2.3 高掺粉煤灰混凝土性能研究

2.3.1 粉煤灰的基本特性

电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末称为粉煤灰，其主要化学成分为氧化硅（SiO₂）及氧化铝（Al₂O₃），这两种成分的总含量一般在60%以上，它们是粉煤灰活性的主要来源。除此之外还有少量的氧化铁（Fe₂O₃）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）及三氧化硫（SO₃）和部分碳。

按其排放方式的不同，分为干排灰和湿排灰两种。湿排灰含水量大，活性降低较多，质量不如干排灰。干排灰按收集方法的不同，有静电收尘灰和机械收尘灰两种。静电收尘灰颗粒细、质量好；机械收尘灰的颗粒较粗、质量较差。为改善粉煤灰的品质，可对粉煤灰进行再加工，采用风选处理的，称为风选灰；经磨细处理的称为磨细灰；未经加工的称为原状灰。

按所燃烧煤种不同，分为F类及C类。F类粉煤灰是由燃烧无烟煤或烟煤的烟气中收集的粉煤灰；C类粉煤灰是由燃烧褐煤或次烟煤的烟气中收集的粉煤灰，灰中氧化钙的含量较高，一般大于10%。

粉煤灰在混凝土中具有形态效应、火山灰效应和微集料效应^[9]。粉煤灰粒径很小，多呈球形，表面比较光滑，这种球形小颗粒通称为微珠，掺入混凝土中，可提高混凝土的和易性，减少用水量。虽然粉煤灰的CaO含量较低，其自身所能产生的水化作用是微不足道的，当受到水泥水化生成的Ca（OH）₂激发，粉煤灰会逐渐发生水化作用，并产生力学强度。粉煤灰的颗粒一般都很小，在混凝土中可起微集料作用，充填在微小的孔隙中，可使混凝土更加致密。

由于粉煤灰中多孔的炭粒具有较强的吸附能力，能减少拌合物中的含气量，使达到相同含气量时混凝土引气剂的掺量增加。掺加粉煤灰会延长混凝土的凝结时间，另外掺粉煤灰后会对混凝土的强度、水化热反应、变形性能、耐久性产生影响，影响程度随粉煤灰掺量、品种和等级的改变而不同。三峡水利枢纽工程、溪洛渡和向家坝水电站工程均采用Ⅰ级粉煤灰，应用前都通过试验研究了不同粉煤灰掺量对混凝土性能的影响。

2.3.2 高掺粉煤灰混凝土强度特性研究

2.3.2.1 人工骨料试验研究

人工骨料混凝土的7d抗压强度发展系数随粉煤灰掺量的增加而减小，而90d的则显著增大；28d、90d强度拉压比都随粉煤灰掺量增加而增大。结果见表2.35。

2.3.2.2 天然骨料试验研究

天然骨料混凝土抗压强度发展系数和人工骨料混凝土有相同的规律，即随着粉煤灰掺量增大，7d抗压强度发展系数减小，而90d的显著增大。天然骨料混凝土强度拉压比比人工骨料混凝土的略大。结果见表2.36。

2.3.2.3 统计分析

粉煤灰对混凝土强度的影响取决于其减水效果和火山灰效应。由于粉煤灰自身的胶凝性比水泥小，须与水泥水化产物Ca（OH）₂产生二次水化反应，因此掺加粉煤灰的混凝土早期强度发展缓慢，后期增长率高。这对水工混凝土建筑物来说，能充分利用其后期强度的发展，有利于改善和提高混凝土性能。

通过二元回归分析计算得出不同龄期强度与胶水比、粉煤灰掺量关系的回归方程见表2.37。根据以上试验研究成果可以看出，同水胶比条件下，人工骨料混凝土的抗压强度较天然骨料混凝土的抗压强度平均高 19%左右。无论是人工骨料还是天然骨料，混凝土的抗压强度和抗拉强度都与水胶比和粉煤灰掺量有良好的统计关系，随水胶比和粉煤灰掺量的增大，抗压强度和抗拉强度都明显降低。粉煤灰掺量从15%～45%，抗压强度发展系数在早期（7d龄期）明显减小，人工骨料混凝土从0.62减小至0.47，天然骨料混凝土从0.55减小至0.41，到后期（90d龄期）则明显增大，人工骨料混凝土从1.29增大至1.7，天然骨料混凝土从1.37增大至1.75。拉压强度比值也随着粉煤灰掺量而增大，人工骨料混凝土 28d 龄期拉压比从 8.1%增大到9.2%，90d从8%增大到8.8%；天然骨料混凝土的28d龄期拉压比从8%增大到10.4%，90d从8.8%增大到10.4%。

2.3.3 高掺粉煤灰混凝土极限拉伸和轴拉强度研究

根据向家坝一期工程对混凝土极限拉伸值的要求，试验采用人工骨料，对不同水胶比、粉煤灰掺量进行混凝土极限拉伸和轴拉强度试验，试验结果见表2.38。二元回归分析结果见表2.39，表中不同粉煤灰掺量下的极限拉伸和轴拉强度为回归方程计算结果。

掺粉煤灰混凝土早龄期由于水化反应程度较低，混凝土的极限拉伸值、抗压弹性模量较低，徐变较大。随着龄期增长，粉煤灰水化速度加快，极限拉伸值也在发展，其增长率要比不掺粉煤灰的混凝土高。从表2.38和表2.39可以看出，极限拉伸值与水胶比和粉煤灰掺量的统计关系较为离散，轴拉强度的统计关系较良好。在相同水胶比条件下，28d极限拉伸值和轴拉强度随粉煤灰掺量增大而减小，但90d的极限拉伸值则基本一致，90d的轴拉强度虽然总体上也表现出随粉煤灰掺量增大而减小的趋势，但相差不大。

2.3.4 高掺粉煤灰混凝土耐久性研究

一般认为在保证混凝土含气量的条件下，掺粉煤灰对混凝土抗冻性的影响与不掺粉煤灰的混凝土大致相当。中国水利水电科学研究院对粉煤灰混凝土的抗冻性做过系统的研究，证明了在等量取代的条件下，粉煤灰掺量为 15%时，混凝土抗冻性可得到改善，但当粉煤灰掺量超过一定范围时，将使混凝土的抗冻性受到影响，试验结果见表2.40。

混凝土中掺入适量（不超过 25%）的优质粉煤灰有利于改善抗冲磨性能。因为优质粉煤灰有减水增强效果，及粉煤灰中玻璃微珠质地坚硬，从而提高抗冲磨性能。结果见表2.41。

粉煤灰掺入混凝土中，有利于抑制混凝土的碱-硅反应。因为粉煤灰的火山灰反应直接降低了混凝土中水溶性碱和孔隙溶液中的pH值，生成非膨胀的钙-碱-硅胶，改善混凝土的孔结构，降低混凝土的透水性。

粉煤灰对抗硫酸盐侵蚀有利。由于粉煤灰的火山灰反应，消耗了水泥混凝土中的Ca（OH）₂，避免或减少了混凝土中生成二次钙矾石和石膏结晶产生的体积膨胀所引起的内应力。另外，粉煤灰改善混凝土内部孔结构与分布，也起到抗硫酸盐侵蚀作用。

混凝土中掺入粉煤灰后，将使其抗碳化性能降低，不利于防止钢筋锈蚀。一般认为，粉煤灰掺量超过30%对钢筋混凝土的耐久性不利。