水泥混凝土中粉煤灰的研究和应用

水泥混凝土中粉煤灰的研究和应用

宋卫锋

广州骏升检测技术有限公司 511458

【关键词】水泥混凝土；粉煤灰；研究和应用

0引言

现今我们在水泥混凝土工程中或多或少的掺用矿物掺合料，本文通过介绍我们工程中所常见使用的矿物掺合料（粉煤灰），来达到带领大家初步了解矿物掺合料的应用目的。

一、矿物掺合料定义及分类

1、定义  矿物掺合料，它不同于水泥生产时与熟料一起磨细而成的混合材，它是指在混凝土或砂浆搅拌前或搅拌过程中加入的，具有一定细度或活性的用于改善新拌混凝土性能的某些矿物类产品。

2、分类  掺合料按其性质可分为两类，分别为活性掺合料和非活性掺合料。目前，使用的矿物掺合料绝大部分是具有一定活性的掺合料，如粉煤灰、磨细矿渣粉、硅灰、天然沸石粉等。复合掺合料指这些掺合料的复合物。

二、粉煤灰的分类

粉煤灰作为矿物掺合料的一种，它的分类主要有以下几种方法：

1、按煤种和氧化钙含量分类  F类粉煤灰是由无烟煤或烟煤燃烧收集而来的，这一类粉煤灰具有火山灰性能。C类氧化钙含量一般大于10%，由褐煤或次烟煤燃烧收集而来，这一类粉煤灰除具有火山灰性能外，同时显示某些胶凝性。具体而言，它们是按照燃烧不同类型的煤来获得的。 F类粉煤灰由无烟煤或烟煤燃烧而来，C类粉煤灰由褐煤或次烟煤燃烧而来。

2、按对粉煤灰各项指标分类  粉煤灰中各项技术要求不同，又可以将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类等三类。它主要是从细度（45µm方孔筛筛余）、需水量比、烧失量、游离氧化钙等四个指标来进行分类。Ⅰ级灰：细度≤12%，需水量比≤95%，烧失量≤5%；Ⅱ级灰：细度≤25%，需水量比≤105%，烧失量≤8%；Ⅲ级灰：细度≤45%，需水量比≤115%，烧失量≤15%；

三、粉煤灰的化学成分

在粉煤灰的化学组成中，主要有硅、铝、铁、炭粒、CaO和少量的MgO、Na2O、K2O、SO3等成分。其中，硅含量最高，其次是铝，以复杂的复盐形式存在，酸溶性较差。铁含量相对较低，主要以氧化物形式存在，酸溶性好。粉煤灰中的有害成分是未燃尽炭粒，其吸水性大，强度低，易风化。粉煤灰中的SiO2、Al2O3对粉煤灰的火山灰性质贡献很大，Al2O3对降低粉煤灰的熔点有利，使其易于形成玻璃微珠，均为资源化的有益成分。

四、粉煤灰在水泥混凝土中的作用和作用机理

1、粉煤灰在水泥混凝土中的作用表现在以下几个方面：

（1）填充作用  填充骨料颗粒的孔隙并包裹它们形成润滑层，粉煤灰的表观密度只有水泥的三分之二左右，而且粒形好、质量好的粉煤灰含大量的玻璃微珠，因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土中尤其显著。

（2）分散作用  当混凝土中水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分，对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀，使水泥水化反应更充分。

（3）火山灰作用  粉煤灰和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰作用，不仅生成具有胶凝性质的产物（与水泥中的硅酸盐的水化产物相同），而且改善了混凝土的各项性能。

（4）延缓作用  粉煤灰延缓了水泥的水化速度，减缓了混凝土中化学反应温度升高的速度，避免了混凝土中温度过快升高而导致混凝土产生裂缝。

综上所述，粉煤灰不仅可以取代部分水泥，减少混凝土中的水泥用量，降低成本。而且，可以改善混凝土拌合物和硬化混凝土的各项性能。

2、粉煤灰用作混凝土的掺合料能改善或提高混凝土的综合性能，其作用机理主要在于粉煤灰颗粒在混凝土中具有填充效应、火山灰效应和形态效应等效应。

（1）填充效应

混凝土为连续级配颗粒堆积体系，粗集料的间隙由细集料填充，细集料的间隙由水泥颗粒填充，水泥颗粒之间的间隙则需要更细的颗粒来填充。粉煤灰的主要矿物组成为海绵状玻璃体，铝硅酸盐玻璃微珠，这些球状玻璃体表面光滑、粒度细，质地致密，内比表面积小，一方面起到了很好增加混凝土的密实性，改善混凝土的和易性的作用；另一方面起到增加黏聚性，防止混凝土的泌水离析，改善可泵性的作用。

（2）火山灰效应

水泥从加水拌合开始与水结合发生水化反应，产生各种水化产物。C-S-H（水化硅酸钙），Ca（OH）2（氢氧化钙），Aft和Afm水化铝酸钙和水化硫铝酸钙等。随着水泥水化进行，生成氢氧化钙。混凝土中掺入粉煤灰吸收水泥水化时形成的氢氧化钙，且能促成水泥进一步水化生成更多有力的水化硅酸钙凝胶，使集料接口区的氢氧化钙晶粒变小，改善混凝土微观结构，粉煤灰通过二次水化反应改善混凝土的抗渗性，提高混凝土密实度。水泥浆体的孔隙率明显下降，强化了集料和胶凝从材料粘接力混凝土更加密实，使混凝土物理力学性能大大提高。

（3）形态效应

粉煤灰颗粒是煤粉在高温燃烧过程中形成的，绝大多数为玻璃微珠，这些玻璃体光滑、致密、粒细，比表面积小又有级配，能减少颗粒间的摩阻力，从而减少混凝土的用水量，起到了减水的作用；同时，硬化后的孔隙率降低，使密实度得以提高。

五、水泥混凝土中粉煤灰使用注意事项

1、预应力混凝土宜掺用Ⅰ级F类粉煤灰，掺用Ⅱ级F类粉煤灰时应经过试验论证。其它混凝土宜掺用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰，掺用Ⅲ级粉煤灰时应经过试验论证。

2、粉煤灰混凝土宜采用硅酸盐和普通硅酸盐水泥配置。采用其他品种的硅酸盐水泥时，应根据水泥中混合材料的品种和掺量，并通过试验确定粉煤灰的合理掺量。

3、粉煤灰与其他掺合料同时掺用时，其合理掺量应通过试验确定。

4、粉煤灰可与各类外加剂同时使用，但粉煤灰与外加剂的适应性应通过试验确定。

5、不同灰源、等级的粉煤灰不得混杂运输和存储，不得将粉煤灰与其他材料混杂，在运输和存储过程中应防止受潮、结块。

6、在运输、存储和使用时，应防止粉煤灰对环境的污染。

7、粉煤灰在混凝土中的掺量应通过试验确定，最大掺量不得超过相关要求规定。超过相关规定要求，应通过相关试验进行论证。对早期强度要求较高或环境温度、湿度较低条件下施工的粉煤灰混凝土宜适当降低粉煤灰掺量。不得不采用具有碱硅酸反应活性骨料时，粉煤灰的掺量应通过碱活性抑制试验确定。

8、混凝土配合的设计龄期应根据建筑物类型和实际的承载时间确定，并宜采用较长的设计龄期。

9、粉煤灰混凝土拌合物应搅拌均匀，搅拌时间应根据搅拌机类型由现场试验确定。混凝土浇筑时不得漏振或过振。振捣后的粉煤灰混凝土表面不得出现明显的粉煤灰浮浆层。浇筑完毕后，应及时进行保湿养护，养护时间不宜少于28天。低温施工时应对混凝土采取进行保温措施。现场不能满足养护条件要求时，应降低粉煤灰掺量。粉煤灰混凝土负温施工时，应采取相应的技术措施。

10、粉煤灰混凝土的质量检测项目包括塌落度和强度。掺引气剂的粉煤灰混凝土应测定混凝土含气量，有耐久性或其它特殊要求时，还应测定耐久性或其它检验项目。现场施工时应每4h至少测定1次塌落度，测定值允许偏差不得超过相关规定。掺引气剂粉煤灰混凝土，应每4h至少测定1次含气量，测定值偏差宜为±1%。

六、结语

我国是个产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。近年来，我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率约为7.3%，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加。据统计资料显示，1995年粉煤灰排放量达1.25亿吨，2000年约为1.5亿吨，2010年约为2亿吨，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。但粉煤灰作为一种固体废弃物，它的用途也是巨大的，在水泥混凝土中，它的用途主要有：①在混凝土中掺加粉煤灰节约了大量的水泥和细骨料，减少了用水量，改善了混凝土拌和物的和易性，增强了混凝土的可泵性；②减少了混凝土的徐变；减少了水化热、热能膨胀性，提高了混凝土抗渗能力，增加了混凝土的可修饰性。③提高了混凝土抗冲击能力，增强了抗冻性。同时，粉煤灰还具有其它方面的用途，主要有：①作为水泥生产的填料，可以代替部分黏土生产水泥，减少了对土地资源的破坏；②用于生产水泥混凝土，代替部分水泥，间接减少了水泥生产过程中的二氧化碳排放，保护了环境。同时，减少了资源的浪费。③用于沥青混凝土路面施工，通过沥青与粉煤灰混合，可以制成优质的路面材料。相比于常规沥青混凝土，这种复合材料更具有更好的性能。同时，粉煤灰作为填料也降低了沥青混凝土的生产成本。④应用于填埋场，显著提高了土壤的强度和水分容积，减少了填埋体积，增强了填埋质量。⑤作为工业原料来使用。总之，粉煤灰的作用和用途较多，对于水泥混凝土生产来说，粉煤灰尤其起了重要作用，研究和应用它，将是一项重要的工作。

参考文献：

［1］《粉煤灰混凝土应用技术规范》（GB/T 50146-2014）2015年01月01日实施。