摘要：我國的能源以燃煤為主，每年都有大量的粉煤灰排放，不僅占用土地，而且對環境造成很大的危害。由于粉煤灰對混凝土具有火山灰效應、形貌效應、填充效應等，近年來，越來越多的工程中使用粉煤灰為摻合料添加在混凝土中，使得混凝土的性能得到進一步的改善，同時降低了混凝土的成本，節約了資源。
關鍵詞：粉煤灰,混凝土,作用,性能
一 引言
二十世紀七十年代，美國佛羅里達州運輸局在建造跨越Tampa海灣分段預應力橋梁—陽光高架橋工程中，摻用了大量粉煤灰，工程取得了意外的成功。與此類似，我國港口工程建設部門通過試驗研究，并在深圳鹽田港建設過程中進行試用的基礎上，于2001年頒布的交通部行業規范《海港工程混凝土防腐蝕技術規范》里規定：“在受侵蝕作用嚴重的環境中應采用高性能混凝土，高性能混凝土中應摻有礦物摻合料，其中粉煤灰摻量為25%～50%，磨細礦渣摻量為50%～80%，硅灰摻量為5%～10%。”
近些年來，摻有礦物摻合料，主要是粉煤灰的混凝土在各種結構工程中的應用日益普遍，粉煤灰混凝土的耐久性能較一般混凝土要好，其建筑物的使用壽命增加，減少了國家的經濟投入。
二、粉煤灰對混凝土性能的改變可以分為三個階段：
2.1 新拌混凝土階段
2.1.1 凝結時間
由于粉煤灰具有火山灰的性質，混凝土中摻加粉煤灰后要推遲混凝土的凝結時間。隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的凝結時間就越長。摻加粉煤灰后混凝土的用水量減少，而凝結時間則相應的延長。粉煤灰摻量為25%的混凝土的延長時間如表1所示。不同的粉煤灰對混凝土的凝結時間有不同的影響，試驗所用粉煤灰為Ⅱ級灰。
2.1.2 和易性
一般常采用超量取代法設計粉煤灰混凝土，粉煤灰混凝土中膠凝物質—水泥和粉煤灰數量增加。粉煤灰的比重較輕，因此，相同重量的情況下，粉煤灰的體積大于水泥的體積。膠凝材料的漿體體積增加將使混凝土具有較好的可塑性和粘性，這些都將改善混凝土的和易性。
粉煤灰對混凝土和易性的改善還有以下幾點：1)優質粉煤灰中含有70%以上的球狀玻璃體，這些球狀玻璃體表面光滑無棱角，性能穩定，在混凝土的泵送、振搗過程中起著一種類似于軸承的潤滑作用。2)新拌混凝土中，水泥顆粒聚集成團，粉煤灰的摻入可有效的分散水泥顆粒，釋放更多的漿體來潤滑骨料，有利于混凝土工作性能的提高。3)品質良好的粉煤灰在同樣的稠度下，能減少混凝土的拌和用水量，使混凝土的水灰比降到更小，減少混凝土泌水和離析的現象。
2.1.3 泌水性
混凝土中摻入粉煤灰，能彌補水泥和細集料的不足，中斷砂漿基體中泌水渠道的連續性，同時，粉煤灰作為水泥的取代材料，在同樣的稠度下，會使混凝土的用水量有不同程度的降低，因而，摻用粉煤灰對改善混凝土的泌水性是有利的。
2.1.4 可泵性
粉煤灰混凝土具有良好的泵送性能。粉煤灰混凝土的保水性良好，其壓力泌水值較小，初期的壓力泌水率明顯低于不摻粉煤灰的混凝土。由于粉煤灰在混凝土中的緩慢的水化作用，導致粉煤灰混凝土的水化熱降低和水化熱高峰值的推遲，以及減水劑引起的大量微小氣泡所具有的阻止拌合物的沉降分層的作用，使得粉煤灰混凝土的塌落度損失明顯減少。粉煤灰的球形顆粒和光滑的表面，使混凝土在泵送及振搗過程中減小了摩擦阻力，有利于混凝土在泵送時自流和在振搗時的自密。
2.2 硬化中的混凝土階段
2.2.1 調節硬化過程
混凝土的硬化是混凝土終凝的延續，是混凝土強度增長的開始。粉煤灰混凝土的強度增長主要取決于粉煤灰火山灰效應，即粉煤灰中的活性組分與水泥漿體中的氫氧化鈣作用生產的二次水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣的速度與數量。但由于在氫氧化鈣薄膜與粉煤灰顆粒表面之間存在著水解層，鈣離子要通過水解層與粉煤灰的活性組分反應，反應產物在層內逐級聚集，水解層未被火山灰反應產物充滿到某種程度，不會使強度有較大的增長。
隨著水解層被反應產物充滿，粉煤灰顆粒和水泥水化產物之間逐步形成牢固聯系，從而導致混凝土強度、不透水性和耐磨性的增長，這就是粉煤灰混凝土早期強度增長較低，后期強度增長較高的主要原因。
2.2.2 降低水化熱
混凝土中水泥的水化熱是放熱反應，在混凝土中摻入粉煤灰，由于減少了水泥用量，可以降低混凝土的水化熱，特別是低鈣粉煤灰在頭幾天的水化程度并不明顯，所產生的水化熱僅有水泥的一半。1～28d齡期內，混凝土中摻入粉煤灰的百分數，就是溫升和水化熱的百分數。
粉煤灰混凝土水化放熱的多少和速率取決于水泥的物理、化學性能和摻入粉煤灰的量。例如。以重量計，用粉煤灰取代30%的水泥時，可使因水化熱導致的溫升降低15%左右。眾所周知，溫度升高時，水泥的水化熱速率會明顯的加快。研究表明，與20℃相比。在30℃時，硅酸鹽水泥的水化速率要加快一倍。一些大型、超大型的混凝土結構，其斷面尺寸加大，混凝土設計強度提高，所用水泥等級高，單位用量大，施行新標準后水泥的粉磨細度增大，這些因素的疊加，導致混凝土硬化過程溫升明顯加劇，這是導致很多混凝土結構物在施工期間，模板剛拆除就發現有大量的裂縫的原因。摻入粉煤灰后，可以減少水泥的水化熱，減少結構物因溫度而造成的裂縫。
2.3 硬化后的混凝土階段
2.3.1 提高后期強度
粉煤灰對混凝土強度有三種影響：減少用水量，增大膠凝材料的含量和通過長期火山灰反應提高混凝土的后期強度。
當原材料和環境條件一定時，摻粉煤灰混凝土的強度增長主要取決于粉煤灰的火山灰效應。粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物，能逐步與氫氧化鈣及高堿性水化硅酸鈣發生二次反應，生成強度較高的低堿性水化硅酸鈣，這樣不僅使水泥石中水化膠凝物質的數量增加，而且也使其質量得到大幅度的提高，有效的提高了混凝土的強度。粉煤灰的摻入可分散水泥顆粒，使水泥水化更充分，提高水泥漿的密實度，使混凝土中骨料與水泥漿的界面強度提高。
粉煤灰對抗拉強度和抗彎強度的貢獻比抗壓強度還要大，這對混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的彈性模量與抗壓強度類似，早期偏低，后期逐步提高，到28d時可比基準混凝土提高5%～10%。
粉煤灰的二次水化反應一般在混凝土澆筑14天后開始進行，在低溫時，該反應所需時間更長。如果對混凝土早期強度有嚴格要求的，粉煤灰摻量不宜超過30%。冬季施工，非大體積混凝土時，粉煤灰摻量不宜超過20%。
2.3.2 提高各項耐久性
混凝土的耐久性包括抗凍性、抗滲性、抗侵蝕性等。
2.3.2.1抗凍性
粉煤灰混凝土28d以前齡期，混凝土的孔結構比較粗，故粉煤灰混凝土的早期抗凍性要下降。隨著齡期的增長，其抗凍性下降幅度減小。在等強超量取代的條件下，則對混凝土的抗凍性影響不大。在混凝土中以20%的粉煤灰代替相應的水泥，其抗凍性超過基準混凝土。但摻量太高(大于50%)時，經過150～200次凍融時，混凝土出現明顯的破壞。
混凝土的含氣量也是影響混凝土抗凍性能的重要因素。粉煤灰的含碳量、燒失量、碳化性質、細度及粉煤灰的摻量等都會影響混凝土的含氣量。對引氣量小于3.5%的粉煤灰混凝土其水灰比對抗凍性能有顯著的影響，水灰比越小，其抗凍性能越好。如果混凝土中有足夠的含氣量，則其水灰比對混凝土的抗凍性能影響較小。
從凍融破壞的原理可知：混凝土的抗凍融性和其內部的孔結構、原材的滲透系數、降溫速率、凍融次數、凍融齡期、混凝土的強度等因素有關。起重最重要的因素是它的孔結構，而混凝土的孔結構和強度又由混凝土的水灰比、水泥用量、水泥品種、骨料、含氣量、有無外加劑和養護方法等決定。
經過試驗表明，粉煤灰混凝土的28d抗凍性隨著粉煤灰摻量的增加而降低，隨強度等級的升高，抗凍性也明顯提高。此外，粉煤灰品質越好，其混凝土的抗凍性能越好。
2.3.2.2抗滲性
混凝土的抗滲性是指抵抗壓力水滲透的能力。混凝土滲透能力的形成，主要是由于混凝土中多余水分蒸發后留下了孔洞和孔道，同時新拌混凝土中因泌水在粗顆粒與鋼筋下緣形成的水膜，或泌水留下的孔道和水囊，在壓力水的作用下會形成內部滲水的渠道。再加上施工縫處理不好、振搗不密實等都能引起混凝土滲水，甚至引起鋼筋的銹蝕和保護層開裂、剝落等破壞現象。
當混凝土中摻入粉煤灰時，由于粉煤灰的火山灰反應，生成水化硅酸鈣，填充在縫隙中，因而增強了混凝土抗滲能力，且隨粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土抗滲性能也相應地提高。
試驗表明，粉煤灰混凝土的抗滲性能要比普通的混凝土好，主要是因為，粉煤灰改善了混凝土的和易性，容易澆搗密實，使混凝土結構密實度提高，摻入減水劑后，粉煤灰混凝土的工作性能得到進一步的改善，硬化混凝土密實度進一步提高，特別是膠凝材料水化的程度大幅度的提高。由于減水劑減小了混凝土的泌水性，而粉煤灰中活性成分與水泥組分在外加劑的激發下發生二次反應，產生的膠凝物質能夠細化和堵塞混凝土的滲水渠道，這對提高混凝土的抗滲性能起到有益的作用。
2.3.2.3抗侵蝕性
粉煤灰混凝土的抗侵蝕性能力比普通混凝土有所提高。一方面，由于減少水泥用量，也就減少了混凝土受侵蝕的內部因素，粉煤灰摻量越大，這種作用越明顯;另一方面，粉煤灰的細微顆粒均勻地分散到水泥漿體中，會成為大量水化物沉積的核心，隨著水化齡期的發展，這些細微顆粒及其水化產物填充水泥石孔隙，改善了混凝土的孔結構，逐步降低混凝土的滲透性，阻礙侵蝕性介質的侵入，提高了混凝土的抗侵蝕性能。
三 粉煤灰混凝土與普通混凝土性能的對比
在塌落度和二十八天強度對等的條件下，粉煤灰混凝土與普通混凝土性能對比結果如下：1)和易性、泌水性、水化性、抗侵蝕性等與普通混凝土相比有較大的改善;2)塌落度損失、最大抗壓強度、收縮性、抗滲性等好于普通混凝土;3)凝結時間、彈性模量、抗凍性、耐磨性等與普通混凝土相近;4)早期強度、抗碳化能力不及普通混凝土。
由于粉煤灰的水化速度小于水泥熟料，摻加粉煤灰后，粉煤灰混凝土早期強度低于普通混凝土，且粉煤灰摻量越高，早期強度就越低。粉煤灰混凝土的強度發展要比普通混凝土緩慢，這對工程施工進度有一定的影響，尤其是在冬季施工中更加突出。對于高抗凍性的混凝土中必須要摻入一定的引氣劑，低溫施工時要摻入早強劑或防凍劑，并采取相應的保溫措施。對早期脫模或提前負荷的混凝土要摻入高效減水劑或早強劑等外加劑。
要穩定粉煤灰混凝土的質量和提高粉煤灰在混凝土中的利用率，就必須提高和穩定粉煤灰的質量，因此，對于粉煤灰的開發和利用還有待于深入研究。
四 小結
粉煤灰混凝土的前期強度增長較少，后期強度增長較高，其收縮性、抗滲性、抗侵蝕性等效果顯著，體積穩定性和耐久性能良好。長期以來，我國在水利水電工程建設中廣泛應用了粉煤灰。近幾年，工業、民用建筑也逐步開始大量應用粉煤灰。在大體積結構混凝土、泵送混凝土、抗滲結構混凝土、碾壓混凝土中廣泛應用過了粉煤灰，此外，地下工程、港口工程、道路橋梁工程等均開始引用粉煤灰混凝土。今后，粉煤灰混凝土將在更多的工程領域中獲得更廣泛的應用。
