膨润土及粉煤灰的作用

作为中国第一条真正意义上的高速客运铁路，武广高速铁路是“十一五”国家重点建设项目。

自2005年6月开工以来，至2006年，铁路全线已进入全面开工阶段——在湖北、湖南和广东三省采取分段

施工的方式。

用于建设铁路的建筑材料，除了普通公众较为熟悉的如钢材、水泥等物之外，还有一种以前较为少见的材料

——粉煤灰。

粉煤灰曾经是一种大宗工业废料，目前已累计堆存10亿吨以上。以前，粉煤灰被收集后露天堆放，不仅占用了大量的土地，而且污染空气和堆积处的地下水源，对环境的危害很大。

为了解决这些问题，中国的科技工作者经过多年研究论证，提出了一系列将粉煤灰“变废为宝”的综合利用

方法。

目前，粉煤灰广泛应用于建筑工业领域，水泥、砖块、混凝土等建筑材料，都需要大量使用粉煤灰——正在

建设中的武广高速铁路，对粉煤灰的需求与日俱增。

“铁路建设需要海量的混凝土，而混凝土中除了砂石、水泥等材料外，必不可少的还有粉煤灰。”武广铁路一位建设者对记者说，粉煤灰在混凝土中，作用不可替代。

中国经济时报记者查阅了关于粉煤灰在混凝土中所起作用的相关学术资料，其中，同济大学材料科学及工程学院教授级高级工程师沈旦申、上海市建筑科学研究院教授级工程师张荫济的研究成果较为权威。

在相关著述中，沈、张两位专家详细阐述了粉煤灰在混凝土中的作用和机理。这些作用和机理，如今被业内

人士称之为粉煤灰最主要的三大效应。

第一，“形态效应”。在显微镜下显示，粉煤灰中含有70％以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地致密。这种形态对混凝土而言，无疑能起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送混凝土，能起到良好的润滑作用。

第二，“活性效应”。粉煤灰的“活性效应”因粉煤灰系人工火山灰质材料，所以又称之为“火山灰效应”。

这一效应能对混凝土起到增强作用和堵塞混凝土中的毛细组织，提高混凝土的抗腐蚀能力。

第三，微集料效应。粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在水泥中可以相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显地改善和增强混凝土及制品的结构强度，提高匀质性和致密性。

这三种效应相互关联，互为补充。粉煤灰的品质越高，效应越大。

粉煤灰在武广高速铁路中所起的作用，在以前的媒体宣传亦可见一斑。

2006年6月29日，由武广二标二分队一工区承担施工的ＤＫ1487＋169．68 ＋２８０段ＣＦＧ桩正式试桩，这被认为是“以实际行动向党的８５周岁的生日献上了一份厚礼”。ＣＦＧ桩，就是水泥粉煤灰碎石桩。

此前，２００６年５月９日，ＣＦＧ桩长螺旋钻机实施性方案经中铁十二局武广客运专线第十二项目部技术人员的多方努力，首次在武广高速铁路上实施并取得成功。

在另外一篇宣传稿中，也从侧面反映了粉煤灰在混凝土不可替代的作用。“为让混凝土高标准变为现实，更为今后高速铁路制梁提供依据，项目部试验人员在中心实验室里，反复实验与比对，精心寻找最佳配合比。……

实验人员在水泥、砂、石、矿粉、粉煤灰、外加剂组合世界鏖战。实验人员齐心合力，向Ｃ５０高性能混凝土耐

久性问题发起次次‘集体冲锋’”。

“一般泵送混凝土都要掺粉煤灰，它流动性好，其他材料可能会造成堵管，泵不上去，会影响工作性能。工作性能不好，无法正常施工。”中国建筑材料科学研究院水泥科学与新型建筑材料研究所物理室副主任、高级工程师江丽珍对本报记者说，从１９９０年代开始，中国就已经在混凝土中使用粉煤灰，其发挥的作用“已经在实

践中得到证明”。

粉煤灰在混凝土中的主要作用表现在以下几个方面：(1)填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，由于粉煤灰的容重(表观密度)只有水泥的2/3左右，而且粒形好(质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠)，因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。(2)对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化更充分。(3)粉煤灰和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物(与水泥中硅酸盐的水化产物相同)，而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用。(4）粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。(5)粉煤灰高性能混凝土的性能粉煤灰是一种呈玻璃态实心或空心的球状微颗粒，比水泥粒子小得多，比表面积极大，表面光滑致密，其成分主要是活性氧化硅或氧化铝。掺人混凝土中的粉煤灰主要产生以下几方而影响：1活性效应：在常温下，由于粉煤灰的水化反应比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿，所以混凝土早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低。随着时间的推移，粉煤灰中活性部分sio2和A1203，与水泥水化生成的ca(oH)2：发生反应.生成大量水化硅酸凝胶。粉煤灰外部的一些水化产物在成长过程中也会象树根一样伸人颗粒空隙中，填充空隙，破坏界而区ca(oH)2的择优取向排列，大大改善了界面区.促进了混凝土后期强度的增长。2微集料密实填充及颗粒形态效应：均匀分散在混凝土中的粉煤灰颗粒不会大量吸水，不但起着滚珠作用.而且与水泥粒子组成了合理的微级配，减少填充水数量，影响系统的堆积状态，提高堆积密度，具有减水作用，使新拌混凝土工作性优良，硬化混凝土微结构更加均匀密实。而且，不会发生泌水离析现象，可施工性和抹面性好，抗渗性、抗冻性好。3，交互作用：水泥、粉煤灰、外加剂等不同粉料间会产生物理、化学的交互作用。例如.水泥水化生成的ca(oH)。是粉煤灰的活性激发剂，而被激发了的粉煤灰一旦水解，降低液相碱度，又会进一步促进未水化水泥水化。又如混凝土坍落度经时损失的原因之一是随着水化反应的进行，高效减水剂的浓度降低，通过SEM观察.发现超细粉末的粉煤灰颗粒存在大量比表面积相当大的微珠以及一定量的多孔海绵状的不规则小块，可吸附外加剂.是外加剂的理想载体由于粉煤灰水化反应缓慢，吸附在其上的高效减水剂在短时间内不会起作用，之后才随粉煤灰的水化得以逐渐释放，因此新拌粉煤灰混凝土的坍落度经时损失小。另外，目前生产的水泥含碱量不断提高，粉煤灰的使用大大节约水泥熟料.抑制碱～一骨料反应；水泥中c3A含量少，水化产生的热量少。减少了混凝土构件由于内外温差过大而引起其表面开裂的危险；粉煤灰水化消耗大量ca(oH)。混凝土不耐蚀成分减少，因而耐化学侵蚀性比普通混凝土强得多。同时徐变、干缩等变形性能也优于普通混凝土综上所述.大掺量粉煤灰高性能混凝土具有令人满意的工作性、耐久性，力学性能也能达到设计要求，尽管早期强度低，但后期强度高，强度储备大。用高质量的粉煤灰取代部分水泥可大大改善新拌混凝土的工作性，因为：(1)粉煤灰是由大小不等的球状颗粒的玻璃体组成，表面光滑致密。在混凝土拌合物中能起滚珠作用；(2)新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团，粉煤灰的掺人可有效分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料；(3)能减少用水量，使混凝土的水灰比降到更小水平，减少泌水和离析现象；(4)具有良好的保水性，有利于泵送施工良好的工作性可大大改善混凝土的外观质量。同时也是混凝土内在质量的保证大掺量粉煤灰混凝土的良好的工作性能。对于解决目前混凝土存在的许多问题有很重要的作用。通过对粉煤灰掺量不同的新拌高性能混凝土进行坍落度试验表明，掺加粉煤灰对混凝土工作性的改善十分明显，各掺量粉煤灰混凝土的坍落度均大于基准混凝上。取代率大于40％以后.随着掺量的提高，由于粉煤灰的密度比水泥小，胶凝材料体积增大，需水量会有所上升.但即使粉煤灰掺量高达70％，混凝土坍落度仍大于基准混凝土。同时.在实践中可看到粉煤灰高性能混凝土的粘聚性·保水性好，无离析泌水现象。2.粉煤灰在混凝土中的机理分析(1)粉煤灰的形态效应粉煤灰的主要矿物组成是海绵状玻璃体。铝硅酸盐玻璃微珠，这些球状玻璃体表面光滑、粒度细，质地致密，内比表面积小，不仅使水泥浆需水量小，而且它们往往填充水泥浆体孔隙中.使混凝土密实性大大提高，或者在相同用水量的情况下.可增大流动性.改善和易性和可泵性。(2)粉煤灰的微集料效应粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中.阻止了水泥颗粒的相互粘聚.而处于分散状态有利于水化反应的进行，同时减少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密实度得以提高。(3)粉煤灰的活性效应粉煤灰的活性效应也称火山灰效应，粉煤灰中的活性成份slo：和AI：o，与水泥和石灰的水化产物在水溶液中发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙.继而与石膏反应生成水化硫铝酸钙。上述这些反应几乎都是在水泥浆孔隙中进行的，大大降低了混凝土内部的孔隙率，改变了孔结构.提高了混凝土的密实度。长期以来，国内外的混凝土中常掺有一定量粉煤灰，但作为水泥的替代材料.绝大多数情况下是以如下三种方式应用的：在早期强度要求很低。长期强度大约在2535MPa的大体积混凝土中，大掺量的替代水泥使用；在结构混凝土里较少量的替代水泥(10％产25％)；在强度要求很低的回填或道路基屡里大量使用。由于高效减水剂的应用。使混凝土的水胶比可以大幅度降低，从而使掺用粉煤灰的性能能够大幅度的提高。大掺量粉煤灰混凝土作为一种新型材料，具有自身独特的优越性，但是目前应用范围不大.这与人们的传统观