大掺量粉煤灰混凝土配合比设计及应用研究

摘要：大掺量粉煤灰混凝土是一种“绿色环保”混凝土。本文分析了粉煤灰在混凝土中的机理，介绍了几种大掺量粉煤灰混凝土的配合比设计方法，指出了大掺量粉煤灰混凝土在工程应用中的注意事项。

关键词：大掺量 粉煤灰混凝土 作用机理 配合比设计 施工

随着我国土建行业的快速发展，混凝土由于其具有节能、成本偏低、应用方便耐久性好等特点导致其需求量不断增加。同时，混凝土需求量的增加也带来很多负面影响，因为水泥的生产需要耗费巨大的能源和资源。为解决这个问题国内外水泥混凝土行业研究人员展开了很多研究，其中大掺量粉煤灰混凝土就是其提出的一种“绿色环保”混凝土。所谓大掺量粉煤灰混凝土，就是将粉煤灰看着一个独立组分，而不是水泥的替代品，以工程设计与施工及环境的要求为基准，而不是以不掺粉煤灰的混凝土为基准，进行混凝土设计、生产、浇筑和养护。

1. 粉煤灰在混凝土中的主要作用

粉煤灰在混凝土中的主要作用表现在以下几个方面：

填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成层，由于粉煤灰的容重（表观密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好（质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显着。

对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分，是水泥水化更充分。

粉煤灰和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物（与水泥中硅酸盐的水化产物相同），而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显着作用。

粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。

2.粉煤灰在混凝土中的机理分析

粉煤灰的形态效应粉煤灰的主要矿物组成是海绵状玻璃体，铝硅酸盐玻璃微珠，这些球状玻璃体表面光滑、粒度细，质地致密，内比表面积小，不仅使水泥浆需水量小，而且它们往往填充水泥浆体孔隙中，使混凝土密实性大大提高，或者在相同用水量的情况下，可增大流动性，改善和易性和可泵性。

粉煤灰的微集料效应粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，阻止了水泥颗粒的相互粘聚，而处于分散状态有利于水化反应的进行，同时减少了用水量，硬化后混凝土孔隙率降低，使密实度得以提高。

粉煤灰的活性效应粉煤灰的活性效应也称火山灰效应，粉煤灰中的活性成份SiO2和AI2O3与水泥和石灰的水化产物在水溶液中发生反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，继而与石膏反应生成水化硫铝酸钙。上述这些反应几乎都是在水泥浆孔隙中进行的，大大降低了混凝土内部的孔隙率，改变了孔结构，提高了混凝土的密实度。

3. 大掺量粉煤灰混凝土的几种配合比设计方法

3.1简易配合比设计法

粉煤灰混凝土简易配合比设计方法主要可以分为两种：（1）固定用量法，该方法的主要原理是通过设计经验或者水泥用量变化的试验，选择出一个固定粉煤灰用量的合适配合比。这种方法实际上也是基于与基准混凝土对比的基础上，并考虑设计应满足28d强度和稠度等要求的一种设计方法，其本质只是一种改良也具有一定的局限性。（2）调整系数法，调整系数法直接引用基准混凝士配合比设计结果，按照设计和易性相等和28d强度相等的粉煤灰混凝土的要求，适当地调整各种基本材料用量，然后确定配合比。在粉煤灰混凝土简易配合比设计方法中，调整系数法是比较合理的。从实用的角度来看，调整系数法简单易懂，简捷易行，比较容易接受。

3.2 等量取代法

等量取代法属于早期的大掺量粉煤灰混凝土设计技术，又称“简单取代法”。这种设计方法原理是参照普通混凝土设计方法，然后直接用粉煤灰等量取代水泥，根据所用粉煤灰的品质及混凝土的和易性等要求来对混凝土的用水量进行调节。其设计步骤为：配合比设计配置强度的龄期；设计用的基准配合比，以体积法设计的为准；计算粉煤灰用量；计算水泥用量；粉煤灰混凝土的灰浆体积计算；砂、石的总体积计算；砂、石用量计算和砂率计算，该计算与体积法基准混凝土的计算法一样。

3.3 理性法

随着粉煤灰混凝土配合比设计原理的发展，后期出现了一些比取代法更合理的配合比设计方法。（1）最优化方法，该方法是基于经济原则进行的配合比设计的一种方法，其设计理念是使得粉煤灰混凝土获得最大的技术经济效益。最为著名的有两段法和数值法。（2）按混凝土耐久性要求设计配合比法，该方法把混凝土的耐久性作为混凝土配合比设计过程中的一个重要依据。一般情况下，我们将强度指标看作为混凝土的质量指标，但是仅仅考虑强度作为衡量混凝土质量的指标，会忽略实际工程中对混凝土耐久性的要求，因为很多工程实例证明混凝土的破坏不一定是强度的问题，而是耐久性的问题。

4. 大掺量粉煤灰混凝土的局限性

煤灰-水泥-化学外加剂的相容性，表现为混凝土水胶比能否有效地降低，一般说来，当水胶比只能在0.4以上时，在中等强度混凝土中使用的效果就可能成问题。

大掺量粉煤灰混凝土的水泥用量少，由于起激发作用的氢氧化钙含量减少，使粉煤灰的水化条件劣化，所以在不同条件下存在一最佳粉煤灰掺量，并非越大越好。

掺粉煤灰混凝土比普通混凝土对温度更为敏感，在气温较低时制备的掺粉煤灰混凝土，强度发展较为缓慢。

5. 大掺量粉煤灰混凝土工程应用建议

实际工程在使用高掺量粉煤灰混凝土时应该注意一些相关问题：施工质量的控制，在原材料方面应对采用的水泥、砂、石等按相关规范进行现场二次抽查。注意控制粉煤灰的质量，因为粉煤灰是原材料中质量波动较大的一种材料。在浇筑过程当中，由于大掺量粉煤灰混凝土十分粘稠，这个对提高其均匀性有一些好处，但是在浇筑完成后，应该及时对混凝土表面喷洒养护剂。适当延长支模时间，以保证足够的水化时间。当施工温度很低时，施工完成后还应注意采取保温养护措施，这样才能保证粉煤灰混凝土的强度发展满足要求，因为粉煤灰混凝土早期强度本身就很低。

参考文献：

[1] 甘昌成 等.大掺量粉煤灰泵送混凝土的生产与应用[J].混凝土.2004.03.

[2] 张天一.大掺量粉煤灰绿色混凝土的试验研究[J].施工技术.2007.12.

[3] 覃维祖.粉煤灰在混凝土中的应用[J].粉煤灰综合利用.2000.03.

作者简介：

刘文运（1967.5― ）男，山西大同，毕业于中北大学建筑工程管理专业。中国能源建设集团山西省电力建设一公司，工程师，主要从事土建试验检验工作。