粉煤灰在混凝土中应用现状

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摘要：基于粉煤灰资源的综合利用，从粉煤灰的特性、物理及化学性质入手，总结了粉煤灰混凝土在建筑行业的研究成果，探讨了粉煤灰对混凝土相关性能的影响，同时也简要地探讨了进一步研究的方向。

关键词：粉煤灰；混凝土；力学性能

0引言

粉煤灰是煤燃烧后的固体废渣，主要来自火力发电，它会破坏生态环境，因此早在上世纪20年代国外一些学者开始了对粉煤灰的研究和利用［1］。美国学者R.E.戴维斯（Davis）在1935年首次对粉煤灰应用到混凝土中进行研究［2］。研究发现混凝土的性能不仅可以得到改善，而且还可以节约水泥用量。在之后不到五十年的时间，粉煤灰混凝土得到了广泛应用。由于经济条件、自然环境、科学水平及粉煤灰自身性质的原因，许多国家在粉煤灰的利用率上存在较大差异。我国是在改革开放初期才开始将粉煤灰应用在混凝土中，沈旦申［3］是我国率先对粉煤灰混凝土研究的学者。他撰写发表了《蒸养粉煤灰砌块的生产和应用》《粉煤灰效应的探讨》和近代具有技术指导意义的《粉煤灰混凝土》等三十多篇论文和著作；钱觉时［4］等研究了适量的熟石灰可以增加粉煤灰混凝土的抗碳化能力；金祖权［5］等建立了大掺量粉煤灰混凝土抗碳化能力的寿命预测模型。我国混凝土在粉煤灰的利用率上还有上升空间，在混凝土中利用粉煤灰不仅能够保护生态环境，还能生产出绿色高性能混凝土，具有较好的生态效益和社会效益。

1粉煤灰的性质

粉煤灰主要收集于电厂高温燃烧煤炭排放的烟气中，其性质与火山灰相似，又称飞灰［6］。

1.1物理性质

粉煤灰是一种外观和水泥相近的混合物，颜色一般在乳白色和灰黑色之间，平均直径大概在2.5μm，其基本物理性质见表1［7］。

1.2化学性质

不同地方不同的粉煤灰的化学成分其含量是不一样的，其主要氧化物组成为：SiO2(1.3%~65.76%)、Al2O3(1.59%~40.12%)、Fe2O3(1.5%~6.22%)、CaO(1.44%~16.8%)、MgO(1.2%~3.72%)。美国ASTM将其分为两种类型：F类(SiO2+Al2O3+Fe2O3≥70%，具有火山灰活性)和C类(SiO2+Al2O3+Fe2O3≥50%，具有水硬性)［8］。由于SiO2和Al2O3含量较高，其水化活性比较好。

2粉煤灰混凝土

粉煤灰混凝土的定义［9-10］：“掺入一定量粉煤灰的水泥混凝土”,对于粉煤灰取代水泥的最大限量、粉煤灰的掺用方法及使用要求、粉煤灰混凝土的各项性能指标以及配合比设计都有明确的规定，其质量也应符合GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的规定。

2.1粉煤灰对混凝土的影响

粉煤灰是活性材料，能够改善水泥砂浆和粗骨料间的薄弱界面，从而提高混凝土的力学性能。一定掺量的粉煤灰替代水泥制成混凝土提高混凝土性能，粉煤灰的细度越小，球形颗粒越多，它的含碳量就越低，活性就越高，需水量就越少。2.1.1粉煤灰混凝土的水化反应原始状态的粉煤灰表面相对粗糙，形状并不规则且会粘连在一起，对改善混凝土性能有一定难度。采用球磨机对这种粉煤灰进行球磨，可打破原本结构的排列方式，使其颗粒重排改变颗粒级配，增大反应面积。但是，粉煤灰当中还有并未燃烧完的部分，是一种对混凝土有害的物质，粉煤灰在水泥中的水化反应称为火山灰反应，生成低碱度的C-S-H凝胶，火山灰反应会降低水化的生成物浓度，有利于水化反应进行，同时生成的其他低碱性产物会填充空隙，对混凝土的密实度有更好的改善作用。水泥熟料中的水化反应如下［11］：3CaO·SiO（硅酸三钙）+nH22O→xCaO·SiO·yH22O(水化硅酸钙凝胶)+(3-x)Ca(OH)2(氢氧化钙晶体)x=1.5~2.02CaO·SiO2(硅酸二钙)+nH2O→xCaO·SiO·yH22O(水化硅酸钙凝胶)+(2-x)Ca(OH)2(氢氧化钙晶体)x=1.5~2.0粉煤灰在自然养护条件下的水化反应如下：SiO2+xCa(OH)2+(n-1)H2O→xCaO·SiO·nH22O(I型水化硅酸钙凝胶)x=0.8~1.5A12O3+3Ca(OH)2+3H2O→3CaO·A12O3·6H2O(水化铝酸钙)粉煤灰在混凝土中的二次水化作用不仅可以提升混凝土的密实度，还可以提高混凝土的抗渗性和抗硫酸的侵蚀性。2.1.2粉煤灰对混凝土性能的改善作用（1）工作性能掺入粉煤灰的混凝土具有较好的流动性和黏聚性，可以保证较好的工作性能和水胶比。（2）抗裂性能掺入粉煤灰的混凝土不仅可以减少水泥用量，降低成本，而且还可以减少水的用量。随着粉煤灰的增加，混凝土的热膨胀系数会减小，减少水化放热，可以降低施工时温度差导致的结构裂缝，有助于改善其抗裂性能；掺入粉煤灰后的混凝土可以有效抑制碱骨料反应，减少混凝土的裂缝；此外，掺入粉煤灰的混凝土可以有效抑制混凝土的自收缩性能，减小混凝土由自身收缩引起的裂缝。（3）早期强度混凝土的早期强度会随着粉煤灰掺量的增加而减小，这是因为起初粉煤灰并没有参与水化反应，且因为粉煤灰的加入减少了初期水泥和水的用量，从而降低了混凝土的水化速度，延长了凝固时间，导致混凝土早期强度下降。改善混凝土早期强度可以有以下几个办法［12］：①适量加入粉煤灰，选择合适的配合比，采用配量较低的水胶比，让粉煤灰的使用效率达到最大化；②加入一定量的激发剂，从而破坏影响水化反应的化学键和分子结构，提高粉煤灰的化学活性；③掺入其他的掺合料使其充分混合，如硅灰、矿渣等，补充粉煤灰的性能缺陷；④加入适量的外加剂，使混凝土中的物质充分发挥作用使其达到更优的配合比；⑤使用蒸养养护或者湿热养护。（4）抗碳化性能在混凝土中掺入粉煤灰，会因为二次水化反应减少Ca(OH)2含量，从而降低混凝土中的pH值，因此混凝土抗碳化性能也会随之降低。粉煤灰混凝土的碳化深度和碳化时间会以正比例关系的形式出现［13］。龚洛书［14］等通过试验发现，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土碳化深度也会随之增加。可通过2种方法改善粉煤灰混凝土的抗碳化性能：①增加粉煤灰混凝土材料的碱性强度，加入熟石灰是增强粉煤灰混凝土碱性最好且最经济的方法。②改善粉煤灰混凝土的抗渗性能。相关实验证明［15］，养护方式的不同也会对粉煤灰混凝土的抗碳化能力有影响，延长养护时间和水养护的处理方式均可降低粉煤灰混凝土的碳化深度，提高抗碳化能力；预碳化再碱化的养护处理方式可有效降低粉煤灰混凝土和普通混凝土的碳化深度，提高抗碳化能力；掺入适量的HCSA膨胀剂也能提高粉煤灰混凝土的抗碳化能力［16］。（5）后期强度田志高［17］对粉煤灰分别进行了双向排水和单向排水模拟试验，发现充填的厚度越小，振密后的压实度就会越大，充填质量越好，可以增强混凝土的后期强度。由于粉煤灰粒径要比水泥小，作为掺合料替代水泥时，会填充水泥孔隙以增大密实度，并且使水灰比适当降低，其良好的吸水性和球形颗粒可以使混凝土具有更好的流动性，提高粘结性能，使结构更加致密，并且可以减小混凝土自重，随着龄期的增加，会提高混凝土的后期强度。（6）耐久性掺入粉煤灰后的混凝土会减小水泥孔隙比，增大接触面积，使混凝土更密实，同时粉煤灰二次水化反应的生成物会堵塞混凝土渗透通道，从而提高混凝土的抗渗性，防止部分有害混凝土介质的侵入，防止混凝土包裹的钢筋锈蚀；其次会提高混凝土的抗冻性，降低混凝土开裂、脱落；减少与铝酸三钙水化物的反应，降低水泥中铝酸三钙导致的混凝土开裂，提高混凝土的抗侵能力和抗冻性能，显著提高混凝土的耐久性。（7）用粉煤灰替代部分水泥会降低水泥的使用量，有效地降低了造价。

2.2粉煤灰混凝土待研究的问题及相关建议

（1）在掺入粉煤灰替代水泥的过程中，混凝土的各项性能的最优值所对应的配合比往往是不相匹配的，甚至完全有可能当某种性能达到最优的时候另外的性能已经在受影响了，造成粉煤灰混凝土性能的缺陷，很多学者只考虑了部分性能的最优配合比往往忽略了综合性能的最优配合比。所以综合性能最优配合比如何达到最大化是我们混凝土行业当下需要解决的问题。（2）粉煤灰混凝土抗压强度虽然相比普通混凝土而言有所改善，但其强度依然不高。石墨烯和粉煤灰的结合对混凝土各项性能的研究目前看来还并没有过多的涉足，相关研究发现［18］石墨烯的加入不仅可以促进粉煤灰混凝土的水化速率，提高早期强度而且可以显著的提高混凝土的抗压强度等，但是还有很多性能许多学者并没有展开研究。就目前而言在粉煤灰中加入石墨烯是未来混凝土的新趋势，它可以显著提高混凝土的强度，制备新型高性能混凝土。（3）粉煤灰是疏水性质材料，其保水性能不足，在研究保水性能好而且又能增强力学性能的材料问题上，还未找到更好的方法。蚯蚓粪作为一种绿色高活性有机肥料，许多学者并没有将其和混凝土联系起来，将蚯蚓粪作为建筑行业新型材料无疑是一条新的路径。首先，蚯蚓在消化过程中，会产生有机酸，有机酸与混凝土体系中的硅羧基发生化学键合，增强体系的力学性能，其次，蚯蚓粪具有良好的保水性能，可促进混凝土充分水化，从而提升体系的力学性能［19］。目前将蚯蚓粪应用在混凝土的研究还没有展开。

3结语

粉煤灰作为一种具有火山灰性质的活性材料，已替代部分水泥。作为一种新兴的建筑材料，粉煤灰的自身性能与水泥的结合在混凝土当中的应用与研究已经被许多学者领悟，仅仅将粉煤灰作为单一掺合料已经不能满足混凝土行业的创新要求，未来将把粉煤灰作为主料，其他掺合料作为辅料及外加剂复合掺入水泥当中制做混凝土结构并研究混凝土各项性能；研究最适合的配合比满足混凝土各项性能的要求。其次，还将对粉煤灰进行改良以获得性能更好的环保混凝土。

作者:周涛 谢雷 单位:延边大学结构工程土木工程研究室