粉煤灰效应的作用原理及其对混凝土的性能影响

粉煤灰效应的作用原理及其对混凝土的性能影响

摘要：通过对粉煤灰形态效应、填充效应、微集料效应以及活性效应作用原理的分析，研究粉煤灰效应对混凝土性能的影响以及其掺入量的控制。

关键词：粉煤灰粉煤灰效应混凝土性能

1.粉煤灰形态效应与填充效应

1.1粉煤灰的形态效应、填充效应具体表现

首先，粉煤灰中的球形玻璃体，包括海绵状玻璃体和铝硅酸盐玻璃微珠，表面光滑，粒度细且质地致密，对水的吸附力较小，减小混凝土内部的摩擦阻力，在混凝土泵送和振捣过程中有润滑作用，且有减水作用。

减水作用主要体现在，水泥在水化初期易产生凝聚或絮凝作用，形成一种极不均匀的水化物结构，粉煤灰借助其颗粒细小的形态特点能够物理分散这些水泥絮凝体，使较多的絮凝吸附水游离出来，降低了砂浆的需水量。[8]

粉煤灰的填充作用表现在，较细的颗粒填充在水泥浆体中，可以细化孔隙和毛细孔。

1.2形态效应、填充效应对混凝土性能的影响

粉煤灰的形态效应主要表现在减水和润滑作用上，能有效的提高混凝土的流动性和和易性，对混凝土泵送、振捣都有益无害。但是，质量较差的粉煤灰含有大量较粗的，多孔的，非球状多渣状的颗粒，反而会降低混凝土的工作性，增大用水量。

另外，掺入的粉煤灰越细，则需水量就越低，水化反应的界面也随之增长，有利于混凝土强度的提高。但是，掺入量必须得到控制，因为，掺入的细灰过多时，其总表面积将大于浆体所能湿润的面积，细灰反而会聚成一团，不能分散到水泥浆体中，导致强度的降低。

粉煤灰的填充效应为单一的物理作用，不随龄期的增长而增长。粉煤灰在发挥其填充效应时的掺入量也应该控制，因为，粉煤灰填充过多时，混合料处于悬浮状态，而太少时，混合料处于骨架孔隙结构，只有在掺量合适时，混合料能达到骨架密实的状态[7]，结构的强度最优。

2.微集料效应

2.1粉煤灰微集料效应的作用机理

粉煤灰的微集料效应是指，在水泥中，粉煤灰的微细颗粒均匀分布，填充细化孔隙，同时能阻止水泥颗粒相互粘聚，有利于混合物的水化反应。粉煤灰的颗粒较水泥更细，水化产物与水泥的相似，在混合物的硬化中可视为“微混凝土”。

在水化反应是，水泥的水化作用常常局限于水泥颗粒的表面，不能渗透到水泥颗粒的核心或者是水泥颗粒相互接触面，水化作用不彻底。在掺入粉煤灰后，颗粒级配得到改善[1]，水泥拥有更大的表面积进行水化反应。

另外，微集料效应在时间上具有持续性，随着龄期增长，粉煤灰的水化反应逐渐发生，粉煤灰与水泥浆体之间的界面接触越来越紧密，长时间内保持其效果。

2.2微集料效应对混凝土性能的影响

粉煤灰的微集料效应能有效增强结构的强度。一个原因是，粉煤灰的超细玻璃球成分在混合物中可发挥类似轴承的润滑作用，提高混合物密实度并且有效改善了流动性。另一方面，粉煤灰的细微颗粒有效阻断浆体中泌水渠道，同时能降低相同稠度下混凝土的需水量，将水灰比进一步降低，有效减少泌水和离析现象的产生。

另外，粉煤灰的微细颗粒可以显著的改善界面过渡区的微结构，而集料与水泥石的界面是结构的薄弱环节，微集料效应可以消除或者减少界面区的原生微裂缝，消减应力集中，提高混凝土的抗拉能力。同样，由于微集料效应，使得混凝土极限抗拉应变增大，抗裂性随着增大，提高混凝土抵抗干燥收缩开裂的能力[5]。

但是对于混凝土的塑形收缩裂缝，粉煤灰的掺入会使情况变糟糕。原因在于，粉煤灰具有保水性，微集料效应发展缓慢使混凝土早期强度低，凝结时间较长，当混凝土的凝结时间大于塑形收缩裂缝出现的时间，那么混凝土就会产生此种裂缝。为了缓解这一现象，可使用早强剂缩短混凝土凝结时间，或者使用高效能的粉煤灰激发剂[6]，能提高粉煤灰的水化活性，另一方面，加强养护也是必不可少的手段。

3.活性效应

3.1粉煤灰活性效应的化学机理

凡能在常温和有水条件下与Ca（OH）2发生化学反应的硅铝质材料均称为火山灰材料。粉煤灰也具有这种能力，被称为火山灰反应性，通常称为活性。

粉煤灰中有多种不同形状的颗粒混合堆聚的粒群，但是，其中只有硅酸盐或铝硅酸盐玻璃体的微细颗粒、微珠和海绵状玻璃体是有活性的，其他结晶体或者富铁微珠活性很低甚至是惰性的。

另外，决定火山灰反应速率的因素主要是玻璃体的含量和玻璃体的比表面

积。玻璃体是煤的灰分在高温熔融状态下骤冷而成，蕴含了较多的化学内能而不稳定，在与Ca（OH）2的反应中，极易被Ca（OH）2腐蚀而释放出游离的SiO2和Al2O3，然后再进行水化反应。若是硅铝质结晶体则很难被腐蚀，也就不会有明显的火山灰反应。若玻璃体的比表面积大，也就是粉煤灰的细度较高，那么在火山灰反应中，玻璃体与Ca（OH）2浆体的接触面积较大，而使火山灰反应速度增加。因此，粉煤灰越细，含玻璃体越多，那么作为掺合料就越好。

长安大学的柏安提出：粉煤灰中的SiO2和Al2O3与水泥的水化产物在有水的情况下发生反应，生成水化硅酸钙（C—S—H）和水化硫铝酸钙（C—A—S—H）[4]，具体反应过程如下：

房晨及连永秀提出：在高温状态下，经离子迁移形成的Si-O和Al-O共价键具有较高的聚合度。因此，在一般情况下，粉煤灰不能产生胶凝作用。但粉煤灰的火山灰活性使其在加入到混凝土中时，在水的OH-离子的激发下，Si-O和Al-O 键会被打断，继而发生上述反应[3]。

3.2粉煤灰活性效应对混凝土强度的影响

粉煤灰发生水化反应，消耗掉大量的Ca（OH）2，生成硅酸凝胶和稳定的纤维状的硫铝酸钙晶体，胶凝体比结晶体具有更大的韧性，纤维状的硫铝酸钙晶体可能较氢氧化钙晶体具有良好的抗拉性能，另外，水化反应的产物在粉煤灰玻璃微珠表层交叉连接，对促进混凝土强度增强起了重要的作用。