1 前言
粉煤灰砼是随着现代砼技术的进步而发展起来的一种经济的改性砼，已经历了半个多世纪的发展历史。早在1932年，美国电力部门就开始对粉煤灰在砼中的应用进行了研究，并于40年代中期通过不少水坝工程砼中掺加粉煤灰的成功试点，首先在蒙大拿州的饿马坝这一大型工程中大规模应用粉煤灰，成为粉煤灰砼技术发展史上的第一块里程碑。50年代和60年代，因发展能源工业的需要，世界范围内火力发电工程增多，粉煤灰产量也随之剧增，对粉煤灰性质的认识逐渐深化，粉煤灰砼经历了广泛的实用阶段。事实证明，实用结果令人惊喜，粉煤灰砼在经济性、工作性以及耐久性等方面大大超过了普通砼。此后，粉煤灰砼的应用越来越受重视，直到80年代已发展成为现代砼的基本材料。同时，其它国家也发展了许多先进技术，比如说英国最先开发了优质粉煤灰，最早发展了胶凝效率系数的原理和应用;日本则长期研究粉煤灰砼的耐久性等。
我国的粉煤灰砼技术发展起步于50年代中期，1954年，国家财经委在编制并颁布的“关于在基本建设工程中使用水泥暂行规定”中，就确定了粉煤灰作为“水硬性混合材料”掺入水泥熟料中生产水泥，其掺量为15%～20%。随着科研单位对粉煤灰掺入砼中的系统研究和在工程中的应用实践，特别是在水工工程中的应用后，在建筑工程中也得到推广应用，并取得了十分显著的效果。近10多年来，国家为了更系统广泛地在建筑工程中使用粉煤灰，先后制定并颁布了一些国家标准和规程，如《用于水泥和混凝土的粉煤灰》GB1596-95;《硅酸盐建筑制品用粉煤灰》JC409-1;《粉煤灰混凝土应用技术规程》GBJ146-90以及《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》JOJ28-86等。我国粉煤灰砼研究应用的特点是研究较早，开发较迟，发展势头迅猛，发展前景广阔。
近年来，国内外许多专家学者纷纷致力于研究和开发掺入粉煤灰和高效减水剂制备的高性能砼。美国P.K.Mehta教授证明在低水泥用量(约150kg/m3）、高粉煤灰掺量(190～210kg/m3）的条件下，掺高效减水剂和引气剂，可以制备出各种性能都相当优异的高性能砼。与其它品种的火山灰相比，粉煤灰具有材源、性能等方面明显的优势，毫无疑问，它已成为砼的“第六组分”，必将得到越来越广泛的应用。
2 大掺量粉煤灰高性能砼的社会经济意义
随着工业化的发展，能源危机、环境污染、矿物资源枯竭等问题越来越突出。以电力工业为例，我国发电以火电为主，目前，电厂粉煤灰年排放量达9000多万吨，占地30多万亩，而且排放量增长率剧增，已成为社会一大公害。另一方面，建筑工业每生产1吨水泥熟料，排放1吨CO2气体，耗煤0.2吨。按可持续发展战略，硅酸盐水泥和常规砼的生产必将受到越来越严格的限制。
众所周知，在砼中掺入一定量的粉煤灰，会对砼的许多性能有显著改善，然而目前我国砼中掺入的粉煤灰量，一般都在取代水泥的20%左右，很少达到30%。如此小规模地利用粉煤灰制备砼无法抑制日益大量排放、堆积如山的粉煤灰。据国家有关部门预测，我国粉煤灰年排放量2000年将达到1.6亿吨，而2000年的计划综合利用量为6000万吨，即是说2000年将有1亿吨粉煤灰贮存起来，如果把10多年前尚在贮存的粉煤灰加起来，2000年将有5～6亿吨粉煤灰贮存量，再这样下去，后果将不堪设想。因此建材工业的发展必须依靠调整结构，节能利废，减少污染。砼能否长期作为最主要的建筑材料，关键在于能否成为绿色材料，能否节约能源，处理工业废渣，减少环境污染。
然而多年来，由于存在着观念以及技术上的障碍，人们在粉煤灰的掺量问题上一直持比较保守的态度。大掺量粉煤灰高性能砼着眼于更充分地利用粉煤灰的潜在活性，减少水泥用量，降低砼生产成本;变废为宝，化害为利，节约堆放粉煤灰的大量宝贵土地;更大发挥高性能优势，改善砼工作性、耐久性;从我国的实际国情出发，由于砼强度等级普遍偏低，若将高性能砼强度限制在C50～C60以上，则势必窒息其发展。我国著名建材专家吴中伟院士认为，应将高性能砼的强度下限降至C30左右，增加对粉煤灰等掺合材的利用率，扩大绿色高性能砼的应用范围，可取得更大的环境与技术经济效益。大掺量粉煤灰高性能砼与普通砼经济性的比较参见下表。
不同粉煤灰掺量高性能砼与普通砼经济比较
编
号 胶凝材
料总量
(kg/m3) 粉煤灰
等量取
代率
(%) 水泥
造价
(元/m3) 粉煤灰
造价
(元/m3) 总造价
(元/m3) 造价
比率
(%) 节省
费用
(元/m3)
1 540 0 205.2 0 205.2 100 —
30 143.6 32.4 176.0 85.8 29.2
40 123.1 43.2 166.3 81.0 38.9
50 102.6 54.0 156.6 76.3 48.6
2 500 0 190 0 190 100 —
30 133 30 163 85.8 27
40 114 40 154 81.1 36
50 95 50 145 76.3 45
3 480 0 182.4 0 182.4 100 —
30 127.7 28.8 156.5 85.8 25.9
40 109.4 38.4 147.8 81.0 34.6
50 91.2 48.0 139.2 76.3 43.2
注:(1)其它材料用量均相同;
(2)普通硅酸盐水泥单价:380元／吨;
(3)粉煤灰复合超细粉单价:200元／吨。
3 粉煤灰高性能砼的性能
粉煤灰是一种呈玻璃态实心或空心的球状微颗粒，比水泥粒子小得多，比表面积极大，表面光滑致密，其成分主要是活性氧化硅或氧化铝。掺入砼中的粉煤灰主要产生以下几方面影响:
(1)活性效应:在常温下，由于粉煤灰的水化反应比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿，所以砼早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低。随着时间的推移，粉煤灰中活性部分SiO2和Al2O3与水泥水化生成的Ca（OH）2发生反应，生成大量水化硅酸凝胶。粉煤灰外部的一些水化产物在成长过程中也会象树根一样伸入颗粒空隙中，填充空隙，破坏界面区Ca（OH）2的择优取向排列，大大改善了界面区，促进了砼后期强度的增长。
(2)微集料密实填充及颗粒形态效应:均匀分散在砼中的粉煤灰颗粒不会大量吸水，不但起着滚珠作用，而且与水泥粒子组成了合理的微级配，减少填充水数量，影响系统的堆积状态，提高堆积密度，具有减水作用，使新拌砼工作性优良，硬化砼微结构更加均匀密实。而且，不会发生泌水离析现象，可施工性和抹面性好，抗渗性、抗冻性好。
(3)交互作用:水泥、粉煤灰、外加剂等不同粉料间会产生物理、化学的交互作用。例如，水泥水化生成的Ca（OH）2是粉煤灰的活性激发剂，而被激发了的粉煤灰一但水解，降低液相碱度，又会进一步促进未水化水泥水化。又如砼坍落度经时损失的原因之一是随着水化反应的进行，高效减水剂的浓度降低，通过SEM观察，发现超细粉末的粉煤灰颗粒存在大量比表面积相当大的微珠以及一定量的多孔海绵状的不规则小块，可吸附外加剂，是外加剂的理想载体。由于粉煤灰水化反应缓慢，吸附在其上的高效减水剂在短时间内不会起作用，之后才随粉煤灰的水化得以逐渐释放，因此新拌粉煤灰砼的坍落度经时损失小。
另外，目前生产的水泥含碱量不断提高，粉煤灰的使用大大节约水泥熟料，抑制碱-骨料反应;水泥中C3A含量少，水化产生的热量少，减少了砼构件由于内外温差过大而引起其表面开裂的危险;粉煤灰水化消耗大量Ca（OH）2，砼不耐蚀成分减少，因而耐化学侵蚀性比普通砼强得多。同时徐变、干缩等变形性能也优于普通砼。
综上所述，大掺量粉煤灰高性能砼具有令人满意的工作性、耐久性，力学性能也能达到设计要求，尽管早期强度低，但后期强度高，强度储备大。过去，某些大掺量粉煤灰砼工程之所以不尽如人意，是因为粉煤灰品质低，砼生产技术落后造成的。现在，许多电厂已具备了生产优质粉煤灰的技术，砼生产工艺也大有提高，因此，大掺量粉煤灰高性能砼的推广在技术上不存在障碍，或者说这种障碍正逐渐消失。
4 大掺量粉煤灰高性能砼的应用及存在的问题
大掺量粉煤灰高性能砼具有优良的力学性能、工作性、耐久性以及不容忽视的经济性，因而具有相当强的生命力，应用前景十分广阔，可用于道路工程、碾压砼工程、回填工程、大体积水工工程以及在房建工程中作为空心砌块和墙体材料等，尤其应用在对强度要求不高或可延迟承重的结构物中更显其优越性。工程实践表明，粉煤灰砼的可泵性、可碾性、抗分离性、耐蚀性以及抗渗、抗冻性优良。例如，贵州省普定水电站拱坝坝体砼的粉煤灰掺量高达65%，已证明其应用是相当成功的。
当然，大掺量粉煤灰高性能砼的推广仍存在许多问题。首先，粉煤灰砼的早期强度低，大掺量在观念上仍存在推广障碍，人们往往宁肯持保守态度。粉煤灰掺量过大，Ca（OH）2的激发功能不足，因此当务之急就是寻找高效激发剂，使粉煤灰玻璃体中的Si-O、Al-O键快速断裂，活性加大，以提高早期强度;其次，人们普遍认为粉煤灰砼的抗碳化性能差，但也有文章指出，由于粉煤灰砼微结构密实，水化产物几乎没有Ca（OH）2存在，碳化作用也就很少了，能保护钢筋不锈蚀，因此认为大掺量粉煤灰高性能砼的抗碳化性能及护筋性能差是没有根据的。关于这一点，尚待进一步研究;第三，粉煤灰砼的早期强度低，最适合用于对早期强度要求不高的工程，所以象普通砼一样以28d抗压强度作为质量评定指标显然不合适，应考虑采用龄期更长的强度指标作为粉煤灰砼的衡量标准;第四，现代砼正朝着复合化发展，其组分已经扩大到包括增强材料的范围。比如，对于钢纤维砼来说，粉煤灰有助于喷射性能的提高;对玻璃纤维和植物纤维来说，粉煤灰有利于降低碱度，缓和对纤维的侵蚀等等。然而目前，对于粉煤灰砼组分的效应配伍问题，在国内还处于科研探索的初级阶段，科研部门对有关的基本理论、应用技术及经济效益都需要加速研究步伐。最后，有待进一步探讨大掺量粉煤灰砼中粉煤灰、水泥以及外加剂等粉体间的交互作用及其机理、科学的配合比设计方法和制定相应的施工及验收规范。
