粉煤灰在高性能混凝土中的應(yīng)用

中國(guó)高新網(wǎng) · 2010-01-15 00:00 留言

  摘要:文章在深入分析粉煤灰基本性能的基礎(chǔ)上,研究了粉煤灰添加劑對(duì)混凝土性能的影響,并提出了確保粉煤灰高性能混凝土性能的具體措施。

  關(guān)鍵詞:粉煤灰;混凝土;工程應(yīng)用

  由于我國(guó)煤炭開采量大,矸石和煤泥等工業(yè)固體廢物的大量堆放形成無(wú)數(shù)座矸石山,不僅占用大量土地,而且還污染環(huán)境,給煤礦企業(yè)帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境負(fù)擔(dān)。為解決這一問題,我國(guó)已相繼建成煤矸石燒結(jié)磚廠以及多座以燃燒矸石、煤泥等劣質(zhì)燃料為主的小型坑口電廠,這些電廠在一定程度上解決了矸石和煤泥等工業(yè)固體廢棄物的占地問題,但所用燃料(矸石和煤泥)的灰分較高,達(dá)到40%~50%,粉煤灰的排放量相當(dāng)可觀。我國(guó)是粉煤灰排放大國(guó),每年超過1億噸,占地面積近2.6萬(wàn)公頃。不僅占用了大量的耕地,而且嚴(yán)重污染環(huán)境,嚴(yán)重阻礙國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展。近年來。粉煤灰及其他工業(yè)廢料的資源化已成為我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略決策的重要內(nèi)容。據(jù)統(tǒng)計(jì),“八五”期間,我國(guó)累計(jì)利用粉煤灰達(dá)1.7億噸,其中70%以上用在建材制品和建筑工程方面。本文主要闡述粉煤灰在高性能混凝土中的使用情況。

  一、粉煤灰的成分及主要性能

  粉煤灰是煤粉燃燒后,由煙氣帶出的粉狀殘留物,是具有潛在活性的火山灰質(zhì)粉末材料,其化學(xué)成分主要是sio2、alo3、和fe2o3,高鈣灰則含有較多的cao。從礦物組成看主要是硅、鋁氧化物的玻璃體和部分石英、莫來石、赤鐵礦等結(jié)晶礦物。它們具有高溫下的燒結(jié)性能,具有與cao等堿性礦物在高溫下反應(yīng)生成能水化硬化的礦物的性能,具有與cao等堿性物質(zhì)在水中生成膠凝物質(zhì)的性能,因此,它是用作建材的良好原料。煤渣(爐渣)及粉煤灰等工業(yè)廢料,由于其中si、al、ca的總含量一般與水泥相近,且具有較高的化學(xué)活性,其粒型、顆粒級(jí)配、堆積密度、筒壓強(qiáng)度及強(qiáng)度標(biāo)號(hào)、吸水率等性能符合gb146-90標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,即可用以取代部分水泥,或制成粉煤灰-生石灰或粉煤灰——石膏復(fù)合粉體取代部分水泥制備粉煤灰混凝土。粉煤灰通常分為低鈣灰(cao≤10%)和高鈣灰(cao>10%)兩類,高鈣灰的顆粒表面一般不規(guī)則,低鈣灰常為多孔顆?;驁A形表面光滑的球狀顆粒。但大量研究表明,粉煤灰的活性不僅低于成分相近的火山灰,而且更低于礦渣的水化活性,這主要由于粉煤灰中硅鋁玻璃相的化學(xué)活性低所致。粉煤灰的顆粒分布顯著影響煤灰水泥的強(qiáng)度。通過機(jī)械活化作用,可有效提高粉煤灰的水化能力,但是其早期強(qiáng)度不如后期強(qiáng)度提高的多。

  二、粉煤灰添加劑對(duì)混凝土性能的影響

  粉煤灰在混凝土中的利用,主要是利用它的三種效應(yīng):(1)火山灰活性效應(yīng),即水泥水化產(chǎn)生的ca(oh)2將激發(fā)粉煤灰的活性,使之反應(yīng)生成以c—s—h凝膠為主的膠凝物質(zhì);(2)形態(tài)效應(yīng),即由粉煤灰的形貌所決定的,當(dāng)其微珠含量較高時(shí)(﹥50%),可減少混凝土的用水量,改善混凝土的工作性質(zhì);(3)微集粒效應(yīng),即細(xì)顆粒(45 um )的粉煤灰可填充混凝土中的細(xì)小孔隙;與ca(oh)2反應(yīng)所生成的凝膠也可填充微小孔隙,均使混凝土更加致密。如果把這三種效應(yīng)都充分利用好,既可配制多種性能要求和高性能的混凝土。由于粉煤灰的化學(xué)組成及其高活性,決定了水呢料漿具有較高的反應(yīng)活性,從而進(jìn)一步提高了水泥混凝土的強(qiáng)度等機(jī)械、力學(xué)性能,而粉煤灰對(duì)水泥混凝土的滲透性、早期于縮性、泵送流動(dòng)性等性能也有很大時(shí)影響。研究表明,在礦渣或粉煤灰代替30%水泥中,水膠比在0.30、0.33及0.39的情況下,粉煤灰混凝土30d齡期時(shí)滲透率可降至50.7%,70d可降至22.3%。為獲得較低的滲透性,采用較低的水膠比時(shí),純水泥混凝土采用降低用水量的辦法有利,而粉煤灰混凝土利用提高總膠凝材料用量的辦法更加優(yōu)越,當(dāng)混凝土摻入細(xì)度大、需水量較小的粉煤灰,能夠減少粉煤灰的干縮變形??s短混凝士的干縮時(shí)間,改性粉煤混凝土還能改善其可泵送性、提高混凝土強(qiáng)度。此外,通過大量試驗(yàn)證明,粉煤灰可增強(qiáng)和提高混凝土各項(xiàng)耐久性能,只要技術(shù)路線得當(dāng),可以代替部分或大部分水泥來生產(chǎn)各種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土,可應(yīng)用于各種建筑領(lǐng)域。

  三、粉煤灰在高性能混凝土中的應(yīng)用

  粉煤灰中的sio2、al2o3含量較高,且具有較高的活性,可與水泥水化時(shí)放出的ca(oh)2作用,生成水化鋁酸鈣及水化硅酸鈣凝膠,從而促進(jìn)水泥進(jìn)一步硬化及強(qiáng)度進(jìn)一步提高。潘鋼華等采用超細(xì)粉煤灰改性制備高性能混凝土,并與摻硅灰外加劑的混凝土在工作性、強(qiáng)度、耐久性、水泥水化特征及孔結(jié)構(gòu)等方面作了比較,結(jié)果表明:采用超細(xì)粉煤灰改性制備的高性能混凝土在以上諸性能方面均優(yōu)于摻硅灰外加劑混凝土。高性能混凝土作為跨世紀(jì)的新材料。已得到廣泛研究和應(yīng)用。在高性能混凝土中要摻雜大量的超細(xì)礦粉,其中摻雜超細(xì)粉煤灰的高性能混凝土是重要的發(fā)展方向之一。為獲得超細(xì)粉煤灰,通常的辦法是機(jī)械磨細(xì)和風(fēng)選,若不經(jīng)后處理則很難達(dá)到高性能混凝土對(duì)粉煤灰細(xì)度的要求。高風(fēng)嶺采用風(fēng)選方法獲得了粒度小于45um的細(xì)灰,這種粉煤灰燒失量低,且以空心玻珠為主,強(qiáng)度和工作性試驗(yàn)證明,該細(xì)灰不僅可提高混凝土強(qiáng)度,而且可改善其工作性能。三峽工程二期混凝土用量約為1890萬(wàn)m3,均需采用優(yōu)質(zhì)分級(jí)灰,以確保大體積混凝土對(duì)耐久性和溫升的需要。

  粉煤灰的摻加對(duì)混凝土的界面結(jié)構(gòu)有改善作用,這是混凝土性能提高的主要原因,優(yōu)質(zhì)粉煤灰的摻雜對(duì)混凝土的施工性能和綜合性能的提高均有很大作用。對(duì)施工性能而言,摻雜優(yōu)制粉煤灰既可降低用水量和高效減水劑,又可達(dá)到滿意的坍落度,且后期強(qiáng)度持續(xù)提高。田倩等人研究了摻雜粉煤灰對(duì)混凝土抗凍性的影響,結(jié)果表明,用15%的超細(xì)粉煤灰取代水泥的混凝土經(jīng)抗凍性試驗(yàn)后,其動(dòng)態(tài)彈性模量和質(zhì)量損失速度與空白基準(zhǔn)混凝土相比,有較大的改善,說明采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰可提高混凝土的抗凍性。趙鐵軍用astmcl202方法對(duì)含粉煤灰和礦渣的混凝土進(jìn)行了滲透性實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,在相同的養(yǎng)護(hù)齡期下與空白混凝土相比,含粉煤灰混凝土的滲透性下降較大,并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,其下降幅度將更大,在70d齡期時(shí),可達(dá)到astm規(guī)定的“很低”標(biāo)準(zhǔn)。同濟(jì)大學(xué)吳學(xué)禮對(duì)粉煤灰在水泥中的摻量進(jìn)行了研究,他們采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效減水劑得到高流動(dòng)性與高強(qiáng)度粉煤灰混凝土,討論了粉煤灰對(duì)混凝士流動(dòng)性與強(qiáng)度的影響,并用等效水灰比的概念建立了添加粉煤灰高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度與用水量、水泥用量,粉煤灰用量三者的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:

  cp/c=32.75-37.78w/(c+f)+3.29f/c

  其中:c——水泥用量(kg);

  w——用水量(kg);

  cp——混凝土強(qiáng)度(kg);

  w/(c+f)——水膠重量比;

  f/(c+f)——粉煤灰摻量百分比。

  上式對(duì)粉煤灰混凝土各物料用量具有一定的指導(dǎo)意義。河北省第一建筑公司承建的北京海洋館在泵送混凝土中用15%的粉煤灰替代10%的水泥,粉煤灰混凝土的和易性、可泵送性、強(qiáng)度、抗?jié)B性均最顯著提高。上海建筑科學(xué)研究院谷章昭等通過對(duì)摻雜ⅲ級(jí)粉煤灰混凝士的力學(xué)性能和耐久性能的研究,進(jìn)而表征了該混凝土的水化產(chǎn)物及孔結(jié)構(gòu)特征,研究結(jié)果表明,其性能較摻雜ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土差,但某些性能卻優(yōu)于普遍混凝土,尤其適用于地面及水面以下施工的混凝土結(jié)構(gòu)。

  國(guó)內(nèi)外研究成果和施工經(jīng)驗(yàn)表明,為了確保粉煤灰混凝土質(zhì)量,必須在以下幾方面采取切實(shí)有效的措施:(1)需合理確定粉煤灰摻量。一方面應(yīng)根據(jù)粉煤灰的等級(jí),合理確定其應(yīng)用范圍;另一方面應(yīng)根據(jù)水泥品種、標(biāo)號(hào)與混凝土強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行合理確定;(2)優(yōu)化混凝土配合比。粉煤灰混凝土配合比設(shè)計(jì)必須符合同等級(jí)混凝土設(shè)計(jì)原則,即與基準(zhǔn)混凝土等稠度、等強(qiáng)度的原則,泵送粉煤灰混凝土必須按6組分進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。最后通過試配、調(diào)整、驗(yàn)證以優(yōu)化混凝土配合比;(3)嚴(yán)格管理。加強(qiáng)對(duì)進(jìn)場(chǎng)粉煤灰各項(xiàng)品質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn),專人負(fù)責(zé),切忌誤裝誤卸致使粉煤灰與水泥混淆發(fā)生質(zhì)量事故;(4)由于磨細(xì)粉煤灰摻量少,其比重小于水泥,故其攪拌時(shí)間需延長(zhǎng),以達(dá)到攪拌均勻。

  四、結(jié)論與展望

  粉煤灰作為具有潛在資源化能力的工業(yè)廢料,已經(jīng)受到越來越多的重視,隨著環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展觀念在世界各地日益深入人心,對(duì)于包括粉煤灰在內(nèi)的工業(yè)廢料的綜合利用與資源化已成為各國(guó)制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。粉煤灰經(jīng)過處理以后,只要粉煤灰摻量合理,同時(shí)合理優(yōu)化混凝土配合比,加上嚴(yán)格的施工管理,會(huì)大大提高混凝土的物理力學(xué)性能和施工特性。當(dāng)然,對(duì)于粉煤灰的綜合利用必須深入不懈地進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究,并且要在更高層次上研究有關(guān)粉煤灰的理論問題,發(fā)展高技術(shù)利用,真正變廢為寶,使粉煤灰成為現(xiàn)代化工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的有用資源。

  參考文獻(xiàn)

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