摘要：早在2000多年前的古羅馬時(shí)期，人類就用火山灰與石灰混合作為膠凝材料，建造了許多雄偉的建筑物，例如萬神殿，其直徑為44m的半球形穹頂就使用了12000噸這種膠凝材料和凝灰?guī)r輕骨料拌合而成的混凝土；還有聞名于世的圓形劇場(chǎng)等，這些建筑現(xiàn)在仍然安然無恙，2000年還有報(bào)道意大利人正在翻修圓形劇場(chǎng)，準(zhǔn)備在那里面舉行盛大的演出。今天在混凝土中摻用的粉煤灰，也是一種火山灰材料，大量的實(shí)踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其長期性能得到大幅度的改善，對(duì)延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：粉煤灰 混凝土 應(yīng)用

　　一、概述　　

　　早在2000多年前的古羅馬時(shí)期，人類就用火山灰與石灰混合作為膠凝材料，建造了許多雄偉的建筑物，例如萬神殿，其直徑為44m的半球形穹頂就使用了12000噸這種膠凝材料和凝灰?guī)r輕骨料拌合而成的混凝土；

　　還有聞名于世的圓形劇場(chǎng)等，這些建筑現(xiàn)在仍然安然無恙，2000年還有報(bào)道意大利人正在翻修圓形劇場(chǎng)，準(zhǔn)備在那里面舉行盛大的演出。今天在混凝土中摻用的粉煤灰，也是一種火山灰材料，大量的實(shí)踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其長期性能得到大幅度的改善，對(duì)延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命有重要意義。

　　現(xiàn)在作為混凝土主要膠凝材料的硅酸鹽水泥，同樣是以石灰石和粘土為主要原料經(jīng)過煅燒生成的。它問世于19世紀(jì)的30年代，至今尚不到200年歷史，因此用硅酸鹽水泥配制成混凝土建造的各種建筑物最長只有100多年，而國內(nèi)近些年修建的一些土木工程結(jié)構(gòu)物運(yùn)行不多年，就出現(xiàn)各種病害，甚至很快就遭到嚴(yán)重的破壞。例如北京的西直門立交橋，運(yùn)行僅20年就不得不拆除重建；更有甚者，據(jù)某省交通科研所一位所長坦言，那里的混凝土路面運(yùn)行三年不壞的很少！

　　80年代初，美國佛羅里達(dá)州建造了一座非常宏偉的跨海大橋，在該橋的建設(shè)過程中，考慮到周圍的侵蝕性環(huán)境，在混凝土里摻用了大量粉煤灰，工程質(zhì)量有很大改善。因而在1983年修訂規(guī)范時(shí)，對(duì)原來隨意使用粉煤灰的規(guī)定進(jìn)行了修訂[1].新規(guī)范（S-346）規(guī)定：在中度以上侵蝕環(huán)境中的橋梁上部結(jié)構(gòu)，包括預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的混凝土中，必須摻用粉煤灰。其中大體積混凝土中粉煤灰的摻量為18~50%. 　　什么是大體積混凝土？許多人至今仍認(rèn)為那就是指大壩，也有些人把高層樓房的大型基礎(chǔ)包括在內(nèi)�？墒敲绹�混凝土學(xué)會(huì)規(guī)定：任何現(xiàn)澆混凝土，其尺寸達(dá)到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響的，即稱為大體積混凝土。這個(gè)問題下面還要談到。

　　摻粉煤灰混凝土的另一典型實(shí)例，是1982年英國的Garwick機(jī)場(chǎng)的停機(jī)坪擴(kuò)建工程，該工程在兩條相鄰的道面上對(duì)摻與不摻粉煤灰混凝土進(jìn)行了對(duì)比[2].所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量達(dá)到46%.該工程經(jīng)運(yùn)行4年后所拍的照片清楚地顯示出：與純硅酸鹽水泥混凝土相對(duì)照，摻粉煤灰混凝土道面的表面層抗滑構(gòu)造仍基本完好，而前者則已坑坑點(diǎn)點(diǎn)，受到一定程度的破壞了。這個(gè)實(shí)際工程事例一方面說明：在低水膠比條件下，即使摻有大量粉煤灰，也可以獲得強(qiáng)度和耐久性都十分優(yōu)異的混凝土；另一方面，對(duì)長期以來沿用的，以28d齡期的快速實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)不同類型混凝土的耐久性提出了質(zhì)疑。粉煤灰在混凝土公路路面中的應(yīng)用舉一個(gè)例子。

　　Mehta教授曾提到[3]：在美國大約70%的低交通量公路與地方公路需要升級(jí)，考慮用大摻量粉煤灰代替水泥以降低造價(jià)，電力研究院（EPRI）出資搞了幾個(gè)示范工程：在北達(dá)科他州，1988和1989年夏天，用20000m³粉煤灰混凝土鋪筑厚為200mm的路面，其水膠比為0.43，水泥用量100Kg/m³、粉煤灰220Kg/m³. 加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心（CANMET）自1985年以來，對(duì)大摻量粉煤灰混凝土進(jìn)行了深入而廣泛的研究[4]，由于該國處寒帶地區(qū)，因此通常在混凝土里摻有引氣劑，并保持含氣量在5～6%，在這種前提下，以水泥150kg/m³，粉煤灰200kg/m³，通過高效減水劑將水膠比降到0.3左右，所配制的混凝土抗壓強(qiáng)度28天為30～40MPa；90天40～50MPa；1年50~60MPa.大摻量粉煤灰混凝土的成功試驗(yàn)，使其在哈利法克斯的帕克林購物中心施工中用于澆注巨大的柱子，拌合物含55％低鈣粉煤灰、45％硅酸鹽水泥，以及就地取材的砂、石和高效減水劑。這些柱子一共用去700m³大摻量粉煤灰混凝土；

　　在哈利法克斯海邊處于海洋環(huán)境的建筑物群施工中也得到應(yīng)用。該建筑物位于海邊，包括兩幢商業(yè)大廈的公共建筑，其32根直徑1.2m和30根直徑1.1m的框架柱沉箱，平均長度在21m.采用大摻量粉煤灰混凝土的首要原因，是其抗?jié)B性能優(yōu)異。在渥太華附近的大衛(wèi)伏勞瑞達(dá)實(shí)驗(yàn)室，工程師們用CANMET開發(fā)的大摻量粉煤灰混凝土設(shè)計(jì)了一個(gè)重360噸的混凝土平臺(tái)。為了降低水化熱，以粉煤灰、Ⅱ型（低熱）水泥、水、粗細(xì)骨料、引氣劑和高效減水劑混合配制。平臺(tái)的尺寸是7×8m，平均厚度2.25m，安放在多個(gè)充氣圓柱體上，因此其震動(dòng)與地面分離。由于粉煤灰混凝土特殊的品質(zhì)，發(fā)射火箭產(chǎn)生的沖擊不會(huì)引起平臺(tái)共振。隨著齡期增長，平臺(tái)混凝土的共振頻率以每年0.05Hz的速度增長，質(zhì)量越來越好。在該平臺(tái)上成功地發(fā)射了愛那克依火箭的事實(shí)雄辯地證明：粉煤灰混凝土可以看作是真正的太空時(shí)代的建筑材料。根據(jù)CANMET在第二屆“高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用”國際研討會(huì)發(fā)表的論文[5]，以水泥150kg/m³、粉煤灰200kg/m³，不摻引氣劑并摻高效減水劑將水膠比降至0.29，所配制的大摻量粉煤灰高強(qiáng)混凝土7天強(qiáng)度可達(dá)34MPa；28天52MPa；90天70MPa；365天98MPa.

　　我們用內(nèi)蒙元寶山電廠1級(jí)粉煤灰、北京2級(jí)粉煤灰為原材料，同樣以水泥150kg/m³、粉煤灰200kg/m³，并摻高效減水劑調(diào)節(jié)水膠比為0.30～0.38，配制的混凝土R3=30MPa；R28=50MPa；R1y=80MPa.根據(jù)分析，早期強(qiáng)度發(fā)展更快是因?yàn)樗�用水泥含堿量較大、活性高，并因此影響了后期強(qiáng)度發(fā)展幅度偏小。在建筑工程中，我們與北京城建集團(tuán)總公司構(gòu)件廠合作，在自密實(shí)混凝土中摻用30～45%粉煤灰作為增粘劑，保證了這種混凝土有足夠粘聚性，不致發(fā)生離析與泌水現(xiàn)象，而且可在數(shù)小時(shí)里幾乎沒有坍落度損失，滿足長途運(yùn)輸后仍然能夠自密實(shí)的效果。該成果（大摻量粉煤灰混凝土在建筑工程中的應(yīng)用）于1998年12月獲得北京市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。在公路工程建設(shè)中，由我們提供技術(shù)咨詢服務(wù)，自1994年以來于廣東深-汕等四條近100km高速公路路面混凝土中摻用粉煤灰20～40%，取得明顯提高滑模攤鋪機(jī)攤鋪路面板的質(zhì)量（提高路面宏觀平整度、明顯減少開裂）、減小進(jìn)口設(shè)備損耗并降低水泥用量等技術(shù)與經(jīng)濟(jì)綜合效益。

　　二、混凝土的結(jié)構(gòu)與性能

　　為了便于認(rèn)識(shí)粉煤灰在混凝土中的作用，先來看看混凝土的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系�；炷�土是由大小不同的顆粒所組成的，大顆粒粗骨料的空隙由中小顆粒的粗骨料（石子）填充；粗骨料顆粒的空隙由細(xì)骨料（砂子）填充，它的顆粒也是有粗有細(xì)，細(xì)顆粒填充粗顆粒之間的空隙；水泥漿則填充粗細(xì)骨料堆積體的大小空隙，并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實(shí)。硬化混凝土是一種復(fù)雜的、多相的復(fù)合材料，它的結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)相——骨料、硬化水泥漿體以及二者之間的過渡區(qū)，說它復(fù)雜是因?yàn)樗�很不勻質(zhì)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

　　第一，過渡區(qū)的存在。過渡區(qū)是圍繞骨料顆粒周邊的一層薄殼，厚度約10～50μm.由于它的薄弱，對(duì)混凝土性能的影響十分顯著；第二，三相中的任一相，本身實(shí)際上還是多相體。例如一顆花崗巖的骨料里除了有微裂縫、孔隙外，還不均勻地鑲嵌著石英、長石和云母三種礦物。石英很硬，而云母就很軟；第三，與其他工程材料不同，混凝土結(jié)構(gòu)中的兩相——硬化水泥漿體和過渡區(qū)是隨時(shí)間、溫度與濕度環(huán)境不斷變化著的。先談骨料相。通常在為混凝土選擇骨料時(shí)，首先注意的是它的顆粒強(qiáng)度，也就是說：它越堅(jiān)硬越好。事實(shí)上，由于骨料的強(qiáng)度通常比其他兩相的高很多，因此它對(duì)混凝土的強(qiáng)度并沒有直接的影響。但是它們的粒徑和形狀間接地影響混凝土強(qiáng)度：當(dāng)骨料最大粒徑越大、針片狀顆粒越多時(shí)，其表面積存的水膜越厚，過渡區(qū)相就越薄弱，硬化混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B透性也越差。所以，質(zhì)量好的骨料應(yīng)該是顆粒形狀均勻、級(jí)配好，堆積密實(shí)度高，所需要的漿體用量少。許多路面板之所以不耐久，骨料質(zhì)量差，尤其缺乏5～10mm粒徑的顆粒，因此傳荷能力和抗沖擊與疲勞能力受到嚴(yán)重影響是重要的原因。

　　再談?dòng)不�水泥漿體（也稱水泥石）。在配制混凝土選用水泥時(shí)，都認(rèn)為標(biāo)號(hào)越高的水泥就越好。事實(shí)上，高標(biāo)號(hào)水泥因?yàn)橥ǔ７勰サ迷郊?xì)，在拌合時(shí)往往需要更多的水，硬化后生成更多薄弱的氫氧化鈣，多余的水分蒸發(fā)后也會(huì)形成更多的孔隙，對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性不利。但是，這樣的水泥水化反應(yīng)快，因此用它配制的混凝土早期強(qiáng)度高，這是它受歡迎，售價(jià)高的原因。試驗(yàn)表明：即使所用骨料非常致密，混凝土的滲透性也要比相應(yīng)的水泥漿體低一個(gè)數(shù)量級(jí)。這說明：混凝土體的滲透性并不直接取決硬化水泥漿體的滲透性，那么更主要的影響來自哪里呢？答案只能是：來自過渡區(qū)。剛澆筑成型的混凝土在其凝固硬化之前，骨料顆粒受重力作用向下沉降，含有大量水分的稀水泥漿則由于密度小的原因向上遷移，它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使骨料顆粒的周壁形成一層稀漿膜，待混凝土硬化后，這里就形成了過渡區(qū)。過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為：

　　1）富集大晶粒的氫氧化鈣和鈣礬石；

　　2）孔隙率大、大孔徑的孔多；

　　3）存在大量原生微裂縫，即混凝土未承載之前出現(xiàn)的裂縫。

　　因?yàn)檫^渡區(qū)的影響，使混凝土在比它兩個(gè)主要相能夠承受的應(yīng)力低得多的時(shí)候就被破壞；由于過渡區(qū)大量孔隙和微裂縫存在，所以雖然硬化水泥漿體和骨料兩相的剛性很大，但受它們之間傳遞應(yīng)力作用的過渡區(qū)影響，混凝土的剛性和彈性模量明顯地減小。過渡區(qū)的特性對(duì)混凝土的耐久性影響也很顯著。因?yàn)橛不�水泥漿體和骨料兩相在彈性模量、線脹系數(shù)等參數(shù)上的差異，在反復(fù)的荷載、冷熱循環(huán)與干濕循環(huán)作用下，過渡區(qū)作為薄弱環(huán)節(jié)，在較低的拉應(yīng)力作用下其裂縫就會(huì)逐漸擴(kuò)展，使外界水分和侵蝕性離子易于進(jìn)入，對(duì)混凝土及鋼筋產(chǎn)生侵蝕作用。