三、 粉煤灰在混凝土中的作用
了解混凝土的微結(jié)構(gòu)的特性及其對(duì)性能的影響后,就可以更好地認(rèn)識(shí)粉煤灰在混凝土中的作用。粉煤灰的主要作用可以包括以下幾方面:
1)填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤滑層,由于粉煤灰的容重(表觀密度)只有水泥的2/3左右,而且粒形好(質(zhì)量好的粉煤灰含量玻璃微珠),因此能填充得更密實(shí),在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。
2)對(duì)水泥顆粒起物理分散作用,使其分布得更均勻。當(dāng)混凝土水膠比較低時(shí),水化緩慢的粉煤灰可以提供水分,使水泥水化得更充分。
3)粉煤灰和富集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng),不僅生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物(與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同),而且加強(qiáng)了薄弱的過渡區(qū),對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)性能有顯著作用。
4)粉煤灰延緩了水化速度,減小混凝土因水化熱引起的溫升,對(duì)防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利。
下面對(duì)粉煤灰在混凝土中的作用及其機(jī)理做一些具體地分析。
長期以來,國內(nèi)外在混凝土中常摻有一定量粉煤灰,但作為水泥的替代材料,絕多數(shù)情況下是以如下三種方式應(yīng)用的:在早期強(qiáng)度要求很低,長期強(qiáng)度約在25~35MPa的體積水工混凝土中,摻量地替代水泥使用;在結(jié)構(gòu)混凝土里較少量地替代水泥(10~25%);在強(qiáng)度要求很低的回填或道路基層里量摻用。
對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理和應(yīng)用技術(shù),多年來進(jìn)行了量的研究工作,取得了不少進(jìn)展,這些進(jìn)展對(duì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用起了一定的推動(dòng)作用。如摻用的方法從等量替代水泥,發(fā)展到超摻法、代砂法以及與化學(xué)外加劑同時(shí)使用的雙摻法。對(duì)于粉煤灰的作用機(jī)理,從主要是火山灰質(zhì)材料特性的作用(消耗了水泥水化時(shí)生成薄弱的,而且往往富集在過渡區(qū)的氫氧化鈣片狀結(jié)晶,由于水化緩慢,只在后期才生成少量C-S-H凝膠,填充于水泥水化生成物的間隙,使其更加密實(shí)),逐步發(fā)展到分析它還具有形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)和微集料效應(yīng)等。但無論哪一方面的研究成果,似乎都改變不了這樣一個(gè)事實(shí):在混凝土中摻粉煤灰要降低混凝土的強(qiáng)度,包括28天齡期以后一段時(shí)間里的強(qiáng)度,其他性能當(dāng)然也相應(yīng)受到不同程度的影響,而且這些影響要隨著摻量的增而加劇。這個(gè)事實(shí)始終禁錮著粉煤灰在混凝土中,尤其是結(jié)構(gòu)混凝土中的摻量,而且似乎形成了這樣一種成見:摻用粉煤灰是以犧牲結(jié)構(gòu)混凝土的品質(zhì)為代價(jià)的。
事實(shí)上,如前所述,由于高效減水劑的應(yīng)用,使混凝土的水膠比可以幅度降低,從而使摻用粉煤灰的效果為改善,使摻量粉煤灰混凝土的性能能夠幅度地提高。
1)水膠比的影響 水膠比的上述變化為什么影響這么呢?在高水膠比的水泥漿里,水泥顆粒被水分隔開(水所占體積約為水泥的兩倍),水化環(huán)境優(yōu)異,可以迅速地生成表面積增1000倍的水化物,有良好地填充漿體內(nèi)空隙的能力。粉煤灰雖然從顆粒形狀來說,易于堆積得較為密實(shí),但是它水化緩慢,生成的凝膠量少,難以填充密實(shí)顆粒周圍的空隙,所以摻粉煤灰水泥漿的強(qiáng)度和其他性能總是隨摻量增(水泥用量減少)呈下降趨勢(當(dāng)然在早齡期就更加顯著)。
在低水膠比的水泥漿里情況就不一樣了。不摻粉煤灰時(shí),高活性的水泥因水化環(huán)境較差,即缺水而不能充分水化,所以隨水灰比下降,未水化水泥的內(nèi)芯增,生成產(chǎn)物量下降,但由于顆粒間的距離減小,要填充的空隙也同時(shí)減小,因此混凝土強(qiáng)度得到迅速提高。這種情況下用粉煤灰代替部分水泥,在低水膠比條件下(例如0.3左右),水泥的水化條件相對(duì)改善,因?yàn)榉勖夯宜徛够炷翆?shí)際的“水灰比”增,水泥的水化因而加快,這種作用機(jī)理隨著粉煤灰的摻量增愈加明顯(例如摻量為50%左右,初期實(shí)際水灰比則接近0.6),水泥水化程度的改善,則有利于粉煤灰作用的發(fā)揮,然而與此同時(shí),需要粉煤灰水化產(chǎn)物填充的空隙已經(jīng)減小,所以其水化能力差的弱點(diǎn)在低水膠比條件下被掩蓋,而它降低溫升等其它優(yōu)點(diǎn)則依然起著有利于混凝土性能的作用。以上所述低水膠比下粉煤灰作用的變化,我們可以用一個(gè)“動(dòng)態(tài)堆積”的概念來認(rèn)識(shí),這是相對(duì)于長期以來沿用的靜態(tài)堆積而言的。即通常在選擇原材料和配合比時(shí),是以各種原材料在加水之前的堆積盡量密實(shí)為依據(jù)的,但是當(dāng)加水?dāng)嚢韬螅貏e是在低水膠比條件下,如何通過粉狀顆粒水化的交叉進(jìn)行,使初始水膠比盡量降低,混凝土單位用水量盡量減少,配制出的混凝土在密實(shí)成型的前提下,經(jīng)過水化硬化過程,形成的微結(jié)構(gòu)應(yīng)該是更為密實(shí)的。上述摻量粉煤灰混凝土的例子中,每方混凝土的用水量僅100kg左右,要比目前配制普通混凝土少幾十公斤,就是明顯的證據(jù)。有人曾進(jìn)行過低水灰比(水膠比)摻/不摻粉煤灰凈漿的結(jié)合水測定試驗(yàn)[6]:摻有30%粉煤灰,水膠比為0.24的凈漿,要比水灰比為0.24的純水泥漿在28d時(shí)的結(jié)合水還多,證實(shí)上述摻粉煤灰后改善了水泥在低水灰比條件下水化程度的說法。因此低水膠比條件下,摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度發(fā)展與空白混凝土接近,而后期仍有一定幅度的增長,在一定范圍內(nèi)隨摻量變化的影響不。當(dāng)然,粉煤灰代替水泥用量了,由于起激發(fā)作用的氫氧化鈣含量減少,使粉煤灰的水化條件劣化,所以在不同條件下存在一最佳粉煤灰摻量,并不是越越好。
2)溫度的影響 眾所周知,溫度升高時(shí)水泥水化的速率會(huì)顯著加快。研究表明:與20℃相比,30℃時(shí)硅酸鹽水泥的水化速率要加快一倍。由于近些年來型、超型混凝土結(jié)構(gòu)物的建造,構(gòu)件斷面尺寸相應(yīng)增;混凝設(shè)計(jì)土強(qiáng)度等級(jí)的提高,使所用水泥標(biāo)號(hào)提高、單位用量增;又由于水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展,使其所含水化迅速的早強(qiáng)礦物硅酸三鈣含量提高、粉磨細(xì)度加,這些因素的疊加,導(dǎo)致混凝土硬化時(shí)產(chǎn)生的溫升明顯加劇,溫峰升高。舉一個(gè)典型的例子:97年北京一棟建筑物底層斷面為1.6m×1.6m的柱子,模板采用9層膠合板材料,施工季節(jié)為夏季,混凝土澆筑后柱芯的溫峰達(dá)到110℃。
在達(dá)到溫峰后的降溫期間,混凝土產(chǎn)生溫度收縮(也稱熱收縮)引起彈性拉應(yīng)力;另一方面,混凝土水膠比的降低,又會(huì)使因水泥水化產(chǎn)生的自身收縮增,同樣產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力;而混凝土的水灰比(水膠比)降低,早期水化加快,混凝土的彈性模量隨強(qiáng)度的提高而增,進(jìn)一步加劇了彈性拉應(yīng)力增長;與此同時(shí),混凝土的粘彈性,即對(duì)于彈性拉應(yīng)力的松弛作用卻顯著地減小,這一切,都導(dǎo)致近些年來許多結(jié)構(gòu)物在施工期間,模板剛拆除或以后不久就發(fā)現(xiàn)表面量裂縫。除了凝固前的塑性裂縫以外,硬化混凝土早期出現(xiàn)的裂縫往往深而長(實(shí)際上不可見裂縫的長度和深度,要遠(yuǎn)比可見裂縫得多)。為了防止可見裂縫的出現(xiàn),目前常采取外包保溫措施,以減小內(nèi)外溫差,這種做法被認(rèn)為是有效措施而迅速地得到推廣。但是沒有注意到:由于外保溫阻礙了混凝土水化熱的散發(fā),加劇了體內(nèi)的溫升,混凝土體溫度升高,使水泥水化加速,早期強(qiáng)度發(fā)展更加迅速,因此也更容易出現(xiàn)裂縫,只是由于鋼筋的約束和對(duì)應(yīng)力的分散作用,使少量寬而長的可見裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)榱糠稚⒌牟豢梢娏芽p,它們將為侵蝕性介質(zhì)提供通道,影響結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性。同時(shí)較的彈性拉應(yīng)力還可能引起鋼筋達(dá)到屈服點(diǎn)而滑移,從而可能影響結(jié)構(gòu)的使用功能。
與水泥相比,粉煤灰受溫度影響更為顯著,即溫度升高時(shí)它的水化明顯加快。所以當(dāng)混凝土澆注時(shí)環(huán)境溫度與混凝土體溫度較高時(shí),對(duì)純水泥混凝土來說,由于溫升帶來不利的影響,而對(duì)摻粉煤灰混凝土來說,則不僅溫升下降,減小了混凝土因溫度開裂的危險(xiǎn),同時(shí)由于加快火山灰反應(yīng),還提高了28天強(qiáng)度。舉一個(gè)很有意思的例子:德國在修建一條新鐵路時(shí),其隧道襯砌曾嚴(yán)重地開裂,當(dāng)時(shí)要求混凝土10h強(qiáng)度不低于12MPa;后來修改了規(guī)定:以隔熱的立方模型澆注的試件12h最高強(qiáng)度為6MPa;如果超過了,就要增加粉煤灰的摻量來更多地代替水泥。
以上說明:由于混凝土技術(shù)的進(jìn)展,使混凝土可以在比較低的水膠比條件下制備,這就使粉煤灰在混凝土中的作用出現(xiàn)顯著地變化。而近些年來水泥活性增、混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)提高促使水泥用量增,以及構(gòu)件斷面尺寸加,在混凝土體溫度上升的前提下,進(jìn)一步促進(jìn)了粉煤灰在混凝土中作用的發(fā)揮,以至可以說:粉煤灰在許多情況下可以起到水泥所起不到的作用,成為優(yōu)質(zhì)混凝土必不可少的組分之一。
3)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場澆注 長期以來,人們對(duì)于混凝土強(qiáng)度——其質(zhì)量控制主要指標(biāo)(通常也就是唯一指標(biāo))的評(píng)價(jià),一直是根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室里制備的小試件(由于骨料最粒徑的減小,試件尺寸從200×200×200mm減小到現(xiàn)在的100×100×100mm),經(jīng)規(guī)定齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(20±3℃;RH≥90%),然后在試驗(yàn)機(jī)上破型得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行。Idorn[7]在91年曾擬文指出:在特定實(shí)驗(yàn)室條件下取樣制備試件進(jìn)行試驗(yàn)作為控制質(zhì)量的方法,而不去開發(fā)以物理化學(xué)為科學(xué)依據(jù)的控制方法,是不合乎當(dāng)今時(shí)代的錯(cuò)誤。