淺談（tán）經粉（fěn）煤灰烘幹機處理的粉煤灰在混凝（níng）土中的應用

　　為了便於認識粉煤（méi）灰在混凝土中的（de）作（zuò）用，先闡述一下混（hún）凝土的結構和性能之間的關係。混凝土是由大小不同的顆粒所組成的，大顆粒粗骨料的空隙由中（zhōng）小顆粒的（de）粗骨料(石（shí）子)填充;粗骨料顆粒的空隙由細骨料(砂子)填充，它的顆粒也是（shì）有粗有細，細顆粒（lì）填充粗顆粒之間的空隙;水泥漿則填充粗細骨料堆積體的（de）大小空（kōng）隙，並包裹它們形成一層潤（rùn）滑層，使新拌混凝土(也稱拌合物)具有一定（dìng）的工作性，能在外力（lì）或本身的自重作（zuò）用下成型密實。硬化混凝土是一種複雜的、多相的複合材（cái）料，它的結構主要包括（kuò）三個相——骨（gǔ）料、硬化（huà）水泥漿體（tǐ）以及二（èr）者之間的過渡（dù）區，說它複雜是因為它很不勻質，主要體現在以（yǐ）下幾方麵：

　　第一，過渡區的存在。過渡區是（shì）圍繞骨料顆粒周邊的一層薄殼（ké），厚度約10～50μm。由於它（tā）的薄（báo）弱，對混（hún）凝土性能（néng）的影響十分顯著;第二，三相中的任一相，實際上還是多相體。例如一顆（kē）花崗岩的骨料裏除了有微裂縫、孔隙外，還不均勻地鑲嵌著石英、長石和（hé）雲母三種礦物。石（shí）英很硬，而雲母就很軟;第三，與其他工程材料不同（tóng），混凝土結構中的兩相——硬化水泥漿體和過渡區是（shì）隨時（shí）間、溫度（dù）與濕度環境不斷變化著的。

　　(1)骨料相。通（tōng）常在為混凝土選擇骨料時，首先注意的是（shì）它（tā）的顆（kē）粒強度，也就是說：它越堅硬越好。事實上，由於骨料的（de）強（qiáng）度通常比其他（tā）兩相的高很多，因此（cǐ）它對混凝土（tǔ）的強度並沒（méi）有直接的影響。但是（shì）它們（men）的粒徑和形狀間接地影響混凝土強度：當骨料最大粒徑越大、針片（piàn）狀顆粒越多時（shí），其表麵積存（cún）的水膜越厚，過渡區相就（jiù）越薄弱（ruò），硬化混凝土的強度和（hé）抗滲透性也越差。所以，質量好的骨料（liào）應該是顆粒形（xíng）狀均勻、級配好，堆積密實度高，所需要的漿體用量少（shǎo）。許（xǔ）多路麵板（bǎn）之（zhī）所以（yǐ）不耐久，骨料質量差，尤其缺（quē）乏5~10mm粒徑的顆粒，因（yīn）此傳荷（hé）能力（lì）和抗衝擊與疲勞能力受到嚴重影響是重要（yào）的原因。

　　(2)硬化水泥漿（jiāng）體(也稱水（shuǐ）泥（ní）石)。在（zài）配製混凝土（tǔ）選用水泥時，都認為標（biāo）號越高的水泥就越好。事實上，高（gāo）標號水泥因為通常粉（fěn）磨得越細，在拌合時往往需要更多的水，硬化後生成更多薄弱的氫氧化鈣，多餘的水分蒸發（fā）後也會形成更多的孔隙，對混凝土的強度和耐（nài）久性不利。但是，這樣（yàng）的（de）水泥水化反應快，因此用它配製的混凝土早期強（qiáng）度高，這是（shì）它受歡迎，售價高（gāo）的原（yuán）因。

　　試（shì）驗（yàn）表明：即使所用骨料非常致密，混凝土的滲透性也（yě）要比相應的水泥漿體低（dī）一個數量級。這說明混凝土體的滲透性並不直接取決硬化水泥漿體的滲透性，而是來自過渡區。剛澆（jiāo）築成型的混凝土在其凝固硬化（huà）之前，骨料顆粒受重力作用向下沉降，含有大量水分的稀水泥漿則由於密度小的原因向上（shàng）遷移，它們之間的相對運動使骨料顆粒的周壁形成一層稀漿膜，待混凝土硬化後，這裏就形成了過渡區。過渡區微結構的特點（diǎn）為：1)富集大晶粒的氫氧化（huà）鈣和鈣礬石;2)孔隙率（lǜ）大、大孔徑的孔多;3)存在大量（liàng）原生微裂縫，即混凝土未承載之前出現的裂縫。

　　因為過渡區的影響，使混凝土在比它兩（liǎng）個主要相能夠承（chéng）受的應力低得多的時候就被（bèi）破壞;由於過渡區大量孔隙和微裂縫存在，所以（yǐ）雖然硬化水泥漿體和骨料兩（liǎng）相（xiàng）的剛性很大，但受它們之間傳遞應力作用（yòng）的過渡（dù）區影響，混凝土的剛性和彈性模量明顯地減小。

　　了解了混凝土的微結構（gòu）的特性（xìng）及其對性能（néng）的影響後，就可以更（gèng）好地（dì）認識粉煤灰在混凝土中的作用。粉煤灰（huī）的主要（yào）作用可（kě）以包括以下幾方麵：

　　1)填充骨料顆粒的空隙並包裹它們（men）形成潤滑層，由於粉（fěn）煤灰的（de）容重(表觀密（mì）度)隻（zhī）有水泥的2/3左右，而且（qiě）粒形好(質量好的粉煤灰含大量玻璃微珠)，因（yīn）此能填充得（dé）更密實，在水泥用量較少的混凝土裏尤其顯著（zhe）。

　　2)對水泥顆粒起物（wù）理分（fèn）散作用，使（shǐ）其分布得更均勻。當混凝土水膠比較低時，水化（huà）緩慢（màn）的粉煤灰可以提供水（shuǐ）分，使水泥水化得更充分。

　　3)粉煤灰（huī）和富集在骨料顆粒周圍的（de）氫氧化鈣結晶發生火山灰反應，不僅生成具有膠凝性質的產物(與水泥中（zhōng）矽酸鹽的水化產物相同（tóng）)，而（ér）且加強了薄弱的過渡區，對改善混凝土的各（gè）項性能有顯著作用。

　　4)粉煤灰延緩了水化速度（dù），減小（xiǎo）混凝土因水化熱引起的溫升，對防止混凝土產生溫（wēn）度裂縫十分有利。

　　下麵對粉煤灰在混凝土中的作用（yòng）及（jí）其機理做一些具（jù）體地分（fèn）析。

　　長期以來，國內外在混凝土中常摻有一定（dìng）量粉煤灰，但作為水泥的替代材料，絕大多數情況下是以如下三種（zhǒng）方式應用（yòng）的：在早期強度要求很低，長期強度大約在25~35MPa的大體積水工混凝（níng）土中，大摻量地替代水泥使用;在結構混凝土裏較少量地替代水泥(10~25%);在強度要求很低的（de）回填（tián）或道路（lù）基層（céng）裏（lǐ）大量摻用。

　　對於粉（fěn）煤灰的作（zuò）用機理和應用技術，多年來進行了大量的研究工作，取得了不（bú）少進展，這些進展對粉煤灰在混凝土中的應（yīng）用起了一定的推動作用。如摻用的方（fāng）法從等量替代水（shuǐ）泥（ní），發展到超摻法、代砂法以及與化學外加劑同（tóng）時使用的雙摻法。對於粉煤灰的作用機理，從主要是火山灰質材料特性的作用(消耗了水（shuǐ）泥水（shuǐ）化時生成薄弱的，而且往往富（fù）集在過渡區的氫氧化鈣片狀結晶（jīng），由於水化緩慢，隻在後期才生成少量C-S-H凝膠，填充於水泥（ní）水化生（shēng）成物的間隙，使其更加密（mì）實)，逐步發（fā）展到分析它還具有形態效應、填充（chōng）效應和微集（jí）料效應等。但（dàn）無（wú）論哪一方麵的研究成果，似乎都改變不了這樣（yàng）一（yī）個事實：在混凝土中摻粉煤灰要降低混凝土的強度，包括（kuò）28天齡（líng）期以（yǐ）後（hòu）一段時間裏的強度，其他性能當然也相應受到不同（tóng）程（chéng）度的影（yǐng）響（xiǎng），而且這些影響要隨著摻（chān）量的增大（dà）而加劇。這個事實始終禁錮著粉煤灰在混凝土中，尤其（qí）是結構混凝土中的摻量，而且似乎（hū）形成了這樣一種成見：摻用粉煤灰是以（yǐ）犧牲結構混凝土的品質為代價的。

　　事實上，如前所述，由於高效減水劑的應用，使混凝土的水膠比可以（yǐ）大幅度（dù）降低，從而使摻用粉煤灰（huī）的效（xiào）果大為改善，使大摻量粉煤灰混凝土的性能能夠大幅度（dù）地提高。

　　1)水膠比的影響

　　水膠比的（de）上述（shù）變化為什（shí）麽影（yǐng）響這麽大呢?在高水膠比的水泥漿裏，水泥顆粒被水分隔開(水所占體積（jī）約（yuē）為水泥的兩倍)，水化環境優異，可以迅速地生成表麵積增大1000倍的水化物，有良好地填充漿體內空隙的能力。粉煤灰（huī）雖然從（cóng）顆粒形狀來說，易（yì）於堆積得較為密實，但（dàn）是它水化緩（huǎn）慢，生成的凝膠量少，難以填充密實（shí）顆粒周圍的空隙，所以摻粉煤灰水泥漿的強度和其他性能總是隨摻量增大(水泥用量減少（shǎo）)呈下降趨（qū）勢(當然在早齡期就更加顯著)。

　　在低水膠比的（de）水泥漿裏情況（kuàng）就（jiù）不一樣了。不摻粉煤灰時，高活（huó）性的水泥因水化環境（jìng）較差，即缺水而不能（néng）充分水化（huà），所以隨水（shuǐ）灰比下降，未水化水泥的內芯增大，生成產物量下（xià）降，但由（yóu）於顆粒間的距離減小，要填充的空隙（xì）也同時減小，因此混凝土強度得到迅（xùn）速提高。這種情況下用粉（fěn）煤灰代替部分水泥，在低水膠比條（tiáo）件下(例如0.3左右)，水（shuǐ）泥的水化條件相對改善（shàn），因為粉煤灰水（shuǐ）化緩慢，使混凝土實際的“水灰比”增大，水泥的水化因而加快，這種作（zuò）用機理隨著粉煤灰（huī）的摻量增大愈加明顯(例如摻量為50%左（zuǒ）右，初期實際水灰比則接近0.6)，水泥水化程度的改善，則有利（lì）於粉煤灰作用的發揮，然而與此同時，需要粉煤灰水化產物填（tián）充的空隙已經大大減小，所以其水化能力差的弱點在低水膠比條件下被掩蓋，而它降低溫升等其它優點則（zé）依然起著有利於混凝土性能的作用。以上所述低水膠比下粉煤灰作用的變化，羞羞影视可以用一個“動（dòng）態堆積”的概念來認識，這是相對於長期以（yǐ）來沿用的靜態堆積而言的。即（jí）通常在選擇（zé）原（yuán）材料和配合比時，是以各種原材料在加水之前的堆積盡量密實為依據的，但是當加（jiā）水攪拌（bàn）後，特別是在低水膠比條件下，如何（hé）通過粉狀（zhuàng）顆粒水化的交叉進行，使初始水膠比盡量降低，混（hún）凝土單（dān）位用水量盡量減少，配製出的混（hún）凝土在密（mì）實成型的前提下，經過水化硬化過程，形成的微結構應該是更為密實的。上（shàng）述大摻量粉煤灰混凝（níng）土的例子（zǐ）中，每方混凝土的用水量僅（jǐn）100kg左右，要比目前（qián）配製普通混凝土少幾十公斤，就是明顯的證據。有人曾進行過低水灰比(水膠比)摻（chān）/不摻粉煤灰淨（jìng）漿的結合水測定試驗（yàn）：摻有30%粉煤灰，水膠比為0.24的淨漿，要比水灰比為0.24的純（chún）水泥漿在（zài）28d時的（de）結合水還多，證實上（shàng）述摻粉煤灰後改善了水泥在低水灰比條件下水化程度的說法。因（yīn）此（cǐ）低（dī）水膠比條件下（xià），大摻量粉煤灰混凝土的強度發展與空白混凝土接近（jìn），而後期仍有一定（dìng）幅度的增長，在一定範圍內隨摻（chān）量（liàng）變化的影（yǐng）響不大。當然，粉煤灰代（dài）替水泥用量大了，由於起激發作用的氫氧化鈣含量減少，使粉煤灰的水化條件劣化，所以（yǐ）在不同條件下存在一最佳粉煤灰摻量，並不是越大越好。

　　2)溫度的影響

　　眾所周知，溫度升高時水泥水化（huà）的速率會（huì）顯著加快。研究表明：與20℃相比，30℃時矽酸鹽水泥的水化速率（lǜ）要加快一倍。由於近些年來大型、超大型混凝土（tǔ）結構物的建造，構（gòu）件斷麵尺寸相應增大;混凝設計土強度等級的提（tí）高，使所用水泥標號提高、單位用量增大;又（yòu）由於水泥生產技術的（de）進展，使其所含水化迅速的早（zǎo）強礦物矽（guī）酸三鈣含（hán）量提（tí）高、粉磨細度（dù）加大，這些因素的疊加，導（dǎo）致混凝土硬化時產生的溫升明顯加劇，溫峰升高。

　　在達到溫峰後的降溫期間，混凝（níng）土產生溫度收縮(也稱（chēng）熱收（shōu）縮)引起彈性拉應力;另一方麵，混凝土（tǔ）水膠比的降低，又會使因水泥水（shuǐ）化產生的自身收縮增大，同樣產生彈性拉（lā）應力;而混凝土的水灰（huī）比(水膠比)降低，早期水化加快，混凝土的彈性模量隨強度的提高而增大，進一（yī）步加劇了彈性拉應力增長;與此同時，混凝土（tǔ）的粘彈性，即對於彈性拉（lā）應力的鬆弛作用卻顯（xiǎn）著地減小，這（zhè）一（yī）切，都導致近些年來許多（duō）結構物在施（shī）工期間（jiān），模板（bǎn）剛拆除或以後不久就發現（xiàn）表麵大量裂縫。除了凝固前的塑性裂縫以外，硬化混凝土早期出現的裂（liè）縫往往深而長(實際上不可見裂縫（féng）的長度和深度，要遠比可見裂縫大得多)。為了防止可見裂（liè）縫的出現，目前常采取外包保溫措施，以減小內（nèi）外（wài）溫差，這種做法被認為是有（yǒu）效措施而迅速地得到推廣（guǎng）。但是沒有注意到：由於外保溫阻礙了混凝（níng）土水化熱的散發，加劇了體內的溫升，混凝土體溫度升高，使水泥水（shuǐ）化加（jiā）速，早期強度（dù）發展更加（jiā）迅速（sù），因此也更容易出（chū）現裂縫，隻是（shì）由於鋼筋的約束和（hé）對應力的（de）分散作用，使少量寬而長（zhǎng）的可見裂縫轉變為大量分散（sàn）的不可見裂縫，它們將為侵蝕性介質提供通道，影響結構（gòu）混凝土的耐久性。同（tóng）時較大的彈（dàn）性拉應力還可能引起鋼筋達（dá）到（dào）屈服（fú）點而滑移，從而可能影響結構的使用功能。

　　與（yǔ）水泥相比，粉煤灰受（shòu）溫度影響更為顯著，即溫度升高（gāo）時它（tā）的水化明顯加快。所以（yǐ）當混凝土澆注時環境溫（wēn）度與混凝土體溫度較高時，對純水泥混凝土來說，由於溫升帶來不利（lì）的影（yǐng）響，而對摻（chān）粉煤（méi）灰混凝土來說，則不僅溫升下降，減小了（le）混凝土因溫度開裂的危險，同時由於加快火山灰反（fǎn）應，還提高了28天強度。

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