粉煤灰在高性能混凝土中的應用

　　摘要：文章在深入分析粉煤灰基本性能的基礎上，研究了粉煤灰添加劑對混凝土性能的影響，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；工程應用

　　由于我國煤炭開采量大，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)濟和環(huán)境負擔。為解決這一問題，我國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，達到40%～50%，粉煤灰的排放量相當可觀。我國是粉煤灰排放大國，每年超過1億噸，占地面積近2.6萬公頃。不僅占用了大量的耕地，而且嚴重污染環(huán)境，嚴重阻礙國民經(jīng)濟健康持續(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可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略決策的重要內(nèi)容。據(jù)統(tǒng)計，“八五”期間，我國累計利用粉煤灰達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，且具有較高的化學活性，其粒型、顆粒級配、堆積密度、筒壓強度及強度標號、吸水率等性能符合gb146-90標準規(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，低鈣灰常為多孔顆粒或圓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活性低所致。粉煤灰的顆粒分布顯著影響煤灰水泥的強度。通過機械活化作用，可有效提高粉煤灰的水化能力，但是其早期強度不如后期強度提高的多。

　　二、粉煤灰添加劑對混凝土性能的影響

　　粉煤灰在混凝土中的利用，主要是利用它的三種效應：（1）火山灰活性效應，即水泥水化產(chǎn)生的ca（oh）2將激發(fā)粉煤灰的活性，使之反應生成以c—s—h凝膠為主的膠凝物質(zhì)；（2）形態(tài)效應，即由粉煤灰的形貌所決定的，當其微珠含量較高時（﹥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，即細顆粒（45 um ）的粉煤灰可填充混凝土中的細小孔隙；與ca（oh）2反應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。由于粉煤灰的化學組成及其高活性，決定了水呢料漿具有較高的反應活性，從而進一步提高了水泥混凝土的強度等機械、力學性能，而粉煤灰對水泥混凝土的滲透性、早期于縮性、泵送流動性等性能也有很大時影響。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，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，當混凝土摻入細度大、需水量較小的粉煤灰，能夠減少粉煤灰的干縮變形?？s短混凝士的干縮時間，改性粉煤混凝土還能改善其可泵送性、提高混凝土強度。此外，通過大量試驗證明，粉煤灰可增強和提高混凝土各項耐久性能，只要技術(shù)路線得當，可以代替部分或大部分水泥來生產(chǎn)各種強度等級的混凝土，可應用于各種建筑領域。

　　三、粉煤灰在高性能混凝土中的應用

　　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，從而促進水泥進一步硬化及強度進一步提高。潘鋼華等采用超細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的新材料。已得到廣泛研究和應用。在高性能混凝土中要摻雜大量的超細礦粉，其中摻雜超細粉煤灰的高性能混凝土是重要的發(fā)展方向之一。為獲得超細粉煤灰，通常的辦法是機械磨細和風選，若不經(jīng)后處理則很難達到高性能混凝土對粉煤灰細度的要求。高風嶺采用風選方法獲得了粒度小于45um的細灰，這種粉煤灰燒失量低，且以空心玻珠為主，強度和工作性試驗證明，該細灰不僅可提高混凝土強度，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m3，均需采用優(yōu)質(zhì)分級灰，以確保大體積混凝土對耐久性和溫升的需要。

　　粉煤灰的摻加對混凝土的界面結(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)粉煤灰的摻雜對混凝土的施工性能和綜合性能的提高均有很大作用。對施工性能而言，摻雜優(yōu)制粉煤灰既可降低用水量和高效減水劑，又可達到滿意的坍落度，且后期強度持續(xù)提高。田倩等人研究了摻雜粉煤灰對混凝土抗凍性的影響，結(jié)果表明，用15%的超細粉煤灰取代水泥的混凝土經(jīng)抗凍性試驗后，其動態(tài)彈性模量和質(zhì)量損失速度與空白基準混凝土相比，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方法對含粉煤灰和礦渣的混凝土進行了滲透性實驗研究，結(jié)果表明，在相同的養(yǎng)護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)護齡期的增加，其下降幅度將更大，在70d齡期時，可達到astm規(guī)定的“很低”標準。同濟大學吳學禮對粉煤灰在水泥中的摻量進行了研究，他們采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效減水劑得到高流動性與高強度粉煤灰混凝土，討論了粉煤灰對混凝士流動性與強度的影響，并用等效水灰比的概念建立了添加粉煤灰高強混凝土的強度與用水量、水泥用量，粉煤灰用量三者的經(jīng)驗關(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——混凝土強度（kg）；

　　w/（c+f）——水膠重量比；

　　f/（c+f）——粉煤灰摻量百分比。

　　上式對粉煤灰混凝土各物料用量具有一定的指導意義。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、強度、抗?jié)B性均最顯著提高。上海建筑科學研究院谷章昭等通過對摻雜ⅲ級粉煤灰混凝士的力學性能和耐久性能的研究，進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)。

　　國內(nèi)外研究成果和施工經(jīng)驗表明，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有效的措施：（1）需合理確定粉煤灰摻量。一方面應根據(jù)粉煤灰的等級，合理確定其應用范圍；另一方面應根據(jù)水泥品種、標號與混凝土強度等級進行合理確定；（2）優(yōu)化混凝土配合比。粉煤灰混凝土配合比設計必須符合同等級混凝土設計原則，即與基準混凝土等稠度、等強度的原則，泵送粉煤灰混凝土必須按6組分進行配合比設計。最后通過試配、調(diào)整、驗證以優(yōu)化混凝土配合比；（3）嚴格管理。加強對進場粉煤灰各項品質(zhì)進行檢驗，專人負責，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）由于磨細粉煤灰摻量少，其比重小于水泥，故其攪拌時間需延長，以達到攪拌均勻。

　　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)境保護與可持續(xù)發(fā)展觀念在世界各地日益深入人心，對于包括粉煤灰在內(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，同時合理優(yōu)化混凝土配合比，加上嚴格的施工管理，會大大提高混凝土的物理力學性能和施工特性。當然，對于粉煤灰的綜合利用必須深入不懈地進行基礎理論研究，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)和國民經(jīng)濟的有用資源。

　　參考文獻

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