3-1飛灰在混凝土中的反應機理

第三章 飛灰混凝土
3-1飛灰在混凝土中的反應機理

    飛灰係卜作嵐材料（Pozzolanic Materials）之一種，其品質因粉煤品質及鍋爐運轉狀況而變化；一般顆粒細，含碳量低，球形顆粒多，玻璃質含量多，即為優良品質之飛灰。
卜作嵐材料
依ASTM C595 的定義是「矽質或含矽鋁質材料，其本身稍或不具膠結能力，經研磨成細粒狀及含有水分下，受溫度效應會與氫氧化鈣產生化學反應而形成含有膠結性質之水化物」。混凝土內添加飛灰時，其反應過程先由水泥的主要化學成分進行水化反應，其次由水化反應所產生的氫氧化鈣再與飛灰進行卜作嵐反應。卜作嵐反應之反應式，可簡略表示如式(2.1)：
  (2.1)
混凝土強度的形成，主要乃由於水化作用之產生，逐漸形成矽酸鈣水化物（C-S-H）膠體來達到強度，如式(2.2)所示：
  (2.2)
    水化作用之生成物C-S-H膠體在水泥漿體中約佔有50～70％左右的體積，是混凝土強度的主要來源，此外水化產物還包括氫氧化鈣與硫鋁酸鈣水化物，此等水化產物僅填充孔隙，對強度貢獻很小。而氫氧化蓋(CH)則大多為結晶狀，外觀為六角形片狀晶體，在水泥將體體積內佔20~25%，CH能填塞孔隙使強度提高，但對於長期效應有一定限制，且CH易溶解而析出水泥將體表面形成白華，並產生孔洞，導致耐久性降低。
含卜作嵐材料之混凝土，其卜作嵐反應如式(2.3)：
     (2.3)
比較式(2.2)及(2.3)可看出，卜作嵐反應會隨著時間的增加緩慢進行，藉著不斷消耗CH生成穩定的C-S-H膠體，填充混凝土之孔隙，促使其微結構和骨材介面達到緻密化，增加耐久性，此即卜作嵐材料可增加長期強度的主要原因。
    飛灰中若含大量石灰時(如C級飛灰)，將會因飛灰本身的CaO導入水化作用，很快就產生更多量水化物CH及放出更多熱，進而加速水泥水化作用及卜作嵐反應，提高早期強度之成長。F級飛灰因CaO含量較低，導致緩慢的卜作嵐反應，故強度約在28天後才會發展出來，致早期強度較低。
1. 飛灰的顆粒結構
水在混凝土中的功能是提供水泥水化作用和使混凝土有足夠之潤滑作用而增進工作性。混凝土硬固的行為係由於水泥顆粒在水之作用下進行分散、溶解與水化作用，由於飛灰的顆粒呈現玻璃質光滑圓球形及細小粒徑，較水泥由研磨熟料(Clinker)而呈顆粒角狀物更具潤滑力，光滑的表面及細小的圓形粒徑在混凝土內有如軸承，可均勻分散水泥顆粒，使得拌合的效果較一般的混凝土佳[8]。
2. 飛灰與水泥的細度
飛灰的細度越大在進行卜作嵐反應時，由於表面積將增加，且其活性的矽鋁玻璃質等物質相對增加，不利反應的未燃碳數量相對地減少，在拌合水量足夠潤滑飛灰表面的前提下，飛灰的圓形顆粒有助於拌合水均勻的流動，且有利於促進水泥的水化作用及飛灰的卜作嵐反應。但須注意的是，若飛灰細度過細，則可能因飛灰顆粒表面的潤滑度不夠，而導致混凝土的工作性變差，拌合時需增加其拌合水量[9]。
當飛灰細度不大時，則須注意是否燃燒不完全之碳粉過多，這些碳粉保有原本的多孔纖維狀，具類似活性碳的效用，會吸附拌合用水及添加之化學摻劑，除使卜作嵐反應活性降低，亦不利於日後混凝土強度的發展。
3. 水化過程中水化熱之發展
飛灰混凝土中以飛灰取代部分水泥時，一方面因水泥用量相對減少，再者由於飛灰玻璃質的惰性，卜作嵐反應進行相對緩慢，進而產生較少的水化熱，因而在材料的水化過程中，水化熱將降低。