一、 概述
早在2000多年前的古羅馬時期，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巖輕骨料拌合而成的混凝土；還有聞名于世的圓形劇場等，這些建筑現在仍然安然無恙，2000年還有報道意大利人正在翻修圓形劇場，準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，對延長結構物的使用壽命有重要意義。
現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過煅燒生成的。它問世于19世紀的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，而國內近些年修建的一些土木工程結構物運行不多年，就出現各種病害，甚至很快就遭到嚴重的破壞。例如北京的西直門立交橋，運行僅20年就不得不拆除重建；更有甚者，據某省TRANBBS交通科研所一位所長坦言，那里的混凝土路面運行三年不壞的很少！
80年代初，美國佛羅里達州建造了一座非常宏偉的跨海大橋，在該橋的建設過程中，考慮到周圍的侵蝕性環境，在混凝土里摻用了大量粉煤灰，工程質量有很大改善。因而在1983年修訂規范時，對原來隨意使用粉煤灰的規定進行了修訂[1]。新規范（S-346）規定：在中度以上侵蝕環境中的橋梁上部結構，包括預應力構件的混凝土中，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？許多人至今仍認為那就是指大壩，也有些人把高層樓房的大型基礎包括在內。可是美國混凝土學會規定：任何現澆混凝土，其尺寸達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。這個問題下面還要談到。
摻粉煤灰混凝土的另一典型實例，是1982年英國的Garwick機場的停機坪擴建工程，該工程在兩條相鄰的道面上對摻與不摻粉煤灰混凝土進行了對比[2]。所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量達到46%。該工程經運行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照，摻粉煤灰混凝土道面的表面層抗滑構造仍基本完好，而前者則已坑坑點點，受到一定程度的破壞了。這個實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，也可以獲得強度和耐久性都十分優異的混凝土；另一方面，對長期以來沿用的，以28d齡期的快速實驗結果評價不同類型混凝土的耐久性提出了質疑。
粉煤灰在混凝土公路路面中的應用舉一個例子。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，考慮用大摻量粉煤灰代替水泥以降低造價，電力研究院(EPRI)出資搞了幾個示范工程：在北達科他州，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。
加拿大礦產與能源TRANBBS技術中心（CANMET）自1985年以來，對大摻量粉煤灰混凝土進行了深入而廣泛的研究[4]，由于該國處寒帶地區，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，使其在哈利法克斯的帕克林購物中心TRANBBS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境的建筑物群施工中也得到應用。該建筑物位于海邊，包括兩幢商業大廈的公共建筑，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，是其抗滲性能優異。在渥太華附近的大衛伏勞瑞達實驗室，工程師們用CANMET開發的大摻量粉煤灰混凝土TRANBBS設計了一個重360噸的混凝土平臺。為了降低水化熱，以粉煤灰、Ⅱ型（低熱）水泥、水、粗細骨料、引氣劑和高效減水劑混合配制。平臺的尺寸是7×8m，平均厚度2.25m，安放在多個充氣圓柱體上，因此其震動與地面分離。由于粉煤灰混凝土特殊的品質，發射火箭產生的沖擊不會引起平臺共振。隨著齡期增長，平臺混凝土的共振頻率以每年0.05Hz的速度增長，質量越來越好。在該平臺上成功地發射了愛那克依火箭的事實雄辯地證明：粉煤灰混凝土可以看作是真正的太空時代的建筑材料。
根據CANMET在第二屆“高強混凝土的應用”國際研討會發表的論文[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混凝土7天強度可達34MPa；28天52MPa；90天70MPa；365天98MPa。
我們用內蒙元寶山電廠1級粉煤灰、北京2級粉煤灰為原材料，同樣以水泥150kg/m3、粉煤灰200kg/m3，并摻高效減水劑調節水膠比為0.30~0.38，配制的混凝土R3=30MPa；R28=50MPa；R1y=80MPa。根據分析，早期強度發展更快是因為所用水泥含堿量較大、活性高，并因此影響了后期強度發展幅度偏小。
在建筑工程中，我們與北京城建集團總公司構件廠合作，在自密實混凝土中摻用30~45%粉煤灰作為增粘劑，保證了這種混凝土有足夠粘聚性，不致發生離析與泌水現象，而且可在數小時里幾乎沒有坍落度損失，滿足長途運輸后仍然能夠自密實的效果。該成果（大摻量粉煤灰混凝土在建筑工程中的應用）于1998年12月獲得北京市科技進步三等獎。
在公路工程建設中，由我們提供技術咨詢服務，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攤鋪路面板的質量（提高路面宏觀平整度、明顯減少開裂）、減小進口設備損耗并降低水泥用量等技術與經濟綜合效益。
二、 混凝土的結構與性能
為了便于認識粉煤灰在混凝土中的作用，先來看看混凝土的結構和性能之間的關系。混凝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骨料（砂子）填充，它的顆粒也是有粗有細，細顆粒填充粗顆粒之間的空隙；水泥漿則填充粗細骨料堆積體的大小空隙，并包裹它
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