粉煤灰在混凝土路面工程中的應用

李月英

(邯鄲市青紅高速公路管理處)

燃煤發(fā)電是我主要的發(fā)電形式,每年數(shù)以百計的火電廠向外排放了大量的粉煤灰。目前,我國每年的粉煤灰排放量已經達到了 1.5億t,但粉煤灰的利用率一直較低,只占總量的 25%左右,留下的是堆積如山的粉煤灰,這在河北省各地乃至全國地區(qū)都是普遍的現(xiàn)象,怎樣把這些粉煤灰利用起來,是各級政府非常關心的問題,政府通過稅收優(yōu)惠政策鼓勵建材企業(yè)怎么科學研究、技術應用,促進新型建材的發(fā)展。

到 2010年底,河北省農村公路通車里程將達到13萬 km以上,路網內重要縣道貫通率大幅提高,農村公路修筑混凝土路面,如果粉煤灰替代一部分水泥摻入混凝土中,不僅可以大量消耗工業(yè)廢渣粉煤灰,提高粉煤灰的利用效率,而且還能夠節(jié)約大量水泥。

1 粉煤灰的礦物組成及品質

粉煤灰作為一種混凝土摻合料,其物理和化學性質都會對其使用性能產生重要影響。

1.1 粉煤灰的礦物組成

粉煤灰中有不少結晶的礦物,如石英、莫來石、赤鐵礦、磁鐵礦等和玻璃體,并含有其他少量礦物,然而大量的還是非晶態(tài)玻璃體。研究表明,這些結晶的礦物在正常溫度下往往是惰性的,而非晶態(tài)的玻璃體卻具有化學活性。粉煤灰中玻璃體結構非常復雜,有關玻璃體結構的研究結果以及玻璃體結構對粉煤灰活性影響的研究至今仍然較少。粉煤灰的礦物組成見表 1。

表1 粉煤灰礦物組成

1.2 粉煤灰品質參數(shù)

(1)細度

電廠吸塵和分選的工藝決定了粉煤灰的細度,同時粉煤灰對混凝土強度貢獻與細度有很好的相關性,有試驗已證明:在有水泥存在的條件下,粉煤灰越細,其顆粒的比表面積就越大,與水泥反應物接觸越充分,更有利于粉煤灰活性的激發(fā),這表現(xiàn)為粉煤灰火山灰活性隨著細度的提高而提高。即粉煤灰越細,其反應能力越強,混凝土后期強度就會越高。

(2)需水量

粉煤灰的需水量比摻30%粉煤灰的硅酸鹽水泥膠砂與不摻粉煤灰的硅酸鹽水泥膠砂在相同稠度下的需水量的比值。這個數(shù)值越小,說明粉煤灰的質量越好。建筑科研院曾進行過粉煤灰試樣研究以驗證需水量比與混凝土強度貢獻的關系,見表 2。

表2 粉煤灰需水量比與強度相關性

從表 2中可以看出,需水量比與混凝土強度貢獻具有良好的相關性。相關性為負,說明需水量比小的粉煤灰摻入混凝土中,可增加其流動度,改善和易性,提高混凝土強度。

(3)燒失量

燃煤在燃燒過程中通常不能完全燃燒,因此粉煤灰中含有殘留的未燃碳分,燒失量就是指粉煤灰在高溫煅燒下?lián)p失了的質量。損失部分主要為未燒盡的固態(tài)碳,碳成分的增加,意味著有效活性成分的減少,因此要加以控制。由于多方面因素的影響,不同粉煤灰中殘留碳分含量差異較大,我國粉煤灰的未燃碳分范圍在1.2%～23.6%之間。

(4)SO3的含量

SO3的含量過高,會導致混凝土后期生成鈣釩石,對混凝土產生不利影響。因此,應對粉煤灰中的 SO3含量進行嚴格控制。

2 粉煤灰對混凝土的改善作用

2.1 粉煤灰對混凝土工作性能的改善

由于粉煤灰顆粒大部分為光滑球狀,以粉煤灰置換一部分水泥后,若保持拌合物坍落度不變,混凝土的拌和用水量會明顯降低;若采用同樣的用水量,則拌合物的坍落度明顯提高。圖1是VonFay等采用粉煤灰等量取代水泥,同時保證混凝土坍落度基本相同的試驗結果。

圖1 混凝土需水量與粉煤灰摻量的關系

以上的試驗結果表明,無論粉煤灰的品質如何,在一定摻量范圍內,粉煤灰都有一定的減水作用,粉煤灰對混凝土的工作性都有一定程度的改善作用。

2.2 粉煤灰對混凝土力學性能的改善

粉煤灰對混凝土強度影響表現(xiàn)在三個方面:減少用水量、增大膠結材含量以及通過長時間的火山灰反應提高其強度。

粉煤灰的摻入可分散水泥顆粒,使水泥水化更充分,提高水泥漿的密實度,使混凝土中骨料與水泥漿的界面強度提高。粉煤灰對抗拉強度和抗彎強度的貢獻比抗壓強度還要大,這對混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的彈性模量與抗壓強度相類似,早期偏低,后期逐步提高,到 28d時可比基準混凝土提高 5%～10%。與鋼筋的握裹力,粉煤灰混凝土的 28d粘結強度基本與等標號的基準混凝土相同,但粉煤灰混凝土的均勻性好,粘結強度試驗值的離散性比基準混凝土好。

2.3 粉煤灰對混凝土耐久性能的改善

(1)抗凍性

粉煤灰混凝土的齡期在 28d以前時,混凝土的孔結構較純水泥混凝土的粗大,故粉煤灰混凝土的早期抗凍性較低。隨著粉煤灰摻量的增加,抗凍性下降的幅度也越大。但隨著齡期的增長,其抗凍性下降的幅度大大縮小。在等強度超量取代的條件下,則對抗凍性的影響不大。

(2)抗?jié)B性

粉煤灰中的微細顆粒均勻分布在水泥顆粒之中,發(fā)生火山灰反應生成二次C-S-H凝膠,可以填充其中的孔隙,改善混凝土中水泥石的孔結構,使總的孔隙率降低,大孔數(shù)量減少,小孔數(shù)量增多,孔結構進一步細化,分布更為合理,混凝土更加密實,抗?jié)B性能得以提高。同時,粉煤灰的火山灰反應是一個長期進行的過程,不斷進行的火山灰反應,使粉煤灰混凝土的孔結構進一步優(yōu)化,混凝土的抗?jié)B性也進一步改善。

(3)堿-集料反應

粉煤灰對有效抑制混凝土堿-集料反應的作用已被世界公認。一方面粉煤灰中的活性成分SiO2、Al2O3與水泥的水化產物Ca(OH)2反應,降低混凝土的堿度;另一方面粉煤灰較大的比表面可吸收K+、Na+、OH-,使之富集在粉煤灰微粒的表面,使骨料周圍的堿金屬離子及 OH-減少,降低混凝土孔隙中的堿濃度,從而削弱了混凝土的堿-集料反應。

2.4 粉煤灰對混凝土耐磨性能的改善

摻加粉煤灰可以提高混凝土的耐磨性能,一方面是水化程度的問題,水化充分,提高了水泥石自身結構的均勻密實度,強度提高,混凝土的耐磨性能增強;另一方面,為保證混凝土強度等效,水泥 -粉煤灰混凝土中水膠比比普通水泥混凝土中的水膠比小,粉煤灰的加入填充了部分空隙,使得混凝土中顆粒分布更均勻,彌補了混凝土部分缺陷,使得混凝土耐磨性得到改善。

3 小 結

本文主要論述了粉煤灰的組成和對混凝土的改善作用,針對粉煤灰及其對混凝土的作用和粉煤灰混凝土的性能進行了分析,討論了粉煤灰混凝土相比于普通水泥混凝土在力學性能和使用性能各方面改善作用。合理利用使用粉煤灰既能解決粉煤灰所帶來的環(huán)境問題,符合國家環(huán)境保護和經濟可持續(xù)發(fā)展的政策,又能夠將其作為一個新興的資源以發(fā)展多種實用性產品。因此在水泥混凝土中合理摻入粉煤灰,既有利于公路工程的建設,又節(jié)約工程造價,是值得推廣的節(jié)能環(huán)保措施。

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