粉煤灰混凝土与粉煤灰砂浆－概述
第三章 粉煤灰混凝土与粉煤灰砂浆
在第一章叙述粉煤灰的特性时提到粉煤灰具有火山灰活性。所谓“火山灰活性”是指其能在常温下与石灰起化学反应生成具有胶凝性能的水化产物的性能。由于硅酸盐水泥在水化过程中要产生游离石灰（以氢氧化钙的形式存在），对混凝土性能弊多利少，而粉煤灰的火山灰活性使其能与这些游离石灰结合生成新的胶凝物质，制成比普通混凝土性能优良的优质混凝土。因此，在混凝土中掺入粉煤灰，不但能部分代替水泥，降低工程造价，而且能改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土的理想掺合料。在现代混凝土中，粉煤灰已经与水泥、集料、水、外加剂同样重要，成为混凝土的一个重要组份。粉煤灰高性能混凝土是以耐久性为主要目标进行设计的混凝土。它以优异的耐久性（而不一定是高强度）为主要特征，也就是说，任何强度等级的混凝土都可以做成高耐久性混凝土。
我国已故工程院资深院士吴中伟同志在其支世前不久发表的著名文章：“高性能混凝土——绿色混凝土”中指出：“水泥混凝土作为较大宗人造材料，其资源、能源与环境问题十分突出，必须及早解决，否则将成为不可持续发展的材料。尤其在中国，人口众多，水泥混凝土的需量特大，而资源并不富裕，环境问题也十分突出。为解决这些问题，混凝土的生产及施工技术必须从原始落后的，以消耗大量资源、能源为代价的粗放生产经营方式，向大量节约资源、能源，减轻地球环境负荷及维护生态平衡的具有较新、较高技术水平的生产经营方式发展。”吴中伟院士接着指出：要达到上述目标，必须发展绿色高性能混凝土（GHPC）。他对“绿色”的涵义根括为：
（1）节约资源、能源；
（2）不破坏环境，更应有利于环境；
（3）不破坏环境，既要满足当代人的需要，又不危害后代人满足其需要的能力。
他认为，“高性能混凝土”应具有以下特征：
（1）更多地节约孰料水泥，降低能源与环境污染；
（2）更多地掺加工业废料为主的细掺料；
（3）更大地发挥混凝土的高性能优势，减少水泥与混凝土的用量。
基于上述对“绿色”和“高性能混凝土”的认识，发展粉煤灰混凝土就是发展绿色高性能混凝土，是实施可持续发展战略的重要举措。
第一节 概述
一、粉煤灰在高性能混凝土中的作用机理
过去，我们认为粉煤灰只是一种节约水泥的混合材，掺入粉煤灰将使混凝土强度降低，以至于人们总是以消极的态度对待粉煤灰在混凝土中的应用，认为在混凝土中掺入粉煤灰是以降低强度为代价的。但是，自从20世纪80年代后期高性能混凝土开始发展并获得广泛应用后，粉煤灰的作用发生了变化。高性能混凝土的特点是：胶凝材料用量大，水胶比低，利用高效减水剂来获得较大的流动性。在这种混凝土中，如果不掺粉煤灰，由于拌和用水量小，使早期水泥水化的水分不足，不能充分发挥全部胶凝材料的活性作用，而且由于会产生较大的水化热，不利于形成完好、密实的混凝土结构。掺入粉煤灰后，正好解决了上述问题，也就是说，掺入粉煤灰可以改善早期水泥的水化条件，提高混凝土的工作性，发送水泥与外加剂的相容性，降低水化热，使混凝土形成密实的内部结构。因此，粉煤灰不是水泥的替代物，而是混凝土的一个独立组份，使用它的目的在于提高混凝土的某一种或某一些重要性能。
对于粉煤灰在高性能混凝土中的作用机理，清华大学土木工程系覃维祖教授通过研究作出如下解释：
长期以来，混凝土通常是在水灰比（或水胶比）相当大的条件下制备的（例如W/C≥0.6），这时浆体中水分所占体积大约为2/3，而悬浮在其中的水泥颗粒仅占1/3，因此需要大量的水化生成物填充于骨料与水泥颗粒的间隙，才能将其粘结为一个整体。在这种情况下，水泥的水化活性是决定性因素：水化活性越大，意味着水化速率越快，水化生成物越多，胶凝性能也越好，活性高的水泥有充分水化条件，生成大量的凝胶与结晶，满足填充空隙的需要。因而在用粉煤灰作水泥替代材料时，通常首先考虑它们的水化活性大小，即填充空隙的能力。粉煤灰与水泥水化释放的氢氧化钙反应，形成低钙C-S-H的过程本来就缓慢，要3~7d才开始；加上氢氧化钙通过表面水化生成物层向内部扩散十分困难，因此在混凝土拌和后相当长时间里，粉煤灰的水化产物依然不多，填充空隙的能力差，宏观表现为混凝土强度在一定龄期里随粉煤灰掺量大呈线性下降。
在混凝土拌和物的水胶化比（水灰比）可以大大降低的情况下（例如W/C≈0.30），水泥颗粒或水泥掺合料颗粒的间距明显减小，需要填充空隙的消化生成物量也随之大大减少。高活性的水泥与掺合料迅速的水化，很快地消耗掉体内本来较少的水分，因此，供水不足成为影响它们充分水化的主要矛盾。当然如果能及时从外界补充水分，体内缺水可以缓解，然而实际情况是通常不可能及时而充分地补充水分；同时，在低水灰比情况下混凝土泌水明显减少乃至基本消失，体内的毛细孔在很短时间里被水化生成物填充而阻塞，使外界水分也没有进入混凝土的通道，致使水泥与掺合料无法充分水化，留下大量未水化的颗粒内芯。虽然内芯与水化产物的界面粘结强度很好，但因为硬化水泥浆体内大量微孔缺水，会使其自身收缩明显增大，加上由于早期温升加剧导致较大的温度收缩。在这种收缩变形、环境温湿度变化、荷载等因素形成的应力叠加作用下，混凝土的微结构和性能产生不利的变化，其中较常见的现象就是宏观裂纹，外界水分和浸蚀性介质沿裂缝侵入，并逐渐延伸、扩展，给本来密不透水的混凝土结构带来危害。
掺入粉煤灰后以上问题得到了解决。由于粉煤灰水化较缓慢，混凝土拌合物的初始水灰比实际要大得多（水胶比一定的条件下，粉煤灰掺量越多，它自然也就越大），这时高活性水泥的水化显然要比不掺粉煤灰的低水胶比的混凝土的水化迅速而充分，产生大量的水化生成物去填充相对较小的空隙，释放出的氢氧化钙则提供粉煤灰后续的水化，合混凝土随龄期增长日益密实，水泥石和骨料的界面得到显著加强（过渡区薄弱的氢氧化钙结晶大在减少），因此获得良好的力学性能和耐久性。虽然在拌合时，一部分水分会为粉煤灰所吸附，但是，在水泥水化消耗水分形成的湿度梯度作用下，粉煤灰内的水分会不同程度的倒汲出，对水泥的继续水化起了一种“内养护”的作用，这远比通常的外部养护作用更大、更均匀。
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二、粉煤灰混凝土的发展历史与现状
上海市建筑科学研究院高级工程师吴正严同志发表的文章：“粉煤灰混凝土的发展方兴未艾”[38],，对粉煤灰混凝土的发展历史与现状作了全面系统的介绍，很具权威性，现转述如下：
1.国外发展简况
1935年美国学者R*E戴维斯（Davis）首先进行了粉煤灰混您土应用的研究，他是粉煤灰混凝土科学技术的先驱。1948~1953年美国垦务局在建造蒙大拿州马坝工程中使用10余万吨粉煤灰，取得了改善混凝土性能、节约水泥的优良效果。20世纪50年代，英国、法国、德国、前苏联、波兰、日本、印度等国在水利工程中也都使用了粉煤灰。从60年代开始，美英等国对粉煤灰混凝土的研究与开发，进入了一个新的发展阶段。他们在所承包的香港地铁工程和东南亚港口工程中，不惜以每吨65美元接近与水泥的价格从我国购买粉煤灰掺入混凝土中，可见粉煤灰混凝土所起的重大作用已受到极大的重视。同时，60年代世界各国相继实施防止空气污染法令后，电厂增加了电除尘装置，粉煤灰的质量大大提高，干排灰数量增加，为发展粉煤灰混凝土创造了更好的条件。至80年代，粉煤灰已逐步发展成为混凝土的基本组份。1982年在英国利兹召开了“粉煤灰在混凝土中应用”第一届学术讨论会，会议对粉煤灰在混凝土中的作用做了行的评价、认为它是一种具有独特性能的新材料，可以在结构混凝土中加以应用。在大量试验研究和工程实践的基础上，不少国家相继制订了粉煤灰标准，如美国在1965年颁布的“ASTMC618”《粉煤灰暂行标准》，1982年英国颁布的“BS3892：Partl《作为结构混凝土中胶凝物质组份的粉煤灰标准》。
2.我国发展简况
我国从1958年以来，先后在黄河三门峡、刘家峡、陈村、合山、欧阳海灌渠、台湾雾社坝等水利工程中，使用粉煤灰混凝土取得了降低水化热、改善性能、节约水泥的良好效果。在工业与民用建筑工程中，也已于20世纪50年代开始使用，如桂林沙河电厂的地下钢筋混凝土工程掺原状粉煤灰10%~25%,1956年在齐齐哈尔钢厂轧钢车间的预制钢筋混凝土柱中也掺了12%的原状粉煤灰。
上海市是我国发展粉煤灰混凝土的先进城市，上海市建筑科学研究院已故教授级高级工程师沈旦申同志是我国粉煤灰混凝土科学研究和开发事业的奠基者之一。建设部所属的中国城乡粉煤灰利用技术开发中心也没在上海建科院。早在20世纪50年代，上海市就开始了粉煤灰混凝土的科学研究，1958年在上海地下工程中采用了粉煤灰混凝土，80年代上海市成为全国发展粉煤灰混凝土新技术试点城市。1978年上海市建成了年产5000t的磨细粉煤灰中试车间，1982年建成了闵行年产10万t的磨细粉煤灰厂，1989年以后又相继建设了几座年产10万t的磨细粉煤灰厂，这类工厂现共有5座，总生产能力50万t。
上海在粉煤灰混凝土的应用技术方面也取得了举瞩目的成绩，突出表现在用磨细粉煤灰配制大流动度泵送混凝土，用于南浦大桥（C40—泵至154m高）、杨浦大桥（C50—泵至230m高，C40—泵至350m高）和88层的金茂大厦（C40—泵至380m高）等重市政工程和超高层建筑。
为了保证粉煤灰混凝土积极而又稳妥地发展，上海市制定了一系列的方针政策和技术规程，例如，上海市建委在1988年颁布了利用磨细粉煤灰节约水泥实行专项奖励的规定，1994年颁布了“上海市粉煤灰综合利用管理规定”的89号市长令，1992年制订了“DBJ08-27-92”《粉煤灰渣在混凝土和砂浆中应用技术规程》，1998年又颁布了《高钙粉煤灰混凝土应用技术规程》。
举世瞩目的三峡工程于1994年正式开工，整个工程混凝土量为2799万m3，其中大坝混凝土工程量为1527万m3。在大坝混凝土中，确定掺加I级粉煤灰量高达30%，通过高掺I级粉煤灰和高效碱水剂、引气剂制备出水泥量少、水化热低、用水量少、抗渗性好、耐久性好的高性能混凝土。
现在，我国粉煤灰混凝土新技术已经发展到了一个相当成熟的水平，1979年，国家颁布了“BG1596—79”《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，对掺人混凝土中的粉煤灰明确限定了质量指标；1986年，建设部颁布了“JBJ28—86”《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》；1990年，国家又颁布了：“GBJ146—90”《粉煤灰混凝土应用技术规范》，这些标准、规程和规范的贯彻实施，可以确保我国的粉煤灰混凝土沿着健康的轨道快速发展。
三、我国粉煤灰混凝土的发展前景
随着我国电力工业技术装备水平的突飞猛进，用电收尘器收集的干粉煤灰量日渐增多，粉煤灰质量日益提高。据了解，其中I级粉煤灰年产量已达65万t，三峡工程粉煤灰质检站对411组灰样的检查结果是：平均细度6.5%、需水量比91.5%、烧失量为1.84%、含水量0.17%、SO3含量0.56%，碱含量不超过1.5%、都达到或超过了国家标准对I级灰的要求。三峡工程用这种高质量的粉煤灰配制的混凝土，水泥用量仅为88kg/m3，粉煤灰掺量达到88kg/m3,90d龄期的抗压强度达到29.3MPa。按照三峡工程建委专家组的意见，粉煤灰掺量需从现有的占胶凝材料总量的30%~32%的基础上在提高5%，可高达到40%。在日本，这一比例甚至高达70%。正是由于大量掺加粉煤灰，使新拌混凝土可降温5℃~10℃，大大改善了混凝土的抗裂性。大量II级灰的质量虽然不如I级灰，但经过球磨机研磨后，活性胶原状灰大大提高，使原状灰成为匀化的、变异性较小的细微粒屑，原状灰中的实心和厚壁玻璃球虽然不易磨碎，但表面会出现擦痕，也有利于化学反应和颗粒界面的结合，因此，磨细灰也能配制出优良品质的粉煤灰混凝土。总之，经过将近半个世纪电力工业的发展和各方面有关人员的辛勤劳动，为粉煤灰混凝土的发展打下了强有力的物质基础和技术基础，我们相信，在新的世纪粉煤灰混凝土的开发将结出更加丰硕的果实。