粉煤灰在混凝土中的機(jī)理有哪些？
回答時(shí)間：2012-10-08 08:58
粉煤灰的微集料效應(yīng)粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中，阻止了水泥顆粒的相互粘聚，而處于分散狀態(tài)有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)減少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密實(shí)度得以提高。
過去，我們認(rèn)為粉煤灰只是一種節(jié)約水泥的混合材，摻入粉煤灰將使混凝土強(qiáng)度降低，以至于人們總是以消極的態(tài)度對(duì)待粉煤灰在加氣混凝土砌塊中的應(yīng)用，認(rèn)為在加氣混凝土砌塊中摻入粉煤灰是以降低強(qiáng)度為代價(jià)的。但是，自從20世紀(jì)80年代后期高性能加氣混凝土砌塊開始發(fā)展并獲得廣泛應(yīng)用后，粉煤灰的作用發(fā)生了變化。高性能加氣混凝土砌塊的特點(diǎn)是：膠凝材料用量大，水膠比低，利用好的減水劑來獲得較大的流動(dòng)性，在這種混凝土中，如果不摻入粉煤灰，由于拌合用水量小使早起水泥水化的水分不足，不能充分發(fā)揮全部膠凝材料的活性作用，而且由于會(huì)產(chǎn)生較大的水化熱，不利于形成完好、密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)。摻入粉煤灰后，正好解決了上述問題，也就是說，摻入粉煤灰可以改善早起水泥的水化條件，提高混凝土的工作性，改善水泥與外加劑的相容性，降低水化熱，使混凝土形成密實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，粉煤灰不是水泥的替代物，而是混凝土的一個(gè)獨(dú)立組份，使用他的目的在于提高混凝土的某一種或某一些重要性能。
對(duì)于粉煤灰在高性能加氣混凝土砌塊中的作用機(jī)理，清華大學(xué)土木工程系譚偉祖教授通過研究做出如下解釋：
長(zhǎng)期以來，混凝土通常是在水灰比(或水膠比)相當(dāng)大的條件下制備的，這時(shí)漿體中水分所占體積大約為2/3，而懸浮在其中的水泥顆粒僅占1/3，因此需要大量的水化生成物填充于骨料與水泥顆粒的間隙，才能將其粘接為一個(gè)整體。在這種情況下，水泥的水化活性是決定性因素：水化活性越大，以為著水化速率越快，水化生成物越多，膠凝性能也越好，活性高的水泥有充分水化條件，生成大量的凝膠與結(jié)晶，滿足填充空隙的需要。因而在用粉煤灰作水泥替代材料時(shí)，通常首先考慮他們的水化活性大小，即填充空隙的能力。粉煤灰與水泥水化釋放的氫氧化鈣反映，形成低鈣C-S-H的過程本來就緩慢，要3~7d才開始；加上氫氧化鈣通過表面水化生成物層向內(nèi)部擴(kuò)散十分困難，因此在混凝土拌合后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間里，粉煤灰的水化產(chǎn)物依然不多，填充空隙的能力差，宏觀表現(xiàn)為混凝土強(qiáng)度在一定齡期里隨粉煤灰摻量增大呈線型下降。
在混凝土拌合物的水膠比可以大大降低的情況下，水泥顆?；蛩嗯c摻合料顆粒的間距明顯減小，需要填充空隙的水化生成物量也隨之大大減少。高活性水泥與摻合料迅速的水化，很快的消耗掉體內(nèi)本來較少的水分，因此供水不足成為影響他們充分水化的主要矛盾。當(dāng)然如果能及時(shí)從外界補(bǔ)充水分，體內(nèi)缺水可以緩解然而實(shí)際情況是通常能不能及時(shí)而充分的補(bǔ)充水分；同時(shí)，在低水灰比情況下混凝土泌水明顯減少乃至基本小時(shí)，體內(nèi)的毛細(xì)孔在很短時(shí)間里被水化生成物填充而阻塞，使外界水分也沒有進(jìn)入混凝土的通道，致使水泥與摻合料無法充分水化，留下大量未水化的顆粒內(nèi)芯。雖然內(nèi)芯與水化產(chǎn)物的界面粘接強(qiáng)度很好，但因?yàn)橛不酀{體內(nèi)大量微孔缺水，會(huì)使其自身收縮明顯增大，加上由于早起溫升加劇導(dǎo)致較大的溫度收縮。這種收縮變形、環(huán)境溫濕度變化、荷載等因素形成的應(yīng)力疊加作用下，混凝土的微結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不利的變化，其中最常見的現(xiàn)象就是宏觀裂紋，外界水分和浸蝕性戒指沿裂縫侵入，并逐漸延伸、擴(kuò)展，本來密不透水的混凝土結(jié)構(gòu)帶來危害。
摻入粉煤灰后以上問題得到了解決。由于粉煤灰水化比較緩慢，混您圖拌合物的初始水灰比實(shí)際要大的多，這時(shí)高活性水泥的水化顯然要比不摻粉煤灰的混凝土中的水化迅速而充分，產(chǎn)生大量的水化生成物去填充相對(duì)較小的空隙，釋放出的氫氧化鈣則提供粉煤灰后續(xù)的水化，使混凝土隨齡期增長(zhǎng)日益密實(shí)，水泥石和骨料的界面得到顯著加強(qiáng)，因此獲得較好的力學(xué)性能和耐久性。
粉煤 灰 在 混凝土中的良好作用，主要表現(xiàn)在以下三種效應(yīng):形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)、微集料效應(yīng)。
1.形 態(tài) 效 應(yīng)粉煤灰的主要礦物組成是鋁硅酸鹽玻璃珠和海綿體(包括球狀顆粒、不規(guī)則碎屑顆粒的粘連體)，球狀玻璃體如同玻璃球一般，質(zhì)地致密，表面光滑，粒度細(xì)，內(nèi)比表面積小，對(duì)水的吸附力小，流動(dòng)性好，在混凝十拌和物
中起“滾珠軸承”作用。這一系列的物理特性，不僅使水泥漿需水量減小，顯著地改善了新拌混凝土的工作性;而且，它們往往填充于水泥漿的孔隙中，使硬化混凝土的密實(shí)性得到很好大改善。
2， 火 山灰 效應(yīng)粉煤灰的活性也稱火山灰效應(yīng)，是粉煤灰中的活性成分Si02和A1203等與石灰或水泥水化產(chǎn)物在有水存在的情況下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等物質(zhì)的能力。粉煤灰的火山灰反應(yīng)滯后于水泥熟料的水
化，上述這些反應(yīng)的產(chǎn)物填充于水泥水化產(chǎn)物的孔隙中，大大降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，導(dǎo)致孔徑細(xì)化?？讖郊?xì)化和粒徑細(xì)化均能改變孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝土各組分的粘結(jié)作用。
3.微 集 料 效應(yīng)粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布于水泥漿體的基相之中，阻止了水泥顆粒的相互粘聚，起到了分散和潤滑作用，打破了水泥漿的絮凝結(jié)構(gòu)。這有助于新拌和硬化混凝土均勻性的改善，有利于混合物的水化反應(yīng)。同時(shí)，粉煤
灰還可以彌補(bǔ)混凝土中細(xì)粉料的不足，阻塞泌水通道，有利于泌水率的降低。水泥漿中粉料的增加，也使?jié){體體積增加，改善了混凝土的粘聚，抑制了混凝土的離析泌水現(xiàn)象。由于粉煤灰顆粒的形態(tài)和親水特性，球狀玻璃體可吸附一層水膜，即粉煤灰具有良好的保水性。這均有利于混凝土需水量的減小，還有助于混凝土中空隙和毛細(xì)孔的填充和“細(xì)化“。
3.1.3粉煤灰對(duì)混凝土工作性能的影響
1.流 動(dòng) 性 新拌混凝土中的拌和水包括濕潤固體顆粒表面的表面層水和填充固體顆粒空隙的填充水，決定新拌混凝土流動(dòng)性的條件有兩個(gè):(1)固體顆粒之間的摩擦作用;(2)填充水的數(shù)量與固體顆?？紫堵实谋戎担礊橛行О韬退?。粉煤灰的球狀顆粒具有的形態(tài)效應(yīng)，起到了分散和潤滑作用，可減少水泥顆粒間、水泥顆粒與骨料間的摩擦。英國J.H. Br own的研究也表明，粉煤灰可以減少新拌混凝土的屈服值和塑性粘度值。因此，從條件(1)分析，粉煤灰可以提高新拌混凝土的流變性能。而對(duì)于條件(2)，粉煤灰有對(duì)立的兩方面影響作用:一方面，粉煤灰的微細(xì)顆粒能改善混凝土的顆粒級(jí)配，減小混凝土的孔隙率，增大有效拌和水比，又稱填充效應(yīng);而另一方面，粉煤灰的比表面積大，所需表面層水的數(shù)量會(huì)增多，這又會(huì)減少填充水的數(shù)量，降低有效拌和水比，又稱表面效應(yīng)。粉煤灰對(duì)新拌混凝土流動(dòng)性的影響要從形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)、表面效應(yīng)三方面綜合考慮，起影響的程度取決于這三種效應(yīng)疊加的結(jié)果。文獻(xiàn) 「16 〕研究了粉煤灰流動(dòng)性對(duì)混凝土工作性的影響。結(jié)果(表3-1)表明
隨粉煤灰摻量的增加，拌和物的塌落度和擴(kuò)展度都增加?？梢娛褂酶玫姆勖夯?br />
2.改 善 流 動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失由于好的減水劑對(duì)水泥顆粒的高度分散作用，低水膠比混凝土也可以獲得大的流動(dòng)性，但是由于水泥顆粒與水分的充分接觸也會(huì)造成早期水化反應(yīng)速度加快，水化生成物增多，因而引起混凝土塌落度損失問題。
粉煤灰的使用減少了膠凝材料中水泥的比例，使整個(gè)體系的反應(yīng)速度減慢，水化反應(yīng)生成物減少。因此，摻粉煤灰可明顯改善混凝土的塌落度損失。粉煤灰摻量越大，改善作用越明顯。
研究 結(jié) 果 表明，初始塌落度為200。的基準(zhǔn)混凝土，2小時(shí)后的塌落度保留值僅為50mm,混凝土塌落度經(jīng)時(shí)損失高達(dá)150mm，當(dāng)使用15%粉煤灰后，混凝上的初始塌落度變?yōu)?20mm, 2小時(shí)后的塌落度保留值為170mm，混凝土塌落度
經(jīng)時(shí)損失僅為50mmo
3.提 高抗 離析和泌水性由于粉煤灰微細(xì)顆粒的填充作用優(yōu)化了混凝土的顆粒級(jí)配，同時(shí)粉煤灰的分散作用使水分均勻分散，提高了整個(gè)漿體的均勻性。因此，摻粉煤灰可以提高新拌混凝土的抗離析和抗泌水性能。
3.1.4粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響
1.粉 煤 灰 強(qiáng)度的發(fā)展粉煤灰高性能混凝土由于粉煤灰早期不參與水化，故早期強(qiáng)度相對(duì)于不摻粉煤灰的混凝土弱。但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大，等于大于基準(zhǔn)混凝土(不摻粉煤灰的混凝土)。粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展見圖3.10
根據(jù)掃描電鏡觀察的結(jié)果可以定性地認(rèn)為，摻粉煤灰代替水泥，在水化早期，水泥凝膠體的強(qiáng)度和密實(shí)性均要比未摻粉煤灰的水泥石差一些。這是由于粉煤灰的活性還未充分發(fā)揮出來，粉煤灰顆粒與水泥凝膠體之間存在著空隙，需要粉煤灰進(jìn)一步水化生成凝膠來填充。但經(jīng)過較長(zhǎng)齡期之后，粉煤灰顆粒表面發(fā)生大量的水化反應(yīng)，將使水泥石結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。球形粉煤灰顆粒在水泥石中作為微細(xì)填料填充水泥凝膠體的孔中，減少Ca(OH)z晶體的數(shù)量，以提高水泥體積穩(wěn)定性和密
實(shí)性，從而強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土大[C171
2.高 強(qiáng) 度 的機(jī)理分析活性細(xì)摻合料的加入，生成了較多的C-S-H凝膠?；炷翉?qiáng)度主要取決于水泥石的強(qiáng)度及水泥與骨料粘結(jié)力，而水泥石強(qiáng)度及粘結(jié)力又取決于水化硅酸鈣凝膠的多少。由于活性細(xì)摻合料具有極大的比表面積與大
量非晶形Si仇，呈現(xiàn)出很高的化學(xué)活性，摻入混凝土中能迅速與水泥水化生成的Ca(OH)2起反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，從而提高了水泥石及混凝土的強(qiáng)度?；炷?土 密 實(shí)度大大提高。由于活性細(xì)摻合料顆粒很小，很容易進(jìn)入到水泥顆粒的孔隙中，堵塞混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔和大孔，并將大毛細(xì)孔分割成若干微細(xì)孔，使毛細(xì)孔數(shù)量減少，孔隙孔徑變小。活性細(xì)摻合料在混凝土中，降低孔隙率，提高密實(shí)度，主要是其填充效應(yīng)起了作用。并且減少泌水，增強(qiáng)了水泥石與骨料界面粘結(jié)力。
3.1.5粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響
高性 能 混 凝土最顯著的特點(diǎn)是高耐久性。造成混凝土耐久性不足的既有內(nèi)因，也有外因。屬于內(nèi)部的原因有堿一骨料反應(yīng)、混凝土本身的滲透性等。屬于外部原因有物理、化學(xué)和機(jī)械的作用:如化學(xué)侵蝕、碳化、內(nèi)部鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、堿一骨料反應(yīng)等。在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)要保證耐久性要求就必須考
3.1.6結(jié)論
粉煤 灰 在 混凝土中的良好作用，主要表現(xiàn)在粉煤灰的三大效應(yīng)。形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)使粉煤灰起到軸承滾珠的作用，改善混凝土的流動(dòng)性，減少流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失。粉煤灰的火山灰效應(yīng)改善混凝土的界面結(jié)構(gòu)，粗顆粒變?yōu)榧?xì)顆粒，粗孔變?yōu)榧?xì)孔，從而提高混凝土的密實(shí)度，混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性、抗凍性也隨著提高。最主要是降低了混凝土溫升，推遲最大溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間，對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)抗裂防滲極為有利。
