為了便（biàn）於認識粉煤灰在混凝（níng）土中的作用，先闡述一（yī）下混（hún）凝土的結構和性能之間的關係。混凝土是由大小不同的顆粒所組成的，大顆粒（lì）粗骨料的空隙由中小顆粒的粗骨料(石子)填（tián）充;粗骨料顆（kē）粒的空隙由細骨（gǔ）料(砂子)填充，它（tā）的顆粒也是有粗有細，細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（xiǎo）空（kōng）隙，並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（mì）實。硬化混（hún）凝土是一種複雜的、多相的複合材料（liào），它（tā）的結構主要包括三個相——骨（gǔ）料、硬化水泥漿體以及二者之間的過渡區，說它複雜是因為它很不勻質（zhì），主要體現在以（yǐ）下幾方麵：

　　第一，過渡區的存在（zài）。過渡區是圍繞骨料顆粒周邊的一層薄殼（ké），厚度約（yuē）10～50μm。由（yóu）於它的薄弱，對混凝土性能的影響十分顯著;第二，三相中的任一相，實際（jì）上（shàng）還是多相體。例如一顆花崗岩的骨料裏除了有微（wēi）裂縫、孔隙外（wài），還不均勻地鑲嵌著石英、長石和雲母三種礦（kuàng）物。石英很（hěn）硬，而雲母就很軟;第（dì）三，與其（qí）他工程材料不同，混凝土結構中的兩相——硬化水泥漿體和過渡區（qū）是隨時間、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（xuǎn）擇骨料時，首先注意的是它的顆粒強度（dù），也就是說：它越堅硬越好。事實上，由於骨料的強度通常比其他兩相的高很（hěn）多，因此它對混凝土的強度並沒有直接的影（yǐng）響。但（dàn）是它們的粒徑和形狀間接地影響混凝土強度：當骨料最大粒徑越大、針片（piàn）狀顆粒（lì）越多時，其表麵積存的水（shuǐ）膜越厚，過渡區相就越薄弱，硬化混凝土的強度和抗滲透性也越差。所以，質量（liàng）好的骨（gǔ）料應該是顆粒形狀均勻、級配好（hǎo），堆積密實度高，所需（xū）要的漿體用量少。許多路麵板之所以不耐久，骨料（liào）質量差，尤其（qí）缺乏5~10mm粒徑的顆粒，因（yīn）此傳（chuán）荷能力和抗衝擊與疲勞能力受到嚴重影響是重要的原因。

　　(2)硬化水泥漿體(也稱水泥石)。在配製混（hún）凝土選用水泥時，都認為標號（hào）越高的水泥（ní）就越好。事實上，高標號（hào）水泥（ní）因為通常粉磨得越細，在拌合時往往需要（yào）更多的水，硬化後（hòu）生成更多薄弱的氫氧化鈣，多餘的水分蒸發後也會形成更（gèng）多的孔隙，對混（hún）凝土（tǔ）的強度和耐（nài）久性不（bú）利。但是，這樣的水泥水化反（fǎn）應快（kuài），因此用它配製的（de）混凝土早期（qī）強度高，這是它受（shòu）歡迎，售價高的原因。

　　試（shì）驗表明：即使所用骨料非常致密，混凝土的滲透性也要比相應的水泥漿體低一個數（shù）量級。這說明混凝土體的滲透性並（bìng）不直接取（qǔ）決硬化水泥漿體的滲（shèn）透性，而是來自過渡區。剛（gāng）澆築成型的混凝土（tǔ）在其（qí）凝固硬（yìng）化之前，骨料顆粒受重力作用向下沉降，含有大（dà）量水分的稀水泥漿則由於密度小的原因向上（shàng）遷移，它們之間的相對運動使骨料顆（kē）粒的周壁形成一層稀漿膜，待混凝土硬（yìng）化後，這裏就形成了過渡區（qū）。過渡區微結構的（de）特點為：1)富集大晶粒的氫氧化鈣和（hé）鈣礬石;2)孔隙率大、大孔徑的孔多;3)存（cún）在（zài）大量原生微裂縫，即混凝土未承載之前出現（xiàn）的裂縫（féng）。

　　因為過渡區的影響，使混（hún）凝土（tǔ）在（zài）比它兩個主要相能（néng）夠承受的應力低得多的時候就被破壞;由於過渡區大量孔隙和微裂縫存在，所以雖然硬化（huà）水泥漿體和骨料（liào）兩相的剛性很大，但（dàn）受它們之間傳遞應力作用的過渡區影響（xiǎng），混凝土的剛性和彈性模量明顯地減小。

　　了解了（le）混凝土的微結構的特性及其對性能的影響（xiǎng）後，就可（kě）以更好地認識粉煤灰在混凝土中的作用。粉煤灰的主要作（zuò）用可以包括以下幾（jǐ）方麵：

　　1)填（tián）充骨（gǔ）料顆粒的空隙並包裹它們（men）形成潤滑（huá）層，由於粉煤（méi）灰的容重(表觀（guān）密度)隻（zhī）有水泥的2/3左右，而且粒形好(質量好的粉煤灰（huī）含大量玻璃微珠)，因此（cǐ）能填（tián）充得更密實，在水泥用量較少的混凝土裏尤（yóu）其顯著。

　　2)對水泥顆粒起物理分散作用，使其分布得更均勻（yún）。當混凝土水膠比較低時，水化緩慢的粉煤（méi）灰可（kě）以提供水分，使水泥水（shuǐ）化得更充分。

　　3)粉煤（méi）灰和富集在骨料顆（kē）粒周圍的氫氧化鈣結晶發生火山灰反（fǎn）應，不僅生成具有膠（jiāo）凝性質的產物(與水泥中矽酸鹽的水化產物相同)，而且加強了薄弱的過渡區，對改善混凝土的各項性能（néng）有顯著作用。

　　4)粉煤灰（huī）延緩了水化速度，減小混凝土因水化熱（rè）引（yǐn）起的溫升，對防止混凝土產生溫度裂縫十分有利。

　　下麵對粉煤灰在混（hún）凝土中的作用及其（qí）機（jī）理做（zuò）一些具體地分析。

　　長期（qī）以來，國內外（wài）在混凝土中常摻有一定量粉煤灰，但作為（wéi）水泥的替（tì）代材料，絕大多數情（qíng）況下是以如下三種方式應（yīng）用的：在早期強度要求很低，長期強度大約在25~35MPa的大體積水工混凝土中（zhōng），大摻量地替代水泥使用（yòng）;在結構混凝土裏較（jiào）少量地替代水泥(10~25%);在強度要求很低（dī）的回填或道路基層裏大量摻用。

　　對於粉煤灰的作用機理和（hé）應用技術，多年來進行了（le）大量的研究工作，取得了不少進展，這些進展對粉（fěn）煤灰在混凝（níng）土中的應用起（qǐ）了一定的推動作用。如摻用的方法從（cóng）等量替代水（shuǐ）泥，發展到超摻法、代砂法以及（jí）與（yǔ）化學外加劑同時使用的雙摻法。對於粉煤灰的作用機理，從主要是火山灰質材（cái）料特性的作用(消耗了水泥水化時生（shēng）成薄弱的，而且往往富集在過渡區的氫氧化鈣片狀結晶，由於水化（huà）緩慢，隻在後期才生成少量C-S-H凝膠，填充於水泥水化（huà）生成物的間隙，使其更加密實)，逐步發展到分（fèn）析它還具有形態效應、填充效應和微集料效（xiào）應等。但無論哪一方麵的研究成果，似乎都改變不了這樣一個事（shì）實（shí）：在混凝土中摻粉煤灰要降低混凝土的強度，包括28天齡期以後一段時間裏的強度，其（qí）他（tā）性能當然也相應受到不同程度的影響，而（ér）且這（zhè）些影響要隨著摻量的增大而加劇。這個事實始終禁錮（gù）著粉煤灰在混凝土中，尤其是結構混凝土中的摻量，而且似乎形成了這樣（yàng）一種成見（jiàn）：摻用粉煤灰是以犧牲結構混（hún）凝土的品質為代價的。

　　事實上，如（rú）前（qián）所述，由於高效減水劑的應用，使混凝土的水膠比可以（yǐ）大幅（fú）度降低，從而使摻用粉煤（méi）灰（huī）的效果大為改（gǎi）善（shàn），使（shǐ）大摻量粉煤灰混（hún）凝土的性能能（néng）夠大幅度地提高。

　　1)水膠比的影響（xiǎng）

　　水膠比的上述變化為什麽影響這麽大呢?在高水膠比的水泥漿裏，水泥顆粒被水分隔開(水所占（zhàn）體積約為水泥的兩倍（bèi）)，水化環境優異，可（kě）以迅速（sù）地生（shēng）成表麵積增大1000倍（bèi）的水化物（wù），有良好地填充漿體（tǐ）內空隙的能力。粉煤灰雖然從顆粒形狀來說，易（yì）於堆積得較為密實，但是它（tā）水（shuǐ）化緩慢，生成的凝膠量（liàng）少，難以填充密實顆（kē）粒周圍的空隙，所以摻粉煤灰（huī）水（shuǐ）泥漿的強度和其他性能總是隨摻量增大(水（shuǐ）泥用量減少)呈下降趨（qū）勢(當然在早齡期就更加顯著)。

　　在低水膠比的水泥漿裏情況（kuàng）就不一樣了。不摻粉煤灰時，高活性的水泥（ní）因水化環境較差，即缺水而不（bú）能充（chōng）分水化，所以隨水灰比下降，未水化水（shuǐ）泥的內芯增大（dà），生成產（chǎn）物量下降，但由於顆粒間的距離減小，要填充的空（kōng）隙也同時減（jiǎn）小，因此（cǐ）混凝土強度得到迅（xùn）速提高。這種情況下用（yòng）粉煤灰代替部分水泥（ní），在低（dī）水（shuǐ）膠比條件下(例如0.3左右)，水泥的水化條件相對改（gǎi）善，因為粉煤灰水化緩慢，使混凝土實（shí）際的“水灰比”增大，水泥的水化（huà）因而加快，這種作用機理隨著粉煤灰的摻量增大愈加明顯(例如摻量為（wéi）50%左右，初（chū）期實際水（shuǐ）灰比則接近0.6)，水泥水化（huà）程度的改（gǎi）善（shàn），則有利於粉煤灰（huī）作用的發揮，然而與此同時，需要粉煤灰水化產物填充的（de）空隙已經大大減小，所（suǒ）以其水化能力差的弱點在低水膠比條件下被掩蓋，而它（tā）降（jiàng）低溫升等其它優點則依然起著有利於（yú）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，羞羞影视（men）可（kě）以用（yòng）一個“動態堆積（jī）”的概念來認識，這是相（xiàng）對於（yú）長期以來沿用的靜態堆積而言的。即（jí）通（tōng）常在選擇原材料和配合比時，是以各（gè）種原材（cái）料在加水之前的堆積盡量密實為依據的，但是當加水攪拌後，特別是在低水膠比條件下，如（rú）何通過粉狀（zhuàng）顆粒水化的交叉進行，使初始水膠比盡量降低（dī），混凝土單位用水量盡量減少，配（pèi）製出的混凝土在（zài）密實成型的前提下，經過水化硬化過程（chéng），形成的微結構應（yīng）該是更為密實的。上述大摻量（liàng）粉煤灰混凝土的例子中，每方混凝土（tǔ）的用水量僅100kg左右，要比目前（qián）配製普（pǔ）通混凝土少幾十公斤，就是明（míng）顯的證（zhèng）據。有人曾（céng）進行過低水灰比(水膠比（bǐ）)摻/不摻粉煤灰淨（jìng）漿的結合水測定試驗：摻有30%粉煤灰，水（shuǐ）膠比為0.24的淨漿，要比水灰比為0.24的純水泥漿在28d時的結（jié）合水還多，證實上述摻粉煤灰後改善（shàn）了水泥（ní）在（zài）低水灰比（bǐ）條（tiáo）件下水化程度的說法。因（yīn）此低水膠（jiāo）比條件下，大（dà）摻量（liàng）粉煤灰混凝土的強度（dù）發展與空白混凝土接近，而後期仍有（yǒu）一定幅度的增長，在（zài）一定範圍（wéi）內隨摻量變（biàn）化（huà）的影響（xiǎng）不大。當然，粉煤（méi）灰代替水泥用量大了，由於起激發作用的氫氧化鈣含量減少（shǎo），使粉煤灰的水化條件劣化（huà），所以在（zài）不（bú）同條件下存在一最佳粉煤灰摻量，並不是越大越好。

　　2)溫度的影響（xiǎng）

　　眾所周知，溫度升高時水泥水化的速率會顯著加快。研究表明：與20℃相比，30℃時矽（guī）酸鹽水泥的水化速率（lǜ）要加（jiā）快一倍。由（yóu）於近些（xiē）年來大型、超大型混凝土（tǔ）結（jié）構物的建造，構件斷麵尺寸相應增大;混凝設計土強度等級（jí）的提高，使所（suǒ）用水泥標號提高、單位用量增大;又由於水（shuǐ）泥生產技術的進展，使其所含水化迅速的早強礦物矽酸（suān）三鈣含量提高、粉磨細度加大，這（zhè）些因素的疊加，導致（zhì）混凝土硬化時產生的溫（wēn）升明（míng）顯加劇，溫峰升高。

　　在達到溫峰後的降溫期間，混凝土（tǔ）產生溫度收縮(也稱熱收縮)引起彈性拉應（yīng）力（lì）;另一方（fāng）麵，混凝土水膠比的降低，又會使因水泥水化產生的自身收縮增大，同樣產生彈（dàn）性拉應力;而混凝（níng）土的水灰比(水膠比（bǐ）)降低，早期水化加快，混凝土的彈（dàn）性模量隨強度的提高（gāo）而增（zēng）大，進一步（bù）加劇了彈性拉應力增長;與此（cǐ）同時，混凝土的粘彈性，即對於彈性拉應力的鬆弛作用卻顯著（zhe）地減小，這一切，都導致近些年（nián）來（lái）許多結（jié）構物在施（shī）工期（qī）間，模板剛拆除或以後不（bú）久就發現表麵大量裂縫。除了凝固前（qián）的塑性裂縫以外，硬化混（hún）凝土早期出現的裂縫往往深而長(實際上不（bú）可見裂縫的長度（dù）和深度，要遠比（bǐ）可（kě）見裂縫大得多)。為了防止可見裂縫的出現，目前常采取（qǔ）外包保溫措施，以減小（xiǎo）內外溫差，這種做法被認為是有效措施（shī）而迅速地得到推廣。但是沒有注意到：由於外保溫阻礙了混凝土水化熱（rè）的散發，加劇了體內的溫升，混凝土體溫度升高，使（shǐ）水泥水化加速，早期強度發展更加（jiā）迅速，因此也更（gèng）容易出現裂縫，隻是由於鋼筋（jīn）的約束和對應力的分散作用，使少量寬而長的（de）可（kě）見裂（liè）縫轉變為大量分散的不可見裂縫，它們將為侵蝕性介質提供（gòng）通道，影響結（jié）構混凝土的耐久性（xìng）。同時較大的彈性拉應（yīng）力還可能引起鋼（gāng）筋（jīn）達（dá）到（dào）屈服點而滑（huá）移，從而可能影響結構的使用功能。

　　與水泥相比（bǐ），粉煤灰受溫度影響更（gèng）為顯著，即溫度升高時它的水化明顯加快。所以當混凝土澆注時環境溫度與混凝土體溫度（dù）較高（gāo）時，對純水泥混（hún）凝土來說，由於溫升帶來不利的（de）影（yǐng）響，而對摻粉煤灰混凝土（tǔ）來說（shuō），則不僅溫升下降（jiàng），減小了混凝土因（yīn）溫度開裂的危險，同（tóng）時由於加快火山灰反應，還提高了28天強度。

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