為了便于認(rèn)識(shí)粉煤灰在混凝土中的作用，先闡述一下混凝土的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。混凝土是由大小不同的顆粒所組成的，大顆粒粗骨料的空隙由中小顆粒的粗骨料(石子)填充;粗骨料顆粒的空隙由細(xì)骨料(砂子)填充，它的顆粒也是有粗有細(xì)，細(xì)顆粒填充粗顆粒之間的空隙;水泥漿則填充粗細(xì)骨料堆積體的大小空隙，并包裹它們形成一層潤滑層，使新拌混凝土(也稱拌合物)具有一定的工作性，能在外力或本身的自重作用下成型密實(shí)。硬化混凝土是一種復(fù)雜的、多相的復(fù)合材料，它的結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)相——骨料、硬化水泥漿體以及二者之間的過渡區(qū)，說它復(fù)雜是因?yàn)樗懿粍蛸|(zhì)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：
第一，過渡區(qū)的存在。過渡區(qū)是圍繞骨料顆粒周邊的一層薄殼，厚度約10～50μm。由于它的薄弱，對(duì)混凝土性能的影響十分顯著;第二，三相中的任一相，實(shí)際上還是多相體。例如一顆花崗巖的骨料里除了有微裂縫、孔隙外，還不均勻地鑲嵌著石英、長(zhǎng)石和云母三種礦物。石英很硬，而云母就很軟;第三，與其他工程材料不同，混凝土結(jié)構(gòu)中的兩相——硬化水泥漿體和過渡區(qū)是隨時(shí)間、溫度與濕度環(huán)境不斷變化著的。
(1)骨料相。通常在為混凝土選擇骨料時(shí)，首先注意的是它的顆粒強(qiáng)度，也就是說：它越堅(jiān)硬越好。事實(shí)上，由于骨料的強(qiáng)度通常比其他兩相的高很多，因此它對(duì)混凝土的強(qiáng)度并沒有直接的影響。但是它們的粒徑和形狀間接地影響混凝土強(qiáng)度：當(dāng)骨料最大粒徑越大、針片狀顆粒越多時(shí)，其表面積存的水膜越厚，過渡區(qū)相就越薄弱，硬化混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B透性也越差。所以，質(zhì)量好的骨料應(yīng)該是顆粒形狀均勻、級(jí)配好，堆積密實(shí)度高，所需要的漿體用量少。許多路面板之所以不耐久，骨料質(zhì)量差，尤其缺乏5~10mm粒徑的顆粒，因此傳荷能力和抗沖擊與疲勞能力受到嚴(yán)重影響是重要的原因。
(2)硬化水泥漿體(也稱水泥石)。在配制混凝土選用水泥時(shí)，都認(rèn)為標(biāo)號(hào)越高的水泥就越好。事實(shí)上，高標(biāo)號(hào)水泥因?yàn)橥ǔ７勰サ迷郊?xì)，在拌合時(shí)往往需要更多的水，硬化后生成更多薄弱的氫氧化鈣，多余的水分蒸發(fā)后也會(huì)形成更多的孔隙，對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性不利。但是，這樣的水泥水化反應(yīng)快，因此用它配制的混凝土早期強(qiáng)度高，這是它受歡迎，售價(jià)高的原因。
試驗(yàn)表明：即使所用骨料非常致密，混凝土的滲透性也要比相應(yīng)的水泥漿體低一個(gè)數(shù)量級(jí)。這說明混凝土體的滲透性并不直接取決硬化水泥漿體的滲透性，而是來自過渡區(qū)。剛澆筑成型的混凝土在其凝固硬化之前，骨料顆粒受重力作用向下沉降，含有大量水分的稀水泥漿則由于密度小的原因向上遷移，它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使骨料顆粒的周壁形成一層稀漿膜，待混凝土硬化后，這里就形成了過渡區(qū)。過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：1)富集大晶粒的氫氧化鈣和鈣礬石;2)孔隙率大、大孔徑的孔多;3)存在大量原生微裂縫，即混凝土未承載之前出現(xiàn)的裂縫。
因?yàn)檫^渡區(qū)的影響，使混凝土在比它兩個(gè)主要相能夠承受的應(yīng)力低得多的時(shí)候就被破壞;由于過渡區(qū)大量孔隙和微裂縫存在，所以雖然硬化水泥漿體和骨料兩相的剛性很大，但受它們之間傳遞應(yīng)力作用的過渡區(qū)影響，混凝土的剛性和彈性模量明顯地減小。
了解了混凝土的微結(jié)構(gòu)的特性及其對(duì)性能的影響后，就可以更好地認(rèn)識(shí)粉煤灰在混凝土中的作用。粉煤灰的主要作用可以包括以下幾方面：
1)填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤滑層，由于粉煤灰的容重(表觀密度)只有水泥的2/3左右，而且粒形好(質(zhì)量好的粉煤灰含大量玻璃微珠)，因此能填充得更密實(shí)，在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。
2)對(duì)水泥顆粒起物理分散作用，使其分布得更均勻。當(dāng)混凝土水膠比較低時(shí)，水化緩慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化得更充分。
3)粉煤灰和富集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng)，不僅生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物(與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同)，而且加強(qiáng)了薄弱的過渡區(qū)，對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)性能有顯著作用。
4)粉煤灰延緩了水化速度，減小混凝土因水化熱引起的溫升，對(duì)防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利。
下面對(duì)粉煤灰在混凝土中的作用及其機(jī)理做一些具體地分析。
長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外在混凝土中常摻有一定量粉煤灰，但作為水泥的替代材料，絕大多數(shù)情況下是以如下三種方式應(yīng)用的：在早期強(qiáng)度要求很低，長(zhǎng)期強(qiáng)度大約在25~35MPa的大體積水工混凝土中，大摻量地替代水泥使用;在結(jié)構(gòu)混凝土里較少量地替代水泥(10~25%);在強(qiáng)度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。
對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理和應(yīng)用技術(shù)，多年來進(jìn)行了大量的研究工作，取得了不少進(jìn)展，這些進(jìn)展對(duì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用起了一定的推動(dòng)作用。如摻用的方法從等量替代水泥，發(fā)展到超摻法、代砂法以及與化學(xué)外加劑同時(shí)使用的雙摻法。對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理，從主要是火山灰質(zhì)材料特性的作用(消耗了水泥水化時(shí)生成薄弱的，而且往往富集在過渡區(qū)的氫氧化鈣片狀結(jié)晶，由于水化緩慢，只在后期才生成少量C-S-H凝膠，填充于水泥水化生成物的間隙，使其更加密實(shí))，逐步發(fā)展到分析它還具有形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)等。但無論哪一方面的研究成果，似乎都改變不了這樣一個(gè)事實(shí)：在混凝土中摻粉煤灰要降低混凝土的強(qiáng)度，包括28天齡期以后一段時(shí)間里的強(qiáng)度，其他性能當(dāng)然也相應(yīng)受到不同程度的影響，而且這些影響要隨著摻量的增大而加劇。這個(gè)事實(shí)始終禁錮著粉煤灰在混凝土中，尤其是結(jié)構(gòu)混凝土中的摻量，而且似乎形成了這樣一種成見：摻用粉煤灰是以犧牲結(jié)構(gòu)混凝土的品質(zhì)為代價(jià)的。
事實(shí)上，如前所述，由于高效減水劑的應(yīng)用，使混凝土的水膠比可以大幅度降低，從而使摻用粉煤灰的效果大為改善，使大摻量粉煤灰混凝土的性能能夠大幅度地提高。
1)水膠比的影響
水膠比的上述變化為什么影響這么大呢?在高水膠比的水泥漿里，水泥顆粒被水分隔開(水所占體積約為水泥的兩倍)，水化環(huán)境優(yōu)異，可以迅速地生成表面積增大1000倍的水化物，有良好地填充漿體內(nèi)空隙的能力。粉煤灰雖然從顆粒形狀來說，易于堆積得較為密實(shí)，但是它水化緩慢，生成的凝膠量少，難以填充密實(shí)顆粒周圍的空隙，所以摻粉煤灰水泥漿的強(qiáng)度和其他性能總是隨摻量增大(水泥用量減少)呈下降趨勢(shì)(當(dāng)然在早齡期就更加顯著)。
在低水膠比的水泥漿里情況就不一樣了。不摻粉煤灰時(shí)，高活性的水泥因水化環(huán)境較差，即缺水而不能充分水化，所以隨水灰比下降，未水化水泥的內(nèi)芯增大，生成產(chǎn)物量下降，但由于顆粒間的距離減小，要填充的空隙也同時(shí)減小，因此混凝土強(qiáng)度得到迅速提高。這種情況下用粉煤灰代替部分水泥，在低水膠比條件下(例如0.3左右)，水泥的水化條件相對(duì)改善，因?yàn)榉勖夯宜徛够炷翆?shí)際的“水灰比”增大，水泥的水化因而加快，這種作用機(jī)理隨著粉煤灰的摻量增大愈加明顯(例如摻量為50%左右，初期實(shí)際水灰比則接近0.6)，水泥水化程度的改善，則有利于粉煤灰作用的發(fā)揮，然而與此同時(shí)，需要粉煤灰水化產(chǎn)物填充的空隙已經(jīng)大大減小，所以其水化能力差的弱點(diǎn)在低水膠比條件下被掩蓋，而它降低溫升等其它優(yōu)點(diǎn)則依然起著有利于混凝土性能的作用。以上所述低水膠比下粉煤灰作用的變化，我們可以用一個(gè)“動(dòng)態(tài)堆積”的概念來認(rèn)識(shí)，這是相對(duì)于長(zhǎng)期以來沿用的靜態(tài)堆積而言的。即通常在選擇原材料和配合比時(shí)，是以各種原材料在加水之前的堆積盡量密實(shí)為依據(jù)的，但是當(dāng)加水?dāng)嚢韬螅貏e是在低水膠比條件下，如何通過粉狀顆粒水化的交叉進(jìn)行，使初始水膠比盡量降低，混凝土單位用水量盡量減少，配制出的混凝土在密實(shí)成型的前提下，經(jīng)過水化硬化過程，形成的微結(jié)構(gòu)應(yīng)該是更為密實(shí)的。上述大摻量粉煤灰混凝土的例子中，每方混凝土的用水量?jī)H100kg左右，要比目前配制普通混凝土少幾十公斤，就是明顯的證據(jù)。有人曾進(jìn)行過低水灰比(水膠比)摻/不摻粉煤灰凈漿的結(jié)合水測(cè)定試驗(yàn)：摻有30%粉煤灰，水膠比為0.24的凈漿，要比水灰比為0.24的純水泥漿在28d時(shí)的結(jié)合水還多，證實(shí)上述摻粉煤灰后改善了水泥在低水灰比條件下水化程度的說法。因此低水膠比條件下，大摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度發(fā)展與空白混凝土接近，而后期仍有一定幅度的增長(zhǎng)，在一定范圍內(nèi)隨摻量變化的影響不大。當(dāng)然，粉煤灰代替水泥用量大了，由于起激發(fā)作用的氫氧化鈣含量減少，使粉煤灰的水化條件劣化，所以在不同條件下存在一最佳粉煤灰摻量，并不是越大越好。
2)溫度的影響
眾所周知，溫度升高時(shí)水泥水化的速率會(huì)顯著加快。研究表明：與20℃相比，30℃時(shí)硅酸鹽水泥的水化速率要加快一倍。由于近些年來大型、超大型混凝土結(jié)構(gòu)物的建造，構(gòu)件斷面尺寸相應(yīng)增大;混凝設(shè)計(jì)土強(qiáng)度等級(jí)的提高，使所用水泥標(biāo)號(hào)提高、單位用量增大;又由于水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展，使其所含水化迅速的早強(qiáng)礦物硅酸三鈣含量提高、粉磨細(xì)度加大，這些因素的疊加，導(dǎo)致混凝土硬化時(shí)產(chǎn)生的溫升明顯加劇，溫峰升高。
在達(dá)到溫峰后的降溫期間，混凝土產(chǎn)生溫度收縮(也稱熱收縮)引起彈性拉應(yīng)力;另一方面，混凝土水膠比的降低，又會(huì)使因水泥水化產(chǎn)生的自身收縮增大，同樣產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力;而混凝土的水灰比(水膠比)降低，早期水化加快，混凝土的彈性模量隨強(qiáng)度的提高而增大，進(jìn)一步加劇了彈性拉應(yīng)力增長(zhǎng);與此同時(shí)，混凝土的粘彈性，即對(duì)于彈性拉應(yīng)力的松弛作用卻顯著地減小，這一切，都導(dǎo)致近些年來許多結(jié)構(gòu)物在施工期間，模板剛拆除或以后不久就發(fā)現(xiàn)表面大量裂縫。除了凝固前的塑性裂縫以外，硬化混凝土早期出現(xiàn)的裂縫往往深而長(zhǎng)(實(shí)際上不可見裂縫的長(zhǎng)度和深度，要遠(yuǎn)比可見裂縫大得多)。為了防止可見裂縫的出現(xiàn)，目前常采取外包保溫措施，以減小內(nèi)外溫差，這種做法被認(rèn)為是有效措施而迅速地得到推廣。但是沒有注意到：由于外保溫阻礙了混凝土水化熱的散發(fā)，加劇了體內(nèi)的溫升，混凝土體溫度升高，使水泥水化加速，早期強(qiáng)度發(fā)展更加迅速，因此也更容易出現(xiàn)裂縫，只是由于鋼筋的約束和對(duì)應(yīng)力的分散作用，使少量寬而長(zhǎng)的可見裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅糠稚⒌牟豢梢娏芽p，它們將為侵蝕性介質(zhì)提供通道，影響結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性。同時(shí)較大的彈性拉應(yīng)力還可能引起鋼筋達(dá)到屈服點(diǎn)而滑移，從而可能影響結(jié)構(gòu)的使用功能。
與水泥相比，粉煤灰受溫度影響更為顯著，即溫度升高時(shí)它的水化明顯加快。所以當(dāng)混凝土澆注時(shí)環(huán)境溫度與混凝土體溫度較高時(shí)，對(duì)純水泥混凝土來說，由于溫升帶來不利的影響，而對(duì)摻粉煤灰混凝土來說，則不僅溫升下降，減小了混凝土因溫度開裂的危險(xiǎn)，同時(shí)由于加快火山灰反應(yīng)，還提高了28天強(qiáng)度。
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