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摘要：近年来，在混凝土的应用中,开裂的问题相当普遍。粉煤灰掺入混凝土中取代部分水泥不仅可以降低混凝土成本,还可以减轻煤废料污染,缓解矿物能源危机。本文先后分析了粉煤灰掺量对混凝土强度与耐久性的几点影响，仅供参考。
关键词：粉煤灰；掺量；强度；耐久性
Abstract: In recent years, in the concrete application, cracking problem is quite common. Fly ash into concrete replacing part of cement can not only reduce the cost of concrete, it can also reduce coal waste pollution, alleviate the fossil energy crisis. This paper has analyzed the content of fly ash on the strength and durability of concrete some influence, for reference only.
Key words: fly ash; volume; strength; durability
中圖分类号：TV5
引言：粉煤灰是由大量的氧化硅球状玻璃珠和少量的方解石、石英等结晶物质组成的，根据粉煤灰的矿物组成和特性，可将其分成高钙粉煤灰和低钙粉煤灰两大类，我国绝大多数的电厂排放的粉煤灰都是低钙的，故低钙粉煤灰又简称为粉煤灰。使用粉煤灰取代部分水泥,在基本不影响混凝土强度的情况下,它可以起到降低混凝土水化热引起的温度升高、防止混凝土开裂、改善混凝土耐久性的作用。粉煤灰掺入混凝土中,将对混凝土的用水量产生影响;同时用水量或者水胶比(W/ B) 的变化也将对粉煤灰混凝土的强度产生影响。
一、混凝土强度的影响
粉煤灰大多是不具有水凝性的，只有在Ca（OH）2存在的条件下，才显示其胶凝性，其水化大致可描述如下：水泥水化产生碱性的环境，在Ca（OH）2存在的条件下，由于水电离产生的H3O+质子对粉煤灰颗粒的作用，使其表面电离出SiO4-4和H+离子，H+离子扩散后粉煤灰颗粒表面呈电负性，Ca2+离子在静电引力下被吸收到粉煤灰颗粒周围，而粉煤灰颗粒中的K+、Na+又溶入液相，于是，粉煤灰颗粒表面剩下了含硅、铝较多的薄层，SiO4-4和AiO2-离子也从这表层逐渐溶出，与周围的Ca2+离子结合并沉淀，形成沉淀包裹层，并逐渐变厚。包裹层与粉煤灰颗粒之间包含有极少数的液相，液相中的K+、Na+、SiO4-4和AiO2-离子浓度高于包裹层外的离子浓度，由此产生的渗透压使包裹层逐渐膨胀，包裹层内液相增多，离子浓度增大，渗透压增大，当渗透压超过一定值时，包裹层破裂，接着又开始了新的循环。只有在粉煤灰颗粒包裹层外K+、Na+、离子浓度降低后，Ca2+离子才被吸附到包裹层外表面，生产水化硅酸钙和水化铝酸钙沉淀。由于SiO4-4离子半径大、电荷多，扩散比AiO2-离子困难，粉煤灰颗粒表面附近的沉淀主要是水化硅酸钙凝胶。
在水泥胶砂水胶比、用水量不变的情况下，用粉煤灰取代部分水泥，对水泥胶砂早期强度影响较大，而后期强度，特别是90d龄期强度随粉煤灰的掺量变化的幅度不大，可以认为基本保持一致，这种现象主要表现为粉煤灰的后期效应。
水胶比为0.50下，粉煤灰的掺量越大，早期强度发展系数就越低，后期强度发展系数就越高，同样体现了粉煤灰的后期效应。需要说明的是，在混凝土中掺入粉煤灰，有两个方面的作用，一方面粉煤灰作为活性的胶凝材料的组成部分，另一方面粉煤灰也可以作为惰性的掺和料。影响混凝土强度的主要因素是水胶比，粉煤灰的掺量对混凝土早期强度影响较大，对混凝土后期强度并不敏感，影响不大。相当于三期RCC而言，设计强度较低，无疑给大掺量粉煤灰创造了条件。
二、在同一水胶比下混凝土的早期强度随着粉煤灰的增加而降低
在同一水胶比下混凝土的早期强度随着粉煤灰的增加而降低;在同一水胶比的条件下,粉煤灰的掺入量越大,混凝土强度值越低。试块的强度降低与粉煤灰的掺入量虽没有明显的线性关系,但显然粉煤灰含量在10 %～30 %之间对混凝土的强度影响不是很大,粉煤灰掺量不大于30 %时,混凝土的早期强度都达到C25 以上。而且由于粉煤灰的二次水化作用,可以预测其晚期强度不会低于不掺粉煤灰的混凝土,同时可以节约水泥,明显的改善混凝土的和易性,故完全可以满足工程实际的需要。
三、粉煤灰掺量对混凝土耐久性的影响
1．抗渗透性
向混凝土中掺入粉煤灰能大幅度提高混凝土的抗渗性主要原因有以下两点：
温峰削减和密实效应
粉煤灰能显著的降低水泥水化产生的温升。因为，在保持混凝土的胶结材总量不变的条件下，它的掺入能相应地降低了混凝土中水泥的用量。因而，水泥的水化热量降低，掺量增大时，降低更多。尽管其本身在混凝土中将产生火山灰反应，要放出水化热，但是，这种反应滞后于水泥水化反应，而且时间也拉得很长，其反应热可以忽略。
火山灰活性效应和吸附作用
粉煤灰颗粒含有活性 Si02和 AL2O3 ，它们不断吸收水泥水化生成Ca(OH)2 ，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，填充水泥石毛细孔。水泥粒子之间填充性并不好，通常其平均粒径为 20-30μm ，而粉煤灰 (I ,Ⅱ,Ⅲ 级 ) 的平均粒径比水泥小，超细粉煤灰更小，平均粒径 3-6μm。因此，如果在水泥中掺入粉煤灰，则可大幅度改善胶凝材料颗粒的填充性，提高水泥石的致密度。纯粉煤灰的相对密度比水泥的相对密度要小，在取代重量相当的水泥时，可使细颗粒含量增多，这些颗粒填充在水泥粒子之间和界面的空隙中，使水泥石结构和界面结构更为致密。同时，粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙 （C-S-H）能填塞水泥石中毛细孔隙，堵塞渗透通道，从而使混凝土的抗渗性大幅提高。
2．抗冻融性
掺粉煤灰混凝土具有良好的抗冻融性能。其对混凝土抗冻融性的影响有以下三个方面：
（1）它们活性效应固定了氢氧化钙，使之不致于因浸析而扩大冰冻劣化所产生的孔隙。
（2）形态效应能使混凝土用水量减少，明显有利于减少孔隙和毛细孔。
（3）填充效应可使截留空气量和泌水量减少，并使孔隙细化，有助于使引气剂产生的微细气孔分布均匀，从而大大改善了混凝土的抗冻性能。有试验表明采用 I 级粉煤灰和低引气型高效减水剂双掺技术，所制备的 C50 粉煤灰混凝土具有良好的抗冻性，能经受300次 ( 慢冻法 ) 冻融循环。加拿大的 M alh otra V.M. etal 通过试验发现，50次冻融循环后，高掺量粉煤灰混凝土有轻微的表面剥落，经 300次冻融循环后，其出现的膨胀不会对混凝土造成危害，经1000次冻融循环后，试件内芯仍处于完好状态。还有研究发现，混凝土的抗冻性随粉煤灰掺量的增加而提高。如果在粉煤灰混凝土中加入引气剂，其抗冻性会大幅提高。
3.抗碳化性 对混凝土的碳化作用有两方面的影响
（1）如用粉煤灰取代部分水泥，使得混凝土中水泥熟料的含量降低，析出的氢氧化钙数量必然减少，同时粉煤灰二次水化反应 （ 主要吸收 Ca(OH)2 ）生成水化硅酸钙，均导致混凝土碱度降低，亦即混凝土抗碳化性能降低，这是不利的一方面。
（2）粉煤灰的微集料填充效应，能使混凝土孔隙细化，结构致密，在一定程度上能延缓碳化的程度，但是对防碳化扩散来说，是达不到混凝土的要求的。对于粉煤灰的不利影响，现在已有相应的措施加以改善。研究发现，当粉煤灰掺量等于或小于 40 、复掺矿渣粉至总量为 60%,70% 和 80% 时，混凝土碳化深度均比单掺 60% 粉煤灰混凝土的要低 ; 粉煤灰掺量为 50% 、矿渣粉掺量为 10% 时，混凝土的碳化深度也比单掺 60% 粉煤灰的要低得多。即使用粉煤灰与矿渣粉的复掺技术可显著缓和单掺粉煤灰混凝土抗碳化能力的下降，或在保持抗碳化性能不下降的情况下，可提高混凝土中掺合料的总量，降低水泥用量。
4. 抗氯离子渗透能力
掺粉煤灰混凝土有较强的抗氯离子渗透能力。混凝土中掺入粉煤灰，能够改善水泥石的界面结构，粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙（ C-S-H ）填塞了水泥石中毛细孔隙，堵塞渗透通道，增强了混凝土的密实度，且 C-S-H 凝胶会吸附氯化物于其中，因而提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。进一步研究发现，同时掺粉煤灰和硅灰的混凝土抗氯离子渗透能力优于单掺粉煤灰混凝土，在硅灰掺量为 3% 的情况下，双掺粉煤灰和硅灰比单掺硅灰时的混凝土抗氯离子渗透能力更强，而硅灰掺量在 4% 和 5% 时，单掺硅灰比双掺时好。
结束语
在一定掺量下，粉煤灰混凝土和易性良好，强度影响不大。但粉煤灰掺量过大时,胶凝材料总量中的水泥熟料含量相对较少,熟料水化生成的Ca(OH)2量较少,减少了粉煤灰水化反应生成C2S2H 的比例,有些粉煤灰颗粒没有参与反应,难以有足够的生成物填充周围的空隙,所以混凝土强度会随粉煤灰掺量的增大(水泥用量减少) 呈明显下降趋势。在实际商品混凝土运用中,我们完全可以综合考虑成本造价、浇筑部位、施工工艺、养护条件等因素来决定粉煤灰的最佳掺量。
参考文献：
【1】汪振双，王立久. 冻融循环条件下粉煤灰对混凝土渗透性的影响[J]. 沈阳工业大学学报,2011.8，33(4):463-466.
【2】潘宏彬. 粉煤灰掺量对混凝土强度的影响[J] . 试验技术与试验机, 2006, 46(1): 42-46.
关键词：粉煤灰；掺量；强度；耐久性
Abstract: In recent years, in the concrete application, cracking problem is quite common. Fly ash into concrete replacing part of cement can not only reduce the cost of concrete, it can also reduce coal waste pollution, alleviate the fossil energy crisis. This paper has analyzed the content of fly ash on the strength and durability of concrete some influence, for reference only.
Key words: fly ash; volume; strength; durability
中圖分类号：TV5
引言：粉煤灰是由大量的氧化硅球状玻璃珠和少量的方解石、石英等结晶物质组成的，根据粉煤灰的矿物组成和特性，可将其分成高钙粉煤灰和低钙粉煤灰两大类，我国绝大多数的电厂排放的粉煤灰都是低钙的，故低钙粉煤灰又简称为粉煤灰。使用粉煤灰取代部分水泥,在基本不影响混凝土强度的情况下,它可以起到降低混凝土水化热引起的温度升高、防止混凝土开裂、改善混凝土耐久性的作用。粉煤灰掺入混凝土中,将对混凝土的用水量产生影响;同时用水量或者水胶比(W/ B) 的变化也将对粉煤灰混凝土的强度产生影响。
一、混凝土强度的影响
粉煤灰大多是不具有水凝性的，只有在Ca（OH）2存在的条件下，才显示其胶凝性，其水化大致可描述如下：水泥水化产生碱性的环境，在Ca（OH）2存在的条件下，由于水电离产生的H3O+质子对粉煤灰颗粒的作用，使其表面电离出SiO4-4和H+离子，H+离子扩散后粉煤灰颗粒表面呈电负性，Ca2+离子在静电引力下被吸收到粉煤灰颗粒周围，而粉煤灰颗粒中的K+、Na+又溶入液相，于是，粉煤灰颗粒表面剩下了含硅、铝较多的薄层，SiO4-4和AiO2-离子也从这表层逐渐溶出，与周围的Ca2+离子结合并沉淀，形成沉淀包裹层，并逐渐变厚。包裹层与粉煤灰颗粒之间包含有极少数的液相，液相中的K+、Na+、SiO4-4和AiO2-离子浓度高于包裹层外的离子浓度，由此产生的渗透压使包裹层逐渐膨胀，包裹层内液相增多，离子浓度增大，渗透压增大，当渗透压超过一定值时，包裹层破裂，接着又开始了新的循环。只有在粉煤灰颗粒包裹层外K+、Na+、离子浓度降低后，Ca2+离子才被吸附到包裹层外表面，生产水化硅酸钙和水化铝酸钙沉淀。由于SiO4-4离子半径大、电荷多，扩散比AiO2-离子困难，粉煤灰颗粒表面附近的沉淀主要是水化硅酸钙凝胶。
在水泥胶砂水胶比、用水量不变的情况下，用粉煤灰取代部分水泥，对水泥胶砂早期强度影响较大，而后期强度，特别是90d龄期强度随粉煤灰的掺量变化的幅度不大，可以认为基本保持一致，这种现象主要表现为粉煤灰的后期效应。
水胶比为0.50下，粉煤灰的掺量越大，早期强度发展系数就越低，后期强度发展系数就越高，同样体现了粉煤灰的后期效应。需要说明的是，在混凝土中掺入粉煤灰，有两个方面的作用，一方面粉煤灰作为活性的胶凝材料的组成部分，另一方面粉煤灰也可以作为惰性的掺和料。影响混凝土强度的主要因素是水胶比，粉煤灰的掺量对混凝土早期强度影响较大，对混凝土后期强度并不敏感，影响不大。相当于三期RCC而言，设计强度较低，无疑给大掺量粉煤灰创造了条件。
二、在同一水胶比下混凝土的早期强度随着粉煤灰的增加而降低
在同一水胶比下混凝土的早期强度随着粉煤灰的增加而降低;在同一水胶比的条件下,粉煤灰的掺入量越大,混凝土强度值越低。试块的强度降低与粉煤灰的掺入量虽没有明显的线性关系,但显然粉煤灰含量在10 %～30 %之间对混凝土的强度影响不是很大,粉煤灰掺量不大于30 %时,混凝土的早期强度都达到C25 以上。而且由于粉煤灰的二次水化作用,可以预测其晚期强度不会低于不掺粉煤灰的混凝土,同时可以节约水泥,明显的改善混凝土的和易性,故完全可以满足工程实际的需要。
三、粉煤灰掺量对混凝土耐久性的影响
1．抗渗透性
向混凝土中掺入粉煤灰能大幅度提高混凝土的抗渗性主要原因有以下两点：
温峰削减和密实效应
粉煤灰能显著的降低水泥水化产生的温升。因为，在保持混凝土的胶结材总量不变的条件下，它的掺入能相应地降低了混凝土中水泥的用量。因而，水泥的水化热量降低，掺量增大时，降低更多。尽管其本身在混凝土中将产生火山灰反应，要放出水化热，但是，这种反应滞后于水泥水化反应，而且时间也拉得很长，其反应热可以忽略。
火山灰活性效应和吸附作用
粉煤灰颗粒含有活性 Si02和 AL2O3 ，它们不断吸收水泥水化生成Ca(OH)2 ，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，填充水泥石毛细孔。水泥粒子之间填充性并不好，通常其平均粒径为 20-30μm ，而粉煤灰 (I ,Ⅱ,Ⅲ 级 ) 的平均粒径比水泥小，超细粉煤灰更小，平均粒径 3-6μm。因此，如果在水泥中掺入粉煤灰，则可大幅度改善胶凝材料颗粒的填充性，提高水泥石的致密度。纯粉煤灰的相对密度比水泥的相对密度要小，在取代重量相当的水泥时，可使细颗粒含量增多，这些颗粒填充在水泥粒子之间和界面的空隙中，使水泥石结构和界面结构更为致密。同时，粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙 （C-S-H）能填塞水泥石中毛细孔隙，堵塞渗透通道，从而使混凝土的抗渗性大幅提高。
2．抗冻融性
掺粉煤灰混凝土具有良好的抗冻融性能。其对混凝土抗冻融性的影响有以下三个方面：
（1）它们活性效应固定了氢氧化钙，使之不致于因浸析而扩大冰冻劣化所产生的孔隙。
（2）形态效应能使混凝土用水量减少，明显有利于减少孔隙和毛细孔。
（3）填充效应可使截留空气量和泌水量减少，并使孔隙细化，有助于使引气剂产生的微细气孔分布均匀，从而大大改善了混凝土的抗冻性能。有试验表明采用 I 级粉煤灰和低引气型高效减水剂双掺技术，所制备的 C50 粉煤灰混凝土具有良好的抗冻性，能经受300次 ( 慢冻法 ) 冻融循环。加拿大的 M alh otra V.M. etal 通过试验发现，50次冻融循环后，高掺量粉煤灰混凝土有轻微的表面剥落，经 300次冻融循环后，其出现的膨胀不会对混凝土造成危害，经1000次冻融循环后，试件内芯仍处于完好状态。还有研究发现，混凝土的抗冻性随粉煤灰掺量的增加而提高。如果在粉煤灰混凝土中加入引气剂，其抗冻性会大幅提高。
3.抗碳化性 对混凝土的碳化作用有两方面的影响
（1）如用粉煤灰取代部分水泥，使得混凝土中水泥熟料的含量降低，析出的氢氧化钙数量必然减少，同时粉煤灰二次水化反应 （ 主要吸收 Ca(OH)2 ）生成水化硅酸钙，均导致混凝土碱度降低，亦即混凝土抗碳化性能降低，这是不利的一方面。
（2）粉煤灰的微集料填充效应，能使混凝土孔隙细化，结构致密，在一定程度上能延缓碳化的程度，但是对防碳化扩散来说，是达不到混凝土的要求的。对于粉煤灰的不利影响，现在已有相应的措施加以改善。研究发现，当粉煤灰掺量等于或小于 40 、复掺矿渣粉至总量为 60%,70% 和 80% 时，混凝土碳化深度均比单掺 60% 粉煤灰混凝土的要低 ; 粉煤灰掺量为 50% 、矿渣粉掺量为 10% 时，混凝土的碳化深度也比单掺 60% 粉煤灰的要低得多。即使用粉煤灰与矿渣粉的复掺技术可显著缓和单掺粉煤灰混凝土抗碳化能力的下降，或在保持抗碳化性能不下降的情况下，可提高混凝土中掺合料的总量，降低水泥用量。
4. 抗氯离子渗透能力
掺粉煤灰混凝土有较强的抗氯离子渗透能力。混凝土中掺入粉煤灰，能够改善水泥石的界面结构，粉煤灰中活性成分火山灰反应生成的水化硅酸钙（ C-S-H ）填塞了水泥石中毛细孔隙，堵塞渗透通道，增强了混凝土的密实度，且 C-S-H 凝胶会吸附氯化物于其中，因而提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。进一步研究发现，同时掺粉煤灰和硅灰的混凝土抗氯离子渗透能力优于单掺粉煤灰混凝土，在硅灰掺量为 3% 的情况下，双掺粉煤灰和硅灰比单掺硅灰时的混凝土抗氯离子渗透能力更强，而硅灰掺量在 4% 和 5% 时，单掺硅灰比双掺时好。
结束语
在一定掺量下，粉煤灰混凝土和易性良好，强度影响不大。但粉煤灰掺量过大时,胶凝材料总量中的水泥熟料含量相对较少,熟料水化生成的Ca(OH)2量较少,减少了粉煤灰水化反应生成C2S2H 的比例,有些粉煤灰颗粒没有参与反应,难以有足够的生成物填充周围的空隙,所以混凝土强度会随粉煤灰掺量的增大(水泥用量减少) 呈明显下降趋势。在实际商品混凝土运用中,我们完全可以综合考虑成本造价、浇筑部位、施工工艺、养护条件等因素来决定粉煤灰的最佳掺量。
参考文献：
【1】汪振双，王立久. 冻融循环条件下粉煤灰对混凝土渗透性的影响[J]. 沈阳工业大学学报,2011.8，33(4):463-466.
【2】潘宏彬. 粉煤灰掺量对混凝土强度的影响[J] . 试验技术与试验机, 2006, 46(1): 42-46.