淺談粉煤灰在高性能混凝土中的應(yīng)用

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

中圖分類號(hào)：U443文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）07-0182-02

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(jì)和環(huán)境負(fù)擔(dān)。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(dá)到40%～50%，粉煤灰的排放量相當(dāng)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(yán)重污染環(huán)境，嚴(yán)重阻礙國民經(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(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，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)和國民經(jīng)濟(jì)的有用資源。

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