粉煤灰的潛力：展望光明的未來

　　當(dāng)前，可持續(xù)發(fā)展的議程，已使混凝土施工行業(yè)接受把粉煤灰當(dāng)作一種有價值的資源。粉煤灰不僅能改善混凝土的性能，使其更具競爭優(yōu)勢，成為全球第一的建筑材料，而且，還使其成為更具生態(tài)友好型的材料。這正是英國混凝土研究中心自1977年來從事粉煤灰研究的核心所在。目前，對混凝土研究的挑戰(zhàn)在于：如何使粉煤灰的應(yīng)用在全球得到謹(jǐn)慎和安全的推廣。 
                                                                        
　　粉煤灰（FA）是一種燒煤發(fā)電的副產(chǎn)品。當(dāng)前，其全球的產(chǎn)量約6.5億噸，其中超過50%未被利用，不是被長期堆積，就是被處理掉。只有很小比例的粉煤灰被當(dāng)作一種高價值的資源材料，用作混凝土中的水泥組分材料。雖然，統(tǒng)計資料顯示，粉煤灰的使用比例日益增長，但情況不容樂觀，全球?qū)⑵溲诼竦目倗嵨粩?shù)，也不斷增長，特別在發(fā)展中國家。這是一種非可持續(xù)性的做法。
水泥的定義

　　當(dāng)所有其他膠凝材料已普遍系指輔助性膠凝材料或系指水泥的各種替代材料時，“水泥”這個詞匯，已不僅僅局限于過去習(xí)以為常的波特蘭水泥了。這無疑大大推動在混凝土中，把粉煤灰和其他火山灰材料當(dāng)作水泥或水泥的混合料進(jìn)行廣泛應(yīng)用。的確，情況已大為改觀，目前大多數(shù)國家的標(biāo)準(zhǔn)中所廣泛采用的“水泥” 這個詞匯，系指所有膠凝材料（波特蘭水泥熟料，潛在的水硬性和火山灰材料）。這不僅能鼓勵把粉煤灰用作水泥的一種組分材料，而且還能促進(jìn)混凝土規(guī)范向以性能為依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)。

　　混凝土：水泥凈漿的作用

　　在實(shí)際應(yīng)用中，可把混凝土視為一種具有兩種狀態(tài)組成的材料，即水泥凈漿和集料。這兩種狀態(tài)組成的材料中，水泥凈漿呈活性，硬化狀態(tài)時，呈孔狀結(jié)構(gòu)。這就使其易于產(chǎn)生體積變化和裂縫，因此，會影響混凝土的性能。在一定的條件下，其影響程度取決于水泥凈漿的質(zhì)量。

　　粉煤灰呈球狀、玻璃體和顆粒狀特征，因此，摻加粉煤灰的水泥凈漿的許多性能，諸如：需水性、顆粒堆積、水化產(chǎn)物以及在孔隙溶解化學(xué)，無論在其新拌狀態(tài)，還是在其硬化狀態(tài)，都會得到改善，獲得相同的效果。
性能的含義

　　粉煤灰對混凝土性能的影響取決于其質(zhì)量，主要是其細(xì)度和燒失量，對此，已進(jìn)行了大量的研究。本文選用的實(shí)例旨在證明粉煤灰改善混凝土性能的潛力。
稠度

　　眾所周知，使用粉煤灰，由于其顆粒堆積和球狀顆粒特征，可改善混凝土稠度。使用低含碳量的超細(xì)粉煤灰，可大幅提高混凝土稠度。
強(qiáng)度發(fā)展

　　根據(jù)所獲得的混凝土強(qiáng)度顯示，摻加超細(xì)粉煤灰，具有提高混凝土強(qiáng)度發(fā)展的潛力。這種超強(qiáng)的強(qiáng)度發(fā)展功能，是由于摻加符合BS EN450規(guī)范或 BS3892 第一部分規(guī)范的要求，而摻加普通粉煤灰是沒有這種超增強(qiáng)功能的。

　　這些增強(qiáng)功能需重點(diǎn)關(guān)注的是：應(yīng)對粉煤灰的加工工藝進(jìn)行精心的評估，以便開拓新的市場領(lǐng)域。

　　抗硫酸鹽性能

　　符合BS EN450規(guī)范要求的摻加粉煤灰的灌漿料，其中：波特蘭水泥熟料與粉煤灰混合水泥之比分別為：1：0（G0），1：1（G1），1：2 （G2），1：3 （G3），1：5 （G5） 1：10（G10），然后與抗抗硫酸鹽水泥混合，并暴露在英國建筑研究院文摘定義的5級條件下，其性能測試結(jié)果，參見圖5所繪制的曲線圖。圖中清楚顯示，用G10混合比例水泥配制的的灌漿料性能最佳，即膨脹最小，但是，其28天立方體強(qiáng)度與G0的相比，要低得多。

　　這些摻加比例的測試結(jié)果，對混凝土向全面過度到以性能為依據(jù)的規(guī)范提供了一個明白的信息，即28天強(qiáng)度作為規(guī)定混凝土耐久性的重要參數(shù)，向我們提出了其適用性問題。當(dāng)然，使用如此高摻量的粉煤灰，顯然可獲得經(jīng)濟(jì)效益。
抗氯化物性能

　　提供了符合BS8500規(guī)范，氯化物暴露等級為XS3和符合 BS EN450規(guī)范，水泥中摻粉煤灰，摻量從0%-50%的混凝土拌合物的詳細(xì)配合比設(shè)計數(shù)據(jù)。所有拌合物都符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定要求，配合比設(shè)計工程師可任選四種配合比中的一種。但是，摻加50%波特蘭水泥熟料和50%粉煤灰的混合水泥配制的混凝土拌合物的氯化物擴(kuò)散系數(shù)（D）為1.5cm2/s x 10-9，而用100%波特蘭水配制的混凝土拌合物的氯化物擴(kuò)散系數(shù)（D）為15cm2/s x 10-9。其結(jié)果顯示，使用粉煤灰是有益處的。其原因是，高Al2O3含量和高抗?jié)B透性能。這些益處不僅提高了耐久性，而且還由于節(jié)省波特蘭水泥，降低了材料成本。
環(huán)境的含義

　　生產(chǎn)波特蘭水泥，會釋放大量CO2，即每生產(chǎn)1噸水泥，將釋放1.25噸CO2。當(dāng)前全球的波特蘭水泥產(chǎn)量約為20億噸，將產(chǎn)生25億噸CO2。值得指出的是，到2030年，估計全球的水泥產(chǎn)量將達(dá)到100億噸。

　　假如混凝土拌合物的設(shè)計能充分考慮到所有組分材料的特性，水泥就能成功地?fù)郊?0%粉煤灰，這就意味著具有消耗掉所有全球所生產(chǎn)的粉煤灰的潛力，從而每年可降低：

　　8億噸CO2的釋放

　　10億噸用于生產(chǎn)波特蘭水泥的原材料

　　除此之外，使用粉煤灰還可提高混凝土拌合物的性能。

　　經(jīng)濟(jì)效益

　　為了進(jìn)一步加強(qiáng)混凝土作為全球首位建筑材料的地位，混凝土必須在成本和性能上有競爭性。由于施工業(yè)向全生命周期核算制度的進(jìn)展頗為緩慢，因此，計算施工成本并非易事。但是，僅僅以膠凝材料的成本為考量依據(jù)，使用粉煤灰就會增加混凝土的競爭力。的確，以性能要求來規(guī)定混凝土?xí)r，粉煤灰的價格與波特蘭水泥相比，無疑會大大增加對使用粉煤灰的期待，因此使用粉煤灰會成為潛在的投資目標(biāo)，這也會成為一個必然的趨勢。
粉煤灰的充分應(yīng)用

　　使用粉煤灰最困難之處是，細(xì)度和燒失量（碳含量）的范圍很大，而且這些參數(shù)是可變的。眾所周知，這兩個參數(shù)都會影響需水量，水化速度以及水泥凈漿結(jié)構(gòu)的堆積密度。由英國頓迪大學(xué)研究人員從1977年開始的，代表了長達(dá)110年的大量研究，其目的就是要徹底弄清標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的材料的局限性，從而擴(kuò)大粉煤灰的應(yīng)用范圍。粉煤灰對新拌、水化和硬化狀態(tài)下混凝土性能的影響程度，包括對混凝土流變性能、強(qiáng)度發(fā)展、工程和耐久性的影響研究，已進(jìn)行得相當(dāng)深入，它們是：

　　超細(xì)粉煤灰

　　BS 3821 第一部分 

　　大摻量粉煤灰

　　BS EN 450 粉煤灰

　　粉煤灰站的經(jīng)營管理

　　改性粉煤灰

　　粉煤灰的活性

　　粉煤灰的互燃性

　　填土粉煤灰的回收利用及其經(jīng)濟(jì)效益

　　現(xiàn)已進(jìn)行的大量產(chǎn)品開發(fā)示范項(xiàng)目，進(jìn)一步證明，大多數(shù)粉煤灰能用作水泥的組分材料，有效應(yīng)用于混凝土中，并通過如下措施，使其增值：

　　深加工： 通過定制顆粒大小和/或降低未燃燒碳含量，合理使用經(jīng)深加工的粉煤灰

　　控制技術(shù)：通過調(diào)整配合比設(shè)計和/或使用其他摻合料/外加劑來控制粉煤灰的特性效應(yīng)

　　配合比設(shè)計：使粉煤灰的特性效應(yīng)，適應(yīng)混凝土目標(biāo)強(qiáng)度發(fā)展的要求?，F(xiàn)已證明，摻加粉煤灰混凝土的工程性能和耐久性，與那些采用較高質(zhì)量材料配制的混凝土性能基本相似。

　　推動粉煤灰作為一種有價值的資源性材料在混凝土中的全面應(yīng)用，還需進(jìn)行以下的工作：

　　擴(kuò)大粉煤灰現(xiàn)有市場

　　開拓粉煤灰新的市場

　　實(shí)現(xiàn)更大的材料價值

　　開創(chuàng)粉煤灰的需求性

　　全球性首創(chuàng)精神

　　粉煤灰是混凝土中的一種有價值的資源材料和有效的組分材料。的確，粉煤灰不但能提供高性能水泥，而且還能擴(kuò)大混凝土在開發(fā)星球基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用。當(dāng)環(huán)境影響和可持續(xù)發(fā)展問題（CO2釋放、能耗和主要資源的需求）成功推動了粉煤灰的應(yīng)用，那么，弄請和探索粉煤灰在科學(xué)和技術(shù)上的優(yōu)越性，克服其局限性，就必然成為一項(xiàng)明智的開發(fā)研究工作。對粉煤灰的開發(fā)研究需要有遠(yuǎn)見卓識和切實(shí)可行的全球性首創(chuàng)精神，當(dāng)前，這一時機(jī)已成熟。

　　結(jié)語

　　技術(shù)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的考量依據(jù)都顯示，應(yīng)最大限度地在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用粉煤灰。雖然，這個過程早已起步，但是，還需加倍努力，既謹(jǐn)慎又安全地達(dá)到全面應(yīng)用之目標(biāo)。