C类粉煤灰中CaO含量对全级配混凝土变形性能的影响

把电厂废料变成更坚固的大坝

现代大坝及其他大体量混凝土结构消耗大量材料。同时，燃煤电厂产生大量粉煤灰——一种通常被视为废弃物的细灰色粉末。本研究探讨了一种富含钙的粉煤灰是否可以在大坝混凝土中安全替代部分水泥，从而降低成本、减少环境影响，同时在数十年的服役期内仍保持结构抗裂性。

为何这种粉灰对大体量混凝土很重要

粉煤灰是在燃烧煤时矿物颗粒熔融成微小玻璃球形成的。工程中已有一种常见类型（称为F类粉煤灰）被用于改善混凝土并减少水泥用量。然而在中国的部分地区如新疆，可得的粉煤灰大多富含钙。这种C类粉煤灰行为不同：其额外的钙能增强与水泥的反应性，但也可能隐藏不稳定的生灰（游离氧化钙）形态，随着时间导致混凝土膨胀或开裂。要在大型大坝工程中合理利用这种本地资源，就必须详细了解其对混凝土伸长、收缩和稳定性的影响。

研究团队如何检验混凝土

研究者收集了来自数座电厂的粉煤灰，其氧化钙（CaO）含量从很低到约16.5%不等，并记录了其中以较活泼“游离”形式存在的钙含量。他们将这些粉灰掺入两种大坝混凝土：一种为四级配石料，另一种为三级配石料。这些全级配配合旨在紧密填充骨料颗粒，从而减少内部空隙和裂缝。随后团队进行了系列实验室测试，以跟踪体积稳定性（安定性）、混凝土破裂前的最大抗拉应变（极限拉伸应变）、刚度（弹性模量）、在无干燥条件下的自然体积变化（自生变形）以及混凝土干燥时的体积变化（干燥收缩）。

他们在稳定性与开裂方面的发现

一个关键关切是更高的钙含量是否会导致不稳定的膨胀。研究发现，当C类粉煤灰的CaO含量在约5.1%到16.5%之间，且即便在取代高达70%水泥的情况下，混凝土仍符合安定性的标准限值。在力学测试中，掺入较高CaO的粉煤灰的混凝土表现出略高的抗拉应变能力和较高的弹性模量，意味着其在抗裂方面有所改善但也稍微更脆硬。同时，随着CaO增加，水泥与粉灰内部反应引起的自生体积变化趋向更明显的收缩，尤其是在四级配混凝土中。尽管存在这些趋势，CaO水平对变形行为的总体影响仍然是有限的。

为什么骨料级配会带来差异

四级配与三级配混凝土的对比显示，骨料的颗粒尺寸与配比与粉灰成分一样重要。四级配混合料由于粒级分布更广，能承受更高的抗拉应变而不开裂，并表现出略小的干燥收缩。它们的刚度随时间变化更平稳，表明内部结构更稳定。然而在自生体积变化方面，四级配混凝土的收缩比三级配稍大，特别是在粉煤灰CaO含量较高时。显微图像证实，高钙粉灰可生成更致密的反应产物，但当钙含量过高时，也可能在未反应颗粒周围形成微小缺陷。

这对未来大坝的意义

对非专业读者而言，主要结论是令人放心的：在明确定义的钙含量范围内，本研究中的本地C类粉煤灰可以在大坝混凝土中安全替代大量水泥，而不会导致危险性膨胀或过度开裂。将适当的CaO水平与合理设计的骨料级配相结合，可使工程师在更好地利用工业副产品并降低对新水泥需求的同时，建造大体量且稳定的结构。该研究也强调了在更接近现场的温度、湿度和荷载条件下进行进一步试验的必要性，但这项工作指向了一个前景：曾经的燃煤废料能够成为耐久水工基础设施的可靠成分。

引用: Qin, L., Gong, M., Zhang, H. et al. Effect of CaO content in Class C fly ash on the deformation properties of fully-graded concrete. Sci Rep 16, 8122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38630-4

关键词: 粉煤灰混凝土, 大坝施工, 收缩与裂缝, 水泥替代, 富钙工业废料