤灰充填等，由此可见，开发研究以粉煤灰为掺合料的混凝土具有重要意义，配制粉煤灰混凝土是粉煤灰综合利用的主要途径之一［１］。

２粉煤灰的主要性质２．１火山灰效应粉煤灰的矿物相主要是铝硅玻璃体，含量一般为５０％～８０％，是粉煤灰具有火山灰活性的主要组成部分，其含量越多，活性越高，其矿物结构为硅氧四面体、铝氧四面体和铝氧三面体，该结构的聚合度很大，键能很高，因而在通常状态下，粉煤灰所表现出的活性很低。

粉煤灰的化学活性在于铝硅玻璃体在碱性介质中，ＯＨ－离子打破了Ｓｉ－Ｏ，Ａｌ－Ｏ键网络，降低了硅氧、铝氧聚合度，并与水泥水化产生的Ｃａ（ＯＨ）２发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，其化学方程式：ＸＣａ（ＯＨ）２＋ＳｉＯ２＋ｎＨ２Ｏ→ＸＣａＯ・ＳｉＯ２・ｎＨ２ＯＹＣａ（ＯＨ）２＋Ａｌ２Ｏ３＋ｍＨ２Ｏ→ＹＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・ｍＨ２Ｏ粉煤灰的火山灰活性表现出来的技术性质为：①反应是缓慢的，所以放热速率和强度发展也相应较慢。

②反应消耗了层状结构的Ｃａ（ＯＨ）２生成了致密结构的水化硅酸钙和水化铝酸钙，粒径细化有利于提高混凝土的强度。

③反应产物极为有效地填充了大的毛细空间，孔径细化使混凝土的强度和抗渗性能得到改善［２］。

２．２微集料效应细度是衡量粉煤灰品质的主要指标，通常用０．０８ｍｍ或０．０４５ｍｍ方孔筛余量表示。

粉煤灰的细度对混凝土的性能影响很大。

粉煤灰的颗粒越细，微小玻璃球形颗粒越多，比表面积也越大，粉煤灰中的活性成分也就越容易和水泥中的Ｃａ（ＯＨ）２化合，其活性就越高。

另外，随着细度的增加，粉煤灰的比重增大，标准稠度需水量减小，浆体的密实度及强度增大，同时，由于粉煤灰的密度小于水泥３０％以上，从而增加了灰浆体积，足量的灰浆填充在混凝土孔隙空间，覆盖和润滑骨料颗粒，增加了拌合物的粘聚力和可塑性，改善了混凝土的和易性，加上细小的粉煤灰颗粒可以填充未水化水泥颗粒空隙，形成更加密实的结构，这些都有利于提高混凝土的强度。

２．３形态效应优质的粉煤灰中的玻璃珠粒形完整，表面光滑，粒度较细，质地致密，多孔颗粒极少，因此在搅拌成型过程中不会大量吸水，使得水泥浆体的需水量降低，初始结构得到改善［３］。

同时粉煤灰中的球形颗粒在混凝土中起滚珠润滑作用，可以减少骨料之间，骨料与浆体之间的摩擦，改善拌合物的和易性来提高混凝土的强度。

３粉煤灰对混凝土强度的影响材料的强度取决于材料成分和内部结构，是材料中反应产物和孔隙率的综合体现。

混凝土材料的成分中起主导作用的是水泥石，而水泥石中起主导作用的是Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶。

即混凝土的成分中起关键作用的是Ｃ－Ｓ－Ｈ浅谈粉煤灰对混凝土强度的影响刘艳红何智海（湖南省郴州市建筑学校）摘要：利用粉煤灰配制粉煤灰混凝土是粉煤灰综合利用的主要途径之一。

本文主要介绍粉煤灰的主要性质以及它的早期激发对混凝土强度的影响。

关键词：粉煤灰；混凝土；强度水泥与混凝土３６－－广东建材２００８年第４期凝胶的数量，而混凝土材料的结构，即为三个层次的界面结构：粗骨料－水泥石界面结构、细骨料－水泥石界面结构和水泥颗粒之间的界面结构，三个层次的界面结构互相联系，但影响较大的是粗骨料－水泥石界面结构［４］。

３．１粉煤灰的二次水化反应粉煤灰中活性成分之所以能参与火山灰反应，在于粉煤灰颗粒中的玻璃相在碱性条件下可以破裂而溶出活性成分，然后得以与Ｃａ（ＯＨ）２反应生成Ｃ－Ｓ－Ｈ这种对强度有贡献的产物［５］。

有研究［６］表明：在混凝土中，粉煤灰的玻璃相在２８天前只发生表面蚀刻，而没有真正破裂溶出大量活性成分，２８天以后玻璃相中溶出的活性成分大大增加。

粉煤灰取代部分水泥以后，由于粉煤灰活性较低，而反应又是与水泥水化产物Ｃａ（ＯＨ）２发生的二次水化反应，因而生成Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶的速度较慢，这样在２８天以内，其水泥石中Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶的数量较少，从而引起强度的下降；２８天以后的初期水泥水化进行到一定程度，沉积在水泥颗粒表面的水化产物达到相当的厚度，未水化的那部分颗粒与水接触十分困难，水化进行的非常缓慢，水化生成的Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶数量增加得很少，因而此时，强度的增长仍有限，此时，粉煤灰主要发挥的是物理效应；达到９０天以后，粉煤灰的活性成分吸附的Ｃａ（ＯＨ）２逐渐的由物理吸附转变成化学反应，Ｃａ（ＯＨ）２的量大幅度下降，Ｃ３Ｓ及Ｃ２Ｓ相应减少，使水泥石在后期结构中Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶增加较多。

这就是掺入粉煤灰的混凝土，其早期强度降低而随龄期增长其强度快速增长的主要原因。

３．２粉煤灰的掺量就粉煤灰掺入混凝土多少，能够恰到好处地提高混凝土的使用寿命，一直是研究的一个热门课题。

粉煤灰掺入到混凝土中能在一定程度上促进水泥熟料的水化，一是通过降低溶液中的石灰浓度来加速熟料水化，二是粉煤灰表面可以吸附Ｃａ２＋，为Ｃ－Ｓ－Ｈ水化物的沉淀提供更多的场所，以加速Ｃ３Ｓ及Ｃ２Ｓ等矿物的水化和溶解［７］。

粉煤灰掺量较低时，粉煤灰的存在会加速水泥的早期水化，从而可以提高混凝土的早期强度，这里就存在一个粉煤灰的利用率较低的问题；但当掺量较大时，水泥水化产生的Ｃａ（ＯＨ）２不足以激发粉煤灰的活性，粉煤灰的密实填充效应和活性效应所带来的混凝土强度的增加并不能补偿因水泥用量减少而引起的强度下降。

同时有研究表明：掺粉煤灰的混凝土后期强度的增长率较高，并随着粉煤灰掺量的增加而增加。

９０天与２８天相比，其强度增长率为：不掺粉煤灰为５％～２０％，掺２０％粉煤灰为２０％～３５％，掺４０％粉煤灰为３５％～５０％。

当然后期强度的增长并非随粉煤灰掺量的无限增加而增大，这里有个最佳掺量的问题。

这个最佳掺量随着粉煤灰的成分、细度、颗粒结构形态以及所用水泥品种等不同而有差异。

据试验来说，对硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥来说，粉煤灰的最佳掺量以２０％～４０％为宜。

具体掺量均应该通过试验来确定。

混凝土中掺入粉煤灰以后早期强度有所降低，采用超量取代法可以较好地解决这一问题，因为这样可以增加水化物的总量和发挥微集料的密实填充效应，使混凝土强度得到一定提高。

３．３粉煤灰的掺入方式粉煤灰作为一种矿物掺合料用于混凝土中，可以采用不同的加入方式。

一种是内掺法，即在熟料粉磨时加入粉煤灰一起磨制得混合水泥；一种是外掺法，即在拌制混凝土时直接加入粉煤灰。

另外，还可采用双掺和三掺的方式将粉煤灰与其他混合材或者外加剂同时掺入混凝土中［８］。

采用内掺法时，由于粉煤灰与熟料一起粉磨，对粉煤灰可以起到一定程度的机械活化作用。

一方面，粉煤灰中的多孔团聚物被分散，一些大的或者有空腔的粒子被粉碎，粉煤灰的比表面积增大，并且新增表面往往具有更高的活性；另一方面，粉煤灰颗粒与水泥粒子在粉磨过程中能更紧密地接近，更均匀地混合，有利于火山灰反应的进行。

由于机械活化作用，粉煤灰的有效影响得以更充分地发挥，因此采用内掺法可以更有效地提高混凝土的强度。

随着对粉煤灰改性作用认识的不断提高。

粉煤灰在混凝土中的高掺量以及超量取代越来越受到重视。

配制高掺量粉煤灰混凝土时，多采用外掺法。

一方面，外掺方式可以简化工艺流程，节约粉磨能耗；另一方面，外掺的粉煤灰不仅可以取代部分水泥作为混凝土的胶结料，还起到微集料的作用，并且，大量分散细小的粉煤灰颗粒为水化产生的Ｃａ（ＯＨ）２结晶提供了均匀分布的成核点，避免其在集料表面的定向排列，有效地改善了混凝土过渡区的结构，提高混凝土强度。

由于粉煤灰的掺入会降低混凝土的早期强度，因此可以采用双掺或三掺的方式，在掺入粉煤灰的同时加入其他的混合材或外加剂，取长补短，各组分性能的叠加甚至超叠加效应可以弥补这一缺陷。

３．４粉煤灰的激发水泥与混凝土３７－－广东建材２００８年第４期为了充分发挥粉煤灰的潜在活性，提高粉煤灰混凝土的早期强度，必须对粉煤灰的活性进行激发。

激发粉煤灰活性的常用方法有物理激发和化学激发。

在众多的研究成果中，对粉煤灰活性的化学激发是研究的热点之一。

化学方法不需要添置专门的设备较容易实现，添加激活剂就是方法之一。

这些研究主要概括为：碱激发和硫酸盐激发。

前者是基于高碱条件下有利于破坏粉煤灰中的玻璃相，后者则是基于硫酸盐与粉煤灰中的铝酸盐相可以形成对强度有贡献的产物。

物理激发主要是指高温激发。

高温激发粉煤灰活性的主要方法是：在水热条件下，玻璃体网络结构更容易被破坏，［ＳｉＯ４］４－四面体的聚合体解聚成单聚体和双聚体，而且温度越高，破坏作用越强，从而提高粉煤灰活性，增加粉煤灰混凝土的强度。

在粉煤灰取代率为４０％条件下，养护温度从２０℃升高到４０℃，粉煤灰水泥净浆中粉煤灰开始水化的时间从２８天提前到了７天，且一年龄期的水化程度也得到了提高。

当蒸汽养护时，粉煤灰表面相当致密的铝硅玻璃体只能在表面有所反应，而不能使球体完全破坏，内部大量的ＳｉＯ２和Ａｌ２Ｏ３不能参与反应，因此蒸汽养护对粉煤灰活性的激发非常有限，在早期相应生成的低碱性水化物就比较少，对早期强度的贡献便小。

当蒸压养护时，粉煤灰致密玻璃体解体，大量的ＳｉＯ２和Ａｌ２Ｏ３参与反应，吸收了大量的Ｃａ（ＯＨ）２，粉煤灰的活性得到了充分的发挥，生成了大量低碱性水化物，强度得到了大幅度提高。

４粉煤灰混凝土性能特点通过对粉煤灰特性、新拌粉煤灰混凝土的性能、硬化粉煤灰混凝土的性能和粉煤灰混凝土的结构性能的充分研究，发现粉煤灰混凝土具有下列特点：粉煤灰的加入可增加混凝土流动度，有效提高混凝土的坍落度，抑制混凝土的坍落度损失，改善混凝土的和易性、泌水性和离析现象，降低混凝土的水化热、徐变和收缩率，提高混凝土的密实度和细化孔隙，从而改善混凝土的孔结构和骨料与水泥石的过渡区结构，提高混凝土的抗渗性和抗蚀能力，粉煤灰混凝土的凝结时间、弹性模量、抗磨性、抗冻性与普通混凝土相近；同时，混凝土中掺入粉煤灰，可节约大量水泥，降低生产成本，改善环境，具有良好的经济效益和社会效益。