王錫武

（長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000）

改革開放以來(lái)，我國(guó)基建規(guī)模迅速增長(zhǎng)，水泥用量成倍增長(zhǎng)。據(jù)調(diào)查，每生產(chǎn)1噸水泥就會(huì)產(chǎn)生0.9噸二氧化碳，這只是水泥石分解產(chǎn)生的二氧化碳量，而不包括水泥生產(chǎn)過程中消耗電力產(chǎn)生的二氧化碳量。溫室氣體是加速全球變暖的主要原因。同時(shí)，我國(guó)是用煤大國(guó)，因燒煤產(chǎn)生的灰渣量逐年增加，儲(chǔ)存灰渣占用了大量良田，若這些灰渣得不到有效利用，就會(huì)污染環(huán)境。為了促進(jìn)粉煤灰的合理利用，國(guó)家和地方政府分別出臺(tái)了鼓勵(lì)利用粉煤灰的政策，由最初的利用率不足10%提高到70%左右。從研究資料中可以看出，我國(guó)的粉煤灰主要用于建筑工程和基礎(chǔ)建設(shè)，這是提高粉煤灰利用率的最有效途徑。

1 粉煤灰的活化特性

粉煤灰是從火電廠煙道中收集的粉末，屬于火電廠的主要廢棄物。粉煤灰的主要成分包括二氧化硅、氧化鋁和氧化鐵，這些主要的礦物成分多以不穩(wěn)定的玻璃體形式存在。粉煤灰具有潛在的火山灰特性，在堿激發(fā)的條件下可發(fā)生水化反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度的鈣礬石和硅酸凝膠。粉煤灰最初是作為活性摻合料添加到硅酸鹽水泥中，以調(diào)整水泥標(biāo)號(hào)。粉煤灰的摻入可在一定程度上改善水泥的某些特性，使水泥的應(yīng)用范圍更廣。同時(shí)，可以提高混凝土的產(chǎn)量、降低成本。通過對(duì)粉煤灰自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的研究，發(fā)現(xiàn)粉煤灰分子間的化學(xué)鍵能更高、粘合度較高，常溫下粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定。但其化學(xué)活性較低，水化反應(yīng)速度非常緩慢。要想充分發(fā)揮粉煤灰的活性，可采取以下三種途徑：

（1）分選加工。將粉煤灰按不同顆粒大小進(jìn)行分選，在相同質(zhì)量的情況下，顆粒更細(xì)的粉煤灰總表面積更大、活性更高。分選的優(yōu)勢(shì)在于將粉煤灰按照顆粒細(xì)度進(jìn)行分級(jí)，這是一種常用的分級(jí)定價(jià)方法，適用于對(duì)粉煤灰性能有不同要求的工程領(lǐng)域；分選粉煤灰的弊端是未改變粉煤灰的顆粒形態(tài)、破壞粉煤灰顆粒表面的玻璃體結(jié)構(gòu)，只是將粉煤灰顆粒分成不同的細(xì)度級(jí)別，細(xì)度越小，其活性越高，但分選出來(lái)的中顆粒和粗顆粒粉煤灰活性比分選前的活性更低，在本質(zhì)上并沒有改善分選前粉煤灰的總體活性。

（2）將粉煤灰進(jìn)行二次加工處理。主要是將粉煤灰原粉充分研磨，將粉煤灰顆粒表面堅(jiān)硬且密實(shí)的玻璃質(zhì)外殼磨碎，以增加火山灰效應(yīng)的表面積，使混凝土的鈣離子更容易與粉煤灰玻璃質(zhì)中的硅、鋁結(jié)合。微觀機(jī)理分析得知，磨細(xì)的粉煤灰晶體原有狀態(tài)被破壞且粉煤灰顆?；瘜W(xué)鍵被切斷，能夠生成分子活性更高的原子基團(tuán)和帶電荷界面。同時(shí)，粉煤灰的結(jié)構(gòu)形狀更不規(guī)則且顆粒缺陷更高，粉煤灰顆?；钚愿摺Ｄ芰拷嵌确治龅弥?，將粉煤灰磨細(xì)后可增加顆粒的化學(xué)性能、不穩(wěn)定性和活性。綜合分析得知，磨細(xì)的粉煤灰無(wú)論是其活化效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)，還是其經(jīng)濟(jì)性，在二次加工的整體方面優(yōu)勢(shì)更明顯。

（3）摻入化學(xué)激發(fā)劑。通過一定量的化學(xué)激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰的堿性或硫酸鹽，可有效激發(fā)粉煤灰的活性。但應(yīng)嚴(yán)格控制激發(fā)劑的用量，當(dāng)激發(fā)劑摻入量較少時(shí)，激發(fā)效果不明顯；當(dāng)激發(fā)劑摻入過量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些不利影響。所以，一定要控制激發(fā)劑用量。經(jīng)試驗(yàn)研究得知，水泥可有效激發(fā)粉煤灰，且十分經(jīng)濟(jì)、適用性更高，兩者的細(xì)度是影響活性的關(guān)鍵因素，水泥和粉煤灰的顆粒細(xì)度越小，激發(fā)效果越明顯。因此，在混凝土中摻入粉煤灰十分科學(xué)，工程適用性更高。

2 粉煤灰對(duì)混凝土工作性能的影響

（1）粉煤灰的密度比水泥小，在配制混凝土?xí)r，用粉煤灰替代水泥可在一定程度上增加混凝土的漿體體積。

（2）混凝土的工作性能主要與混凝土的配合比設(shè)計(jì)有關(guān)。在配合比相同的情況下，用粉煤灰替代水泥可增加混凝土的漿體體積和漿體塑性，具有降低混凝土漿體黏度的作用。同時(shí)，可增加混凝土漿體中氧化鈣和二氧化硅的濃度，在一定程度上降低水泥和粉煤灰處于高堿環(huán)境中顆粒分散度的穩(wěn)定性，有效改變混凝土的流變特性。

（3）粉煤灰原有顆粒形貌多為球形，若采用分選的粉煤灰，粉煤灰的原有顆粒形貌不受破壞。當(dāng)拌和混凝土?xí)r，球形粉煤灰在混凝土中充當(dāng)滾珠，可有效降低混凝土的黏稠度，增加混凝土的流動(dòng)性。

（4）粉煤灰的用水量相較于水泥更低。在用水量相同的情況下，用粉煤灰替代水泥配制混凝土，其工作性能、坍落度更優(yōu)。但粉煤灰的替代量不宜過高，若替代量過高，將導(dǎo)致新拌混凝土保水性較差、混凝土的黏度變差，還會(huì)影響混凝土澆筑成型，延長(zhǎng)混凝土初凝和終凝的時(shí)間，過長(zhǎng)的終凝時(shí)間不利于混凝土養(yǎng)護(hù)成型。

3 粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

（1）粉煤灰的活化特性相對(duì)較低，當(dāng)用粉煤灰替代水泥配制混凝土?xí)r，隨著粉煤灰用量的增加，混凝土漿體中的水泥占比會(huì)下降，水泥含量降低將直接影響混凝土水化反應(yīng)的速度。水化反應(yīng)的成分主要由水泥提供，水泥遇水很快發(fā)生水化反應(yīng)，釋放大量熱量。摻入粉煤灰可降低混凝土攪拌和成型養(yǎng)護(hù)過程中釋放的熱量，使混凝土不易在攪拌過程中因溫度過高而縮短混凝土的初凝時(shí)間，在一定程度上可延長(zhǎng)初凝時(shí)間，有利于混凝土遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，降低長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸導(dǎo)致混凝土有較大坍落度的損失。

（2）大體積混凝土澆筑摻入粉煤灰，減少水泥用量，可有效降低因水泥水化反應(yīng)釋放的熱量，從而避免混凝土產(chǎn)生溫度裂縫而降低混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性能、抗離子侵蝕性能等。

（3）由于混凝土的早期強(qiáng)度較低，在混凝土中摻入粉煤灰會(huì)減少水泥含量，在一些建筑工程中會(huì)影響混凝土模板的周轉(zhuǎn)速度，影響施工進(jìn)度。因此，在一定程度上限制了粉煤灰的摻入量。粉煤灰的主要作用是在水泥水化產(chǎn)物的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)，經(jīng)大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰對(duì)混凝土的抗折和抗壓強(qiáng)度不會(huì)引起特殊影響。與普通混凝土相比，摻入粉煤灰的混凝土3天和7天抗壓強(qiáng)度更低（在相應(yīng)需求下，可通過摻入早強(qiáng)劑或調(diào)整混合料來(lái)提升混凝土的早期強(qiáng)度）。當(dāng)水泥的強(qiáng)度生成率降低后，粉煤灰會(huì)持續(xù)發(fā)生火山灰反應(yīng)。摻入粉煤灰的混凝土早期強(qiáng)度等于或低于普通混凝土，后期強(qiáng)度則等于或高于普通混凝土。對(duì)長(zhǎng)齡期粉煤灰強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率進(jìn)行試驗(yàn)研究，以28天強(qiáng)度作為基準(zhǔn)強(qiáng)度，摻入粉煤灰的混凝土360天強(qiáng)度與28天強(qiáng)度相比，提升了60%。而普通混凝土360天強(qiáng)度與28天強(qiáng)度相比，提升了30%?？梢?，28天強(qiáng)度并不能真實(shí)反映摻入粉煤灰對(duì)混凝土性能的提升效果。還有一些學(xué)者和專家對(duì)更長(zhǎng)齡期的粉煤灰混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)粉煤灰能顯著提升混凝土的終期強(qiáng)度，其耐久性能可持續(xù)10年以上，這一特點(diǎn)使粉煤灰成為生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土的有效成分。

4 粉煤灰混凝土的工程應(yīng)用

目前，粉煤灰已廣泛應(yīng)用于土建工程、預(yù)制混凝土制品、大體積混凝土等領(lǐng)域。在土建工程的主要應(yīng)用原因是粉煤灰具有較好的和易性、水密性。同時(shí)，還具有低水化熱、較小膨脹收縮、耐有害離子侵蝕性能強(qiáng)及后期強(qiáng)度高等特點(diǎn)。由于粉煤灰的耐海水侵蝕能力較強(qiáng)，并具有較好的水密性，使粉煤灰混凝土較好地應(yīng)用于臨海工程，如膠州灣跨海大橋、港珠澳跨海大橋、廈門大橋和海瀾大橋等。

（1）粉煤灰混凝土具有和易性好、后期強(qiáng)度高等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)或民用建筑的梁、板、柱和地面等部位。同時(shí)，其較好的和易性有利于混凝土澆筑過程中的振搗成型，更有利于現(xiàn)場(chǎng)施工。

（2）粉煤灰混凝土被預(yù)制混凝土制品廠廣泛應(yīng)用，其主要原因在于粉煤灰混凝土的和易性優(yōu)于普通混凝土。粉煤灰在一定程度上改善了混凝土的工作性能，縮短了混凝土的振搗時(shí)間。摻入粉煤灰的混凝土可有效改善混凝土制品成型后的外觀質(zhì)量，減少因混凝土流動(dòng)性差導(dǎo)致成型的預(yù)制混凝土表面產(chǎn)生較多氣泡和蜂窩麻面。同時(shí)，由于粉煤灰是電廠煙筒中的廢棄物，其價(jià)格更低，可在不降低預(yù)制混凝土制品強(qiáng)度的情況下取代一定量的水泥，減少水泥用量，從而降低預(yù)制混凝土構(gòu)件的成本，經(jīng)濟(jì)效益更好。

（3）針對(duì)大體積混凝土，如油井平臺(tái)、大型基礎(chǔ)及混凝土重力水壩等工程領(lǐng)域，混凝土的用量較大。當(dāng)選用普通水泥配制混凝土?xí)r，水化熱可引起較大的體積變化，使混凝土產(chǎn)生不同的膨脹變形和不同程度的裂縫，故在澆筑大體積混凝土?xí)r應(yīng)選用特殊水泥，如水化熱較低的低熱水泥或采取埋置水管冷卻降溫的方式。由于粉煤灰混凝土能顯著降低水化熱，比特殊水泥降溫更多，能延緩凝結(jié)時(shí)間，有利于大體積混凝土連續(xù)澆筑施工，還能在一定程度上改善混凝土的抗?jié)B性能，尤其對(duì)于低強(qiáng)度混凝土，水泥用量較少，其抗?jié)B效果更強(qiáng)。因此，用粉煤灰混凝土更適合澆筑大壩等大體積混凝土。

5 結(jié)語(yǔ)

粉煤灰具有優(yōu)良的活化特性，摻入粉煤灰的混凝土工作性能和力學(xué)性能均能得到不同程度的提升，由于粉煤灰混凝土性能良好，已廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。