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摘要：基于粉煤灰資源的綜合利用，從粉煤灰的特性、物理及化學(xué)性質(zhì)入手，總結(jié)了粉煤灰混凝土在建筑行業(yè)的研究成果，探討了粉煤灰對(duì)混凝土相關(guān)性能的影響，同時(shí)也簡(jiǎn)要地探討了進(jìn)一步研究的方向。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；混凝土；力學(xué)性能

0引言

粉煤灰是煤燃燒后的固體廢渣，主要來(lái)自火力發(fā)電，它會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，因此早在上世紀(jì)20年代國(guó)外一些學(xué)者開(kāi)始了對(duì)粉煤灰的研究和利用［1］。美國(guó)學(xué)者R.E.戴維斯（Davis）在1935年首次對(duì)粉煤灰應(yīng)用到混凝土中進(jìn)行研究［2］。研究發(fā)現(xiàn)混凝土的性能不僅可以得到改善，而且還可以節(jié)約水泥用量。在之后不到五十年的時(shí)間，粉煤灰混凝土得到了廣泛應(yīng)用。由于經(jīng)濟(jì)條件、自然環(huán)境、科學(xué)水平及粉煤灰自身性質(zhì)的原因，許多國(guó)家在粉煤灰的利用率上存在較大差異。我國(guó)是在改革開(kāi)放初期才開(kāi)始將粉煤灰應(yīng)用在混凝土中，沈旦申［3］是我國(guó)率先對(duì)粉煤灰混凝土研究的學(xué)者。他撰寫(xiě)發(fā)表了《蒸養(yǎng)粉煤灰砌塊的生產(chǎn)和應(yīng)用》《粉煤灰效應(yīng)的探討》和近代具有技術(shù)指導(dǎo)意義的《粉煤灰混凝土》等三十多篇論文和著作；錢(qián)覺(jué)時(shí)［4］等研究了適量的熟石灰可以增加粉煤灰混凝土的抗碳化能力；金祖權(quán)［5］等建立了大摻量粉煤灰混凝土抗碳化能力的壽命預(yù)測(cè)模型。我國(guó)混凝土在粉煤灰的利用率上還有上升空間，在混凝土中利用粉煤灰不僅能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還能生產(chǎn)出綠色高性能混凝土，具有較好的生態(tài)效益和社會(huì)效益。

1粉煤灰的性質(zhì)

粉煤灰主要收集于電廠高溫燃燒煤炭排放的煙氣中，其性質(zhì)與火山灰相似，又稱飛灰［6］。

1.1物理性質(zhì)

粉煤灰是一種外觀和水泥相近的混合物，顏色一般在乳白色和灰黑色之間，平均直徑大概在2.5μm，其基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1［7］。

1.2化學(xué)性質(zhì)

不同地方不同的粉煤灰的化學(xué)成分其含量是不一樣的，其主要氧化物組成為：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%)。美國(guó)ASTM將其分為兩種類(lèi)型：F類(lèi)(SiO2+Al2O3+Fe2O3≥70%，具有火山灰活性)和C類(lèi)(SiO2+Al2O3+Fe2O3≥50%，具有水硬性)［8］。由于SiO2和Al2O3含量較高，其水化活性比較好。

2粉煤灰混凝土

粉煤灰混凝土的定義［9-10］：“摻入一定量粉煤灰的水泥混凝土”,對(duì)于粉煤灰取代水泥的最大限量、粉煤灰的摻用方法及使用要求、粉煤灰混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)以及配合比設(shè)計(jì)都有明確的規(guī)定，其質(zhì)量也應(yīng)符合GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的規(guī)定。

2.1粉煤灰對(duì)混凝土的影響

粉煤灰是活性材料，能夠改善水泥砂漿和粗骨料間的薄弱界面，從而提高混凝土的力學(xué)性能。一定摻量的粉煤灰替代水泥制成混凝土提高混凝土性能，粉煤灰的細(xì)度越小，球形顆粒越多，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應(yīng)原始狀態(tài)的粉煤灰表面相對(duì)粗糙，形狀并不規(guī)則且會(huì)粘連在一起，對(duì)改善混凝土性能有一定難度。采用球磨機(jī)對(duì)這種粉煤灰進(jìn)行球磨，可打破原本結(jié)構(gòu)的排列方式，使其顆粒重排改變顆粒級(jí)配，增大反應(yīng)面積。但是，粉煤灰當(dāng)中還有并未燃燒完的部分，是一種對(duì)混凝土有害的物質(zhì)，粉煤灰在水泥中的水化反應(yīng)稱為火山灰反應(yīng)，生成低堿度的C-S-H凝膠，火山灰反應(yīng)會(huì)降低水化的生成物濃度，有利于水化反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)生成的其他低堿性產(chǎn)物會(huì)填充空隙，對(duì)混凝土的密實(shí)度有更好的改善作用。水泥熟料中的水化反應(yīng)如下［11］：3CaO·SiO（硅酸三鈣）+nH22O→xCaO·SiO·yH22O(水化硅酸鈣凝膠)+(3-x)Ca(OH)2(氫氧化鈣晶體)x=1.5~2.02CaO·SiO2(硅酸二鈣)+nH2O→xCaO·SiO·yH22O(水化硅酸鈣凝膠)+(2-x)Ca(OH)2(氫氧化鈣晶體)x=1.5~2.0粉煤灰在自然養(yǎng)護(hù)條件下的水化反應(yīng)如下：SiO2+xCa(OH)2+(n-1)H2O→xCaO·SiO·nH22O(I型水化硅酸鈣凝膠)x=0.8~1.5A12O3+3Ca(OH)2+3H2O→3CaO·A12O3·6H2O(水化鋁酸鈣)粉煤灰在混凝土中的二次水化作用不僅可以提升混凝土的密實(shí)度，還可以提高混凝土的抗?jié)B性和抗硫酸的侵蝕性。2.1.2粉煤灰對(duì)混凝土性能的改善作用（1）工作性能摻入粉煤灰的混凝土具有較好的流動(dòng)性和黏聚性，可以保證較好的工作性能和水膠比。（2）抗裂性能摻入粉煤灰的混凝土不僅可以減少水泥用量，降低成本，而且還可以減少水的用量。隨著粉煤灰的增加，混凝土的熱膨脹系數(shù)會(huì)減小，減少水化放熱，可以降低施工時(shí)溫度差導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)裂縫，有助于改善其抗裂性能；摻入粉煤灰后的混凝土可以有效抑制堿骨料反應(yīng)，減少混凝土的裂縫；此外，摻入粉煤灰的混凝土可以有效抑制混凝土的自收縮性能，減小混凝土由自身收縮引起的裂縫。（3）早期強(qiáng)度混凝土的早期強(qiáng)度會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加而減小，這是因?yàn)槠鸪醴勖夯也](méi)有參與水化反應(yīng)，且因?yàn)榉勖夯业募尤霚p少了初期水泥和水的用量，從而降低了混凝土的水化速度，延長(zhǎng)了凝固時(shí)間，導(dǎo)致混凝土早期強(qiáng)度下降。改善混凝土早期強(qiáng)度可以有以下幾個(gè)辦法［12］：①適量加入粉煤灰，選擇合適的配合比，采用配量較低的水膠比，讓粉煤灰的使用效率達(dá)到最大化；②加入一定量的激發(fā)劑，從而破壞影響水化反應(yīng)的化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)，提高粉煤灰的化學(xué)活性；③摻入其他的摻合料使其充分混合，如硅灰、礦渣等，補(bǔ)充粉煤灰的性能缺陷；④加入適量的外加劑，使混凝土中的物質(zhì)充分發(fā)揮作用使其達(dá)到更優(yōu)的配合比；⑤使用蒸養(yǎng)養(yǎng)護(hù)或者濕熱養(yǎng)護(hù)。（4）抗碳化性能在混凝土中摻入粉煤灰，會(huì)因?yàn)槎嗡磻?yīng)減少Ca(OH)2含量，從而降低混凝土中的pH值，因此混凝土抗碳化性能也會(huì)隨之降低。粉煤灰混凝土的碳化深度和碳化時(shí)間會(huì)以正比例關(guān)系的形式出現(xiàn)［13］。龔洛書(shū)［14］等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土碳化深度也會(huì)隨之增加?？赏ㄟ^(guò)2種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堿性強(qiáng)度，加入熟石灰是增強(qiáng)粉煤灰混凝土堿性最好且最經(jīng)濟(jì)的方法。②改善粉煤灰混凝土的抗?jié)B性能。相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明［15］，養(yǎng)護(hù)方式的不同也會(huì)對(duì)粉煤灰混凝土的抗碳化能力有影響，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間和水養(yǎng)護(hù)的處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；預(yù)碳化再堿化的養(yǎng)護(hù)處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；摻入適量的HCSA膨脹劑也能提高粉煤灰混凝土的抗碳化能力［16］。（5）后期強(qiáng)度田志高［17］對(duì)粉煤灰分別進(jìn)行了雙向排水和單向排水模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)充填的厚度越小，振密后的壓實(shí)度就會(huì)越大，充填質(zhì)量越好，可以增強(qiáng)混凝土的后期強(qiáng)度。由于粉煤灰粒徑要比水泥小，作為摻合料替代水泥時(shí)，會(huì)填充水泥孔隙以增大密實(shí)度，并且使水灰比適當(dāng)降低，其良好的吸水性和球形顆?？梢允够炷辆哂懈玫牧鲃?dòng)性，提高粘結(jié)性能，使結(jié)構(gòu)更加致密，并且可以減小混凝土自重，隨著齡期的增加，會(huì)提高混凝土的后期強(qiáng)度。（6）耐久性摻入粉煤灰后的混凝土?xí)p小水泥孔隙比，增大接觸面積，使混凝土更密實(shí)，同時(shí)粉煤灰二次水化反應(yīng)的生成物會(huì)堵塞混凝土滲透通道，從而提高混凝土的抗?jié)B性，防止部分有害混凝土介質(zhì)的侵入，防止混凝土包裹的鋼筋銹蝕；其次會(huì)提高混凝土的抗凍性，降低混凝土開(kāi)裂、脫落；減少與鋁酸三鈣水化物的反應(yīng)，降低水泥中鋁酸三鈣導(dǎo)致的混凝土開(kāi)裂，提高混凝土的抗侵能力和抗凍性能，顯著提高混凝土的耐久性。（7）用粉煤灰替代部分水泥會(huì)降低水泥的使用量，有效地降低了造價(jià)。

2.2粉煤灰混凝土待研究的問(wèn)題及相關(guān)建議

（1）在摻入粉煤灰替代水泥的過(guò)程中，混凝土的各項(xiàng)性能的最優(yōu)值所對(duì)應(yīng)的配合比往往是不相匹配的，甚至完全有可能當(dāng)某種性能達(dá)到最優(yōu)的時(shí)候另外的性能已經(jīng)在受影響了，造成粉煤灰混凝土性能的缺陷，很多學(xué)者只考慮了部分性能的最優(yōu)配合比往往忽略了綜合性能的最優(yōu)配合比。所以綜合性能最優(yōu)配合比如何達(dá)到最大化是我們混凝土行業(yè)當(dāng)下需要解決的問(wèn)題。（2）粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度雖然相比普通混凝土而言有所改善，但其強(qiáng)度依然不高。石墨烯和粉煤灰的結(jié)合對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的研究目前看來(lái)還并沒(méi)有過(guò)多的涉足，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)［18］石墨烯的加入不僅可以促進(jìn)粉煤灰混凝土的水化速率，提高早期強(qiáng)度而且可以顯著的提高混凝土的抗壓強(qiáng)度等，但是還有很多性能許多學(xué)者并沒(méi)有展開(kāi)研究。就目前而言在粉煤灰中加入石墨烯是未來(lái)混凝土的新趨勢(shì)，它可以顯著提高混凝土的強(qiáng)度，制備新型高性能混凝土。（3）粉煤灰是疏水性質(zhì)材料，其保水性能不足，在研究保水性能好而且又能增強(qiáng)力學(xué)性能的材料問(wèn)題上，還未找到更好的方法。蚯蚓糞作為一種綠色高活性有機(jī)肥料，許多學(xué)者并沒(méi)有將其和混凝土聯(lián)系起來(lái)，將蚯蚓糞作為建筑行業(yè)新型材料無(wú)疑是一條新的路徑。首先，蚯蚓在消化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，有機(jī)酸與混凝土體系中的硅羧基發(fā)生化學(xué)鍵合，增強(qiáng)體系的力學(xué)性能，其次，蚯蚓糞具有良好的保水性能，可促進(jìn)混凝土充分水化，從而提升體系的力學(xué)性能［19］。目前將蚯蚓糞應(yīng)用在混凝土的研究還沒(méi)有展開(kāi)。

3結(jié)語(yǔ)

粉煤灰作為一種具有火山灰性質(zhì)的活性材料，已替代部分水泥。作為一種新興的建筑材料，粉煤灰的自身性能與水泥的結(jié)合在混凝土當(dāng)中的應(yīng)用與研究已經(jīng)被許多學(xué)者領(lǐng)悟，僅僅將粉煤灰作為單一摻合料已經(jīng)不能滿足混凝土行業(yè)的創(chuàng)新要求，未來(lái)將把粉煤灰作為主料，其他摻合料作為輔料及外加劑復(fù)合摻入水泥當(dāng)中制做混凝土結(jié)構(gòu)并研究混凝土各項(xiàng)性能；研究最適合的配合比滿足混凝土各項(xiàng)性能的要求。其次，還將對(duì)粉煤灰進(jìn)行改良以獲得性能更好的環(huán)?；炷?。

作者:周濤 謝雷 單位:延邊大學(xué)結(jié)構(gòu)工程土木工程研究室