彭玉發(fā)，祝云華，李訊，王青山，張曼妮

（內(nèi)江師范學(xué)院，四川內(nèi)江 641110）

0 引言

粉煤灰是煤炭燃燒后產(chǎn)生的固體廢渣，火力發(fā)電產(chǎn)生的粉煤灰固體廢渣數(shù)量龐大，將對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞，因此其處理利用成為了全世界科研工作者力圖攻克的問(wèn)題。上世紀(jì)20 年代國(guó)外一些學(xué)者開(kāi)始深入研究粉煤灰的利用。1935年，美國(guó)著名學(xué)者Davis 便開(kāi)始對(duì)燃煤發(fā)電后留下的粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響開(kāi)展研究，其研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰不僅在一定程度上可以改變混凝土的力學(xué)性能，而且還可以削減水泥用量。此后30 年的時(shí)間里，世界各國(guó)紛紛將粉煤灰用在混凝土中，粉煤灰混凝土開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。不過(guò)，因經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、人文等多種因素影響，在粉煤灰的合理利用方面，各國(guó)不一。在改革開(kāi)放初期，我國(guó)學(xué)者開(kāi)展了粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能影響研究，逐步將其應(yīng)用在混凝土中。我國(guó)對(duì)粉煤灰研究的集大成者是科學(xué)家沈旦申，他撰寫(xiě)發(fā)表了近代具有技術(shù)指導(dǎo)意義的著作《粉煤灰混凝土》。此外，錢(qián)覺(jué)時(shí)和金祖權(quán)等學(xué)者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[1]?？梢?jiàn)，對(duì)粉煤灰開(kāi)展研究具有重要意義。

1 粉煤灰性質(zhì)分析

粉煤灰，俗稱(chēng)飛灰，是由煤炭燃燒后從鍋爐底部隨著煙氣排出，接著由收塵設(shè)備收集的固體顆粒。電廠以安全、經(jīng)濟(jì)、效益發(fā)電為主，粉煤灰是電力生產(chǎn)的廢棄物，電廠一般不會(huì)調(diào)整煤種、煤的品質(zhì)、設(shè)備運(yùn)行狀況等來(lái)改變粉煤灰的質(zhì)量。粉煤灰作為我國(guó)主要的工業(yè)副產(chǎn)品之一，如何對(duì)其進(jìn)行有效利用是一個(gè)主要的問(wèn)題。目前，作為混凝土的摻合料是利用粉煤灰的途徑之一，這樣不但可以改善混凝土的性能，還可以有效利用粉煤灰，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。粉煤灰的特性主要是指它的活性，可以將粉煤灰的活性分成物理活性和化學(xué)活性。

1.1 物理活性

粉煤灰的粒度很細(xì)，在1μm 至數(shù)百μm 之間，我國(guó)粉煤灰的平均粒度小于20μm，比表面積范圍1500～5000cm2/g，平均比重約2.1g/cm2。粉煤灰形狀呈球形的玻璃體，外表面光滑，結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)表面積較小，具有較好的滲透性，毛細(xì)現(xiàn)象強(qiáng)烈。

物理活性主要包含了微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)，與本身的化學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)，是提升混凝土制品膠凝活性和改善混凝土制品性能（如強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性等）的各種物理效應(yīng)的總稱(chēng)。粉煤灰應(yīng)用中產(chǎn)生的微集料效應(yīng)起到“細(xì)化孔隙”、提高混凝土抗壓性能的作用；形態(tài)效應(yīng)主要表現(xiàn)在粉煤灰的粒度、顆粒形貌、級(jí)配、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生的效應(yīng)方面。這一系列的物理特性，不僅可以提高混凝土的流動(dòng)性，還對(duì)混凝土具有不同程度的減水作用等。

1.2 化學(xué)活性

粉煤灰是一種火山灰質(zhì)材料，主要氧化物組成成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等，其含量變化見(jiàn)表1。

表1 粉煤灰主要氧化物組成成分含量

粉煤灰的活性主要來(lái)自活性成分SiO2和Al2O3在堿性條件下發(fā)生的水化作用，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這些水化產(chǎn)物可以改變混凝土的孔隙率，增強(qiáng)混凝土各組分間的粘結(jié)作用。所以，組分中的SiO2、Al2O3和CaO 都是對(duì)混凝土活性有利的成分。對(duì)粉煤灰早期強(qiáng)度有一定作用的是硫在粉煤灰中主要以可溶性石膏（CaSO4）的形式存在，并且鈣含量對(duì)膠凝體的形成有利。

粉煤灰越來(lái)越廣泛地作為混凝土摻合料進(jìn)行應(yīng)用，在混凝土中摻入適量的粉煤灰，可以改善混凝土的一系列表現(xiàn)，如取代部分水泥，這便降低了混凝土的生產(chǎn)成本，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。而且在室溫下,混凝土中的氫氧化鈣晶體不穩(wěn)定，其與粉煤灰可發(fā)生二次水化反應(yīng)，填補(bǔ)了混凝土的毛細(xì)空間[2]，使得混凝土在強(qiáng)度上得到大幅提高。

而摻入不同的混凝土對(duì)性能的影響也是不同的，例如會(huì)影響到新拌混凝土的凝結(jié)時(shí)間、和易性、可泵性等，可提高硬化混凝土的后期強(qiáng)度、各項(xiàng)耐久性等。所以，在現(xiàn)代混凝土中，粉煤灰已經(jīng)與水泥、骨料、水等組分一樣，成為影響混凝土性能的一種重要組成成分，是一種安全性能良好的外加劑。

2 粉煤灰對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響試驗(yàn)

為了順利開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，共制作30 個(gè)立方體試件(15×15×15cm)，其中27 個(gè)試件用于抗壓試驗(yàn)，按持荷時(shí)間分為28、90、180天三組（每組3 個(gè)）。試件制作完成后，將制作好的試模隨軌枕鋼模放入同一個(gè)養(yǎng)護(hù)池內(nèi)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 天。養(yǎng)護(hù)完成后，將試件移至壓力試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)室溫度保持在20℃，相對(duì)濕度為60%，達(dá)到持荷時(shí)間后卸載，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取均值，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度分析。

水泥水化后的產(chǎn)物Ca（OH）2在與粉煤灰發(fā)生反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)生成了與C-S-H 凝膠具有相似組成和力學(xué)性能的可顯著降低毛細(xì)孔體積和孔徑的產(chǎn)物，該反應(yīng)生成的產(chǎn)物起到提高混凝土強(qiáng)度作用。同時(shí)，將粉煤灰加入到混凝土中還可以降低水化熱，可有效降低后期溫度裂縫產(chǎn)生率。研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰對(duì)混凝土的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)為三大效應(yīng)，即火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)及形態(tài)效應(yīng)[3]。粉煤灰的顆粒平均粒徑約比水泥顆粒小一個(gè)數(shù)量級(jí)，粉煤灰加入到水泥中時(shí)，其顆粒間相互融合，使混凝土間顆粒結(jié)合更加密切，使得混凝土更加密實(shí)。

當(dāng)混凝土保持原材料以及外部環(huán)境不變時(shí)，粉煤灰混凝土的強(qiáng)度取決于粉煤灰的“火山灰效應(yīng)”[4]，粉煤灰中的SiO2在與水泥混合時(shí)，其與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，產(chǎn)生的水化硅酸鹽C-S-H 凝膠呈纖維狀，該化合物具有很大的剛性和比表面積，使得混凝土各結(jié)構(gòu)間緊密結(jié)合在一起。粉煤灰混凝土凝膠粒子間還具有范德華力和化學(xué)鍵力，使得混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，增強(qiáng)了混凝土強(qiáng)度

研究證明，當(dāng)水泥中的水化產(chǎn)物Ca（OH）2薄膜覆蓋在粉煤灰顆粒表面時(shí)，便發(fā)生火山灰效應(yīng)，但由于兩者間存在著水解層，粉煤灰混凝土活性受到影響，鈣離子需通過(guò)水解層與粉煤灰活性成分反應(yīng)，此過(guò)程對(duì)混凝土強(qiáng)度活性有一定影響，但混凝土用粉煤灰的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）中沒(méi)有強(qiáng)度活性的指標(biāo)要求，此時(shí)，便可以不計(jì)粉煤灰加入到混凝土中產(chǎn)生的輕微的活性影響。鈣離子活性成分反應(yīng)主要作用是改善混凝土工作性能，例如減少用水量、提高混凝土密實(shí)性和流動(dòng)性、減少泌水與離析等[5]。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到表2，在混凝土中摻入粉煤灰后不僅會(huì)提高混凝土的中后期基礎(chǔ)強(qiáng)度，也會(huì)使混凝土在強(qiáng)度發(fā)展的齡期上發(fā)生變化。但是，大摻量粉煤灰替代水泥后，混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展較為緩慢，隨時(shí)間推移，后期強(qiáng)度則提高較多，一般情況下其抗壓強(qiáng)度在28～180d 期間增長(zhǎng)幅度較大[6]。與普通混凝土相比，摻有粉煤灰的混凝土在前7d 左右時(shí)強(qiáng)度較低且發(fā)展速度緩慢，到28d時(shí)粉煤灰混凝土將在強(qiáng)度上大于普通混凝土，并且在強(qiáng)度增長(zhǎng)速度上也快于普通混凝土。而到了60d 之后，粉煤灰混凝土無(wú)論是在強(qiáng)度上還是強(qiáng)度發(fā)展速度上都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的混凝土，這是因?yàn)樵诩尤肓朔勖夯液螅勖夯遗c水泥中的膠凝材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得原有結(jié)構(gòu)改變，加強(qiáng)了混凝土強(qiáng)度。

表2 長(zhǎng)齡期混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由此可見(jiàn)，在混凝土中摻加一定量的粉煤灰不僅會(huì)影響混凝土強(qiáng)度的變化，也會(huì)影響混凝土的齡期強(qiáng)度，對(duì)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)粉煤灰混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)齡期的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行探究。在本次研究實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)混凝土中粉煤灰摻量超過(guò)45%之后，混凝土強(qiáng)度將急劇降低，對(duì)于實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度增長(zhǎng)的探究沒(méi)有意義，所以實(shí)驗(yàn)采用的粉煤灰摻量在0～45%之間。同時(shí)為了清楚掌握粉煤灰混凝土強(qiáng)度隨齡期的變化特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)摻有不同粉煤灰含量的混凝土分別制作了7d、28d、60d、90d 和180d 的不同試件，并且分別對(duì)試件進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 粉煤灰混凝土強(qiáng)度隨齡期變化圖

如圖1 所示，隨著養(yǎng)護(hù)日期的增加，摻有粉煤灰的混凝土強(qiáng)度也按一定規(guī)律增長(zhǎng)。根據(jù)圖像變化可將強(qiáng)度增長(zhǎng)分為三個(gè)階段：

（1）第1 階段為劇烈增長(zhǎng)期。此時(shí)期主要存在于粉煤灰混凝土強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)的0～28d，在這段時(shí)間內(nèi)可以看見(jiàn)曲線明顯上升，代表這個(gè)階段的混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加急劇增長(zhǎng)；

（2）第2 階段為快速增長(zhǎng)期。此時(shí)期主要表現(xiàn)在粉煤灰混凝土強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)的28～90d，在這個(gè)階段雖然曲線仍在上升，但相較于第1 階段更為平緩一些，此時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度仍在增長(zhǎng)，且與普通混凝土相比其抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度依舊很快；

（3）第3 階段為緩慢增長(zhǎng)期。當(dāng)粉煤灰混凝土強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)達(dá)到第90d 以后，可以明顯觀察到圖中曲線變得非常平緩，說(shuō)明這個(gè)時(shí)期之后摻有粉煤灰的混凝土強(qiáng)度雖然仍在增長(zhǎng)，但是其增長(zhǎng)速度已十分微弱緩慢了。

由實(shí)驗(yàn)可以得到結(jié)論：粉煤灰混凝土強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，在早期時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，后期增長(zhǎng)速度逐漸減緩，最后趨于穩(wěn)定。

粉煤灰在混凝土中二次水化反應(yīng)使得膠凝材料之間、混凝土骨料與膠凝材料之間的結(jié)合更加緊密，從而降低了混凝土孔隙率，提高了骨料與膠凝材料的粘聚力，使混凝土力學(xué)性能得到顯著提高。采用內(nèi)摻的方式可以得出，如僅摻入粉煤灰，超過(guò)一定量的比例后，粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能影響效果較低；如選用多種摻和料，當(dāng)粉煤灰品質(zhì)一致時(shí)，隨著增大粉煤灰摻量，粉煤灰混凝土力學(xué)性能則會(huì)先提高再降低，粉煤灰摻量相同時(shí)，品質(zhì)越好，作用越大。加入了粉煤灰的混凝土能大幅度減少水化熱，可抑制堿骨料間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，何時(shí)將粉煤灰摻入混凝土需要進(jìn)一步把控。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能影響試驗(yàn)，得到了如下結(jié)論：

（1）與普通混凝土相比，隨著粉煤灰摻量從20%增加到30%,混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)粉煤灰摻量從30%增加到40%,其抗壓強(qiáng)度逐漸下降；

（2）當(dāng)混凝土水膠比為0.45，摻入粉煤灰量為30%時(shí)，混凝土在90d 及180d 抗壓強(qiáng)度取得最大值，90d 的抗壓強(qiáng)度為46.8MPa，180d為56.8MPa?？梢?jiàn)，粉煤灰在此范圍內(nèi)應(yīng)用最佳。

粉煤灰的研究對(duì)改善環(huán)境、提高生產(chǎn)效率，具有重大意義。在粉煤灰的應(yīng)用前景方面，粉煤灰主要來(lái)源于煤電的生產(chǎn)，但由于大面積霧霾爆發(fā)等對(duì)環(huán)境的破壞，以煤電為主的發(fā)展道路已漸漸轉(zhuǎn)向了綠色發(fā)展的道路，所以粉煤灰的產(chǎn)量將會(huì)被限制在一定范圍內(nèi)。因此粉煤灰在應(yīng)用方向上將更加明確，一是在建筑行業(yè)中，粉煤灰將大量取代傳統(tǒng)建材制品，如水泥；二是在農(nóng)業(yè)方面，粉煤灰可通過(guò)改善土壤的理化性質(zhì)，對(duì)黏質(zhì)、酸性土壤進(jìn)行改良，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。