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【摘要】粉煤灰掺入混凝土后，不仅可以取代部分水泥，降低混凝土的成本，保护环境，而且能与水泥互补短长，均衡协合，改善混凝土的一系列性能，粉煤灰混凝土具有明显的技术经济效益。
【关键词】粉煤灰；混凝土；强度；影响
Study on the Effect of fly ash concrete strength
Qian Wei
【Abstract】After the incorporation of fly ash concrete, not only can replace part of the cement, concrete to reduce costs, protect the environment, but also with cement complementary short length, balanced synergy to improve the performance of a series of concrete, fly ash concrete technology has obvious economic benefits.
【Key words】Fly;Concrete;Strength;Impact
粉煤灰是燃烧煤粉后收集到的灰粒，亦称飞灰，其化学成分主要是SiO2（45～65%）、Al2O3（20～35%）及Fe2O3（5～10%）和CaO（5％）等，粉煤灰掺入混凝土后，不仅可以取代部分水泥，降低混凝土的成本，保护环境，而且能与水泥互补短长，均衡协合，改善混凝土的一系列性能，粉煤灰混凝土具有明显的技术经济效益。
特别在高等级公路建中修建的大量水泥混凝土路面里，掺入粉煤灰，能改善路面水泥混凝土的性能，提高路面施工质量和施工效率，降低工程造价，是改善水泥混凝土路面使用效果的有效技术手段，能为水泥混凝土路面的发展应用创造新的空间。本文讨论了粉煤灰对混凝土强度的影响研究。
1. 粉煤灰对新拌混凝土的和易性影响
新拌混凝土的和易性受浆体的体积、水灰比、配合比设计、骨料的级配、形状、孔隙率等的影响。掺用粉煤灰对新拌混凝土的明显好处是增大浆体的体积。用粉煤灰取代等重量的水泥，粉煤灰的体积要比水泥约大30%。在根据强度要求按重质比大于1︰1（又称超量取代）用粉煤灰取代水泥时，多加的粉煤灰增大了细屑含量，因此增大了浆体——骨料比。大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。粉煤灰的骨料颗粒可以减少浆体——骨料间的界面摩擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善了新鲜混凝土的和易性。
2. 粉煤灰对新拌混凝土泌水的影响
粉煤灰的掺入可以补偿细骨料中的细屑不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性，同时粉煤灰作为水泥的取代材料在同样的稠度下会使混凝土的用水量有不同程度的降低，因而掺用粉煤灰对防止新拌混凝土的泌水是有利的。
3. 粉煤灰对混凝土拌合物引气作用的影响
新拌混凝土的空气含量一般在3﹪ 以内，与水泥的细度、骨料形状、级配以及震捣密实的程度等有关。当混凝土中掺入粉煤灰时，由于细屑组分的影响会使混凝土的空气含量减少1﹪ 左右。对烧失量超过6﹪的粉煤灰，由于碳颗粒在冷却过程中变成了封闭的玻璃态，因而防止了对引气剂吸附，保持了混凝土拌合物的原有含气量。
4. 粉煤灰对混凝土拌合物凝结时间的影响
掺粉煤灰的混凝土虽然初凝、终凝一般都能满足规范要求，但掺粉煤灰一般会使混凝土的凝结时间延长，粉煤灰导致的缓凝受其掺量、细度、化学成分等的影响，但对凝结时间影响更显著的是水泥性能，用水量，环境温、湿度等，与这些因素相比，粉煤灰的影响是极小的。
5. 掺粉煤灰对混凝土抗压强度的影响
（1）混凝土的抗压强度主要取决于水灰比，对掺与不掺粉煤灰的混凝土，如果二者的早期强度相同，则粉煤灰混凝土的后期强度将高于不掺的，粉煤灰对混凝土的强度有三重影响：减小用水量，增大胶结料含量和通过长期火山灰反应提高强度。
（2）如果用粉煤灰以等重量比例来取代水泥，则混凝土的早期强度将要降低；如果以2～3倍水泥质量的粉煤灰取代之，则3d 强度稍低于不掺粉煤灰的，28d 强度则大致相当，而90d 或更长龄期则高于不掺的。
（3）当水泥用量不变时，增大粉煤灰的掺量，则各龄期的强度都增大。当粉煤灰的掺量为水泥的120﹪时强度提高最大，而当粉煤灰的掺量提高到水泥的160﹪左右时，强度则稍微降低。如果混凝土拌和物中胶结料的体积保持不变且水泥部分地由粉煤灰取代，则强度会随粉煤灰的增大而降低，这是很明显的。
（4）当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要决定于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与混凝土的水泥浆体中的Ca（OH）2作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙的速度和数量。一些研究认为：粉煤灰在混凝土中，当Ca（OH）2薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时，就开始发生火山灰效应。但由于在Ca（OH）2
薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性组分反应，反应产物在层内逐渐聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大增长。随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，这就是掺粉煤灰的混凝土早龄期强度较低，后龄期强度增长较多的主要原因。
6. 掺粉煤灰对混凝土水化热的影响
（1）混凝土中水泥的水化反应是放热反应，在混凝土中掺入粉煤灰可以降低水化热，这是由于减少了水泥的用量。水化放热的多少和速度取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量，例如若按重量计用粉煤灰取代30﹪的水泥时，可使因水化热导致的绝热温升降低15﹪左右。众所周知，温度升高时水泥水化速率显著加快。研究表明：与20℃相比，30℃时硅酸盐水泥的水化速率要加快1倍。由于近年来大型、超大型混凝土结构的建造，构件断面尺寸相应增大；混凝土设计强度等级提高，使所用水泥等级提高，单位用量增大；又由于施行水泥新标准后，使早强矿物硅酸三钙含量提高，粉磨细度加大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化过程温升明显加剧，温峰升高。如某工程底层断面为1.6×1.6m的柱子，模板采用9号胶合板材料，施工季节为夏季，混凝土浇筑后柱心的温峰达到110℃。在达到温峰后的降温期间，混凝土产生温度收缩（也称热收缩）引起弹性拉应力；另一方面混凝土的水灰比（水胶比）降低，早期水化加快，混凝土的弹性模量随强度提高而增大，进一步加剧弹性拉应力增长。这是导致近些年来许多结构物在施工期间，模板刚拆除时就发现大量裂缝的原因。这种硬化混凝土早期出现的裂缝往往深而长。为了防止可见裂缝的出现，常采取外包保温的方法，以减少内外温差，因而被认为是有效措施得到迅速推广。但是却忽略了，由于外保温阻碍了混凝土水化热的散发，进一步加剧体内的温升，使混凝土体内温度继续升高，水泥水化加速，早期强度发展更加迅速，因此也更容易出现裂缝，只是由于钢筋的约束和对应力的分散作用，使少量宽而长的可见裂缝转化为大量分散的不可见裂缝，它们将为侵蚀性介质提供通道，影响结构混凝土的耐久性。同时较大的弹性拉应力还可能引起钢筋屈服产生滑移，从而影响结构的使用功能。
（2）与纯水泥混凝土一样，掺粉煤灰的混凝土由于水泥的水化随本体温度升高而加快，因此强度发展也要加快。这使得粉煤灰混凝土，即使是大掺量粉煤灰混凝土的强度发展在低水胶比的条件下，很快通过最初的缓慢凝结与硬化期，强度的发展迅速加快。有研究资料表明：掺30﹪的粉煤灰后，不仅温升可以降低近100℃，使温度收缩和开裂的危险减小，同时由于温升相同，其抗压强度在3d之前就超过了纯水泥混凝土。
7. 掺粉煤灰对混凝土的冻融耐久性影响
在混凝土中掺粉煤灰对其冻融耐久性有很大影响。当粉煤灰质量较差，粗颗粒多，含碳量高都对混凝土抗冻融性有不利影响。质量差的粉煤灰随掺量的增加，其抗冻融耐久性剧烈降低。但当掺用质量较好的粉煤灰同时适当降低水灰比，则可以收到改善抗冻融耐久性的效果。试验资料表明，当掺粉煤灰的混凝土水灰比在0.50以下，粉煤灰掺量在30﹪以内，对混凝土抗冻融耐久性的降低较少。此外，掺粉煤灰的混凝土只要抗压强度与含气量与不掺粉煤灰的混凝土相同，即在等强度、等含气量条件下，掺粉煤灰混凝土与不掺粉煤灰混凝土具有相等的抗冻融耐久性。关键在于混凝土引气后硬化混凝土中存在均匀分布的微气孔，这些微气孔在混凝土受冻时可容纳水结冰时所增大的部分体积。使混凝土免于因冰胀作用而破坏。
8. 掺粉煤灰对混凝土碳化和钢筋锈蚀的影响
通过长期研究和工程实践，尤其是近年来的工程调研资料表明，防止掺粉煤灰混凝土碳化，首要因素是确保粉煤灰混凝土的密实度。密实度差的不掺粉煤灰的混凝土同样有碳化问题。研究和调查结果表明，当用矿渣水泥掺15﹪粉煤灰，普通水泥掺20﹪粉煤灰，硅酸盐水泥掺25﹪粉煤灰时，采用超量取代法设计混凝土配合比，满足等稠度和等强度的要求时，对混凝土的碳化深度，钢筋锈蚀性能与不掺粉煤灰混凝土相比均明显地增大。
9. 粉煤灰与碱——骨料反应
碱——骨料反应是骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应生成吸水产物，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。当向混凝土中掺进粉煤灰后，粉煤灰和水泥中的碱反应，能够防止这种过度的膨胀。可见，粉煤灰对抑制混凝土中的碱——骨料反应是有利的。
参考文献
［1］田培，王玲. 国家标准GB 8076-2008《混凝土外加剂》应用指南 ［M］.中国标准出版社， 2009.
［2］陈斌.《建筑材料》［M］.重庆大学出版社， 2008.
［3］熊大玉，混凝土外加剂［M］.，北京：化学工业出版社，2002.
［文章编号］1006-7619（2014）06-26-366
［作者简介］ 钱卫（1978.5-），男，籍贯：浙江嵊州，职称：工程师，工作单位：浙江东城建设工程监理有限公司，研究方向：施工管理。
【关键词】粉煤灰；混凝土；强度；影响
Study on the Effect of fly ash concrete strength
Qian Wei
【Abstract】After the incorporation of fly ash concrete, not only can replace part of the cement, concrete to reduce costs, protect the environment, but also with cement complementary short length, balanced synergy to improve the performance of a series of concrete, fly ash concrete technology has obvious economic benefits.
【Key words】Fly;Concrete;Strength;Impact
粉煤灰是燃烧煤粉后收集到的灰粒，亦称飞灰，其化学成分主要是SiO2（45～65%）、Al2O3（20～35%）及Fe2O3（5～10%）和CaO（5％）等，粉煤灰掺入混凝土后，不仅可以取代部分水泥，降低混凝土的成本，保护环境，而且能与水泥互补短长，均衡协合，改善混凝土的一系列性能，粉煤灰混凝土具有明显的技术经济效益。
特别在高等级公路建中修建的大量水泥混凝土路面里，掺入粉煤灰，能改善路面水泥混凝土的性能，提高路面施工质量和施工效率，降低工程造价，是改善水泥混凝土路面使用效果的有效技术手段，能为水泥混凝土路面的发展应用创造新的空间。本文讨论了粉煤灰对混凝土强度的影响研究。
1. 粉煤灰对新拌混凝土的和易性影响
新拌混凝土的和易性受浆体的体积、水灰比、配合比设计、骨料的级配、形状、孔隙率等的影响。掺用粉煤灰对新拌混凝土的明显好处是增大浆体的体积。用粉煤灰取代等重量的水泥，粉煤灰的体积要比水泥约大30%。在根据强度要求按重质比大于1︰1（又称超量取代）用粉煤灰取代水泥时，多加的粉煤灰增大了细屑含量，因此增大了浆体——骨料比。大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。粉煤灰的骨料颗粒可以减少浆体——骨料间的界面摩擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善了新鲜混凝土的和易性。
2. 粉煤灰对新拌混凝土泌水的影响
粉煤灰的掺入可以补偿细骨料中的细屑不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性，同时粉煤灰作为水泥的取代材料在同样的稠度下会使混凝土的用水量有不同程度的降低，因而掺用粉煤灰对防止新拌混凝土的泌水是有利的。
3. 粉煤灰对混凝土拌合物引气作用的影响
新拌混凝土的空气含量一般在3﹪ 以内，与水泥的细度、骨料形状、级配以及震捣密实的程度等有关。当混凝土中掺入粉煤灰时，由于细屑组分的影响会使混凝土的空气含量减少1﹪ 左右。对烧失量超过6﹪的粉煤灰，由于碳颗粒在冷却过程中变成了封闭的玻璃态，因而防止了对引气剂吸附，保持了混凝土拌合物的原有含气量。
4. 粉煤灰对混凝土拌合物凝结时间的影响
掺粉煤灰的混凝土虽然初凝、终凝一般都能满足规范要求，但掺粉煤灰一般会使混凝土的凝结时间延长，粉煤灰导致的缓凝受其掺量、细度、化学成分等的影响，但对凝结时间影响更显著的是水泥性能，用水量，环境温、湿度等，与这些因素相比，粉煤灰的影响是极小的。
5. 掺粉煤灰对混凝土抗压强度的影响
（1）混凝土的抗压强度主要取决于水灰比，对掺与不掺粉煤灰的混凝土，如果二者的早期强度相同，则粉煤灰混凝土的后期强度将高于不掺的，粉煤灰对混凝土的强度有三重影响：减小用水量，增大胶结料含量和通过长期火山灰反应提高强度。
（2）如果用粉煤灰以等重量比例来取代水泥，则混凝土的早期强度将要降低；如果以2～3倍水泥质量的粉煤灰取代之，则3d 强度稍低于不掺粉煤灰的，28d 强度则大致相当，而90d 或更长龄期则高于不掺的。
（3）当水泥用量不变时，增大粉煤灰的掺量，则各龄期的强度都增大。当粉煤灰的掺量为水泥的120﹪时强度提高最大，而当粉煤灰的掺量提高到水泥的160﹪左右时，强度则稍微降低。如果混凝土拌和物中胶结料的体积保持不变且水泥部分地由粉煤灰取代，则强度会随粉煤灰的增大而降低，这是很明显的。
（4）当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要决定于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与混凝土的水泥浆体中的Ca（OH）2作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙的速度和数量。一些研究认为：粉煤灰在混凝土中，当Ca（OH）2薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时，就开始发生火山灰效应。但由于在Ca（OH）2
薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性组分反应，反应产物在层内逐渐聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大增长。随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，这就是掺粉煤灰的混凝土早龄期强度较低，后龄期强度增长较多的主要原因。
6. 掺粉煤灰对混凝土水化热的影响
（1）混凝土中水泥的水化反应是放热反应，在混凝土中掺入粉煤灰可以降低水化热，这是由于减少了水泥的用量。水化放热的多少和速度取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量，例如若按重量计用粉煤灰取代30﹪的水泥时，可使因水化热导致的绝热温升降低15﹪左右。众所周知，温度升高时水泥水化速率显著加快。研究表明：与20℃相比，30℃时硅酸盐水泥的水化速率要加快1倍。由于近年来大型、超大型混凝土结构的建造，构件断面尺寸相应增大；混凝土设计强度等级提高，使所用水泥等级提高，单位用量增大；又由于施行水泥新标准后，使早强矿物硅酸三钙含量提高，粉磨细度加大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化过程温升明显加剧，温峰升高。如某工程底层断面为1.6×1.6m的柱子，模板采用9号胶合板材料，施工季节为夏季，混凝土浇筑后柱心的温峰达到110℃。在达到温峰后的降温期间，混凝土产生温度收缩（也称热收缩）引起弹性拉应力；另一方面混凝土的水灰比（水胶比）降低，早期水化加快，混凝土的弹性模量随强度提高而增大，进一步加剧弹性拉应力增长。这是导致近些年来许多结构物在施工期间，模板刚拆除时就发现大量裂缝的原因。这种硬化混凝土早期出现的裂缝往往深而长。为了防止可见裂缝的出现，常采取外包保温的方法，以减少内外温差，因而被认为是有效措施得到迅速推广。但是却忽略了，由于外保温阻碍了混凝土水化热的散发，进一步加剧体内的温升，使混凝土体内温度继续升高，水泥水化加速，早期强度发展更加迅速，因此也更容易出现裂缝，只是由于钢筋的约束和对应力的分散作用，使少量宽而长的可见裂缝转化为大量分散的不可见裂缝，它们将为侵蚀性介质提供通道，影响结构混凝土的耐久性。同时较大的弹性拉应力还可能引起钢筋屈服产生滑移，从而影响结构的使用功能。
（2）与纯水泥混凝土一样，掺粉煤灰的混凝土由于水泥的水化随本体温度升高而加快，因此强度发展也要加快。这使得粉煤灰混凝土，即使是大掺量粉煤灰混凝土的强度发展在低水胶比的条件下，很快通过最初的缓慢凝结与硬化期，强度的发展迅速加快。有研究资料表明：掺30﹪的粉煤灰后，不仅温升可以降低近100℃，使温度收缩和开裂的危险减小，同时由于温升相同，其抗压强度在3d之前就超过了纯水泥混凝土。
7. 掺粉煤灰对混凝土的冻融耐久性影响
在混凝土中掺粉煤灰对其冻融耐久性有很大影响。当粉煤灰质量较差，粗颗粒多，含碳量高都对混凝土抗冻融性有不利影响。质量差的粉煤灰随掺量的增加，其抗冻融耐久性剧烈降低。但当掺用质量较好的粉煤灰同时适当降低水灰比，则可以收到改善抗冻融耐久性的效果。试验资料表明，当掺粉煤灰的混凝土水灰比在0.50以下，粉煤灰掺量在30﹪以内，对混凝土抗冻融耐久性的降低较少。此外，掺粉煤灰的混凝土只要抗压强度与含气量与不掺粉煤灰的混凝土相同，即在等强度、等含气量条件下，掺粉煤灰混凝土与不掺粉煤灰混凝土具有相等的抗冻融耐久性。关键在于混凝土引气后硬化混凝土中存在均匀分布的微气孔，这些微气孔在混凝土受冻时可容纳水结冰时所增大的部分体积。使混凝土免于因冰胀作用而破坏。
8. 掺粉煤灰对混凝土碳化和钢筋锈蚀的影响
通过长期研究和工程实践，尤其是近年来的工程调研资料表明，防止掺粉煤灰混凝土碳化，首要因素是确保粉煤灰混凝土的密实度。密实度差的不掺粉煤灰的混凝土同样有碳化问题。研究和调查结果表明，当用矿渣水泥掺15﹪粉煤灰，普通水泥掺20﹪粉煤灰，硅酸盐水泥掺25﹪粉煤灰时，采用超量取代法设计混凝土配合比，满足等稠度和等强度的要求时，对混凝土的碳化深度，钢筋锈蚀性能与不掺粉煤灰混凝土相比均明显地增大。
9. 粉煤灰与碱——骨料反应
碱——骨料反应是骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应生成吸水产物，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。当向混凝土中掺进粉煤灰后，粉煤灰和水泥中的碱反应，能够防止这种过度的膨胀。可见，粉煤灰对抑制混凝土中的碱——骨料反应是有利的。
参考文献
［1］田培，王玲. 国家标准GB 8076-2008《混凝土外加剂》应用指南 ［M］.中国标准出版社， 2009.
［2］陈斌.《建筑材料》［M］.重庆大学出版社， 2008.
［3］熊大玉，混凝土外加剂［M］.，北京：化学工业出版社，2002.
［文章编号］1006-7619（2014）06-26-366
［作者简介］ 钱卫（1978.5-），男，籍贯：浙江嵊州，职称：工程师，工作单位：浙江东城建设工程监理有限公司，研究方向：施工管理。