粉煤灰在混凝土中的效应及应用

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  摘要:粉煤灰是一种污染极大的工业废料。本文介绍了粉煤灰的成分、分类和性能以及粉煤灰混凝土中粉煤灰对混凝土的和易性、强度和收缩等的影响,同时介绍了粉煤灰在混凝土工程中的应用。
  关键词:粉煤灰;混凝土;和易性;强度;性能
  Abstract: Fly ash is a great deal of industrial waste pollution. This article describes the ash composition, classification and properties of fly ash and fly ash in concrete workability of concrete, such as strength and shrinkage effects, also introduced Fly Ash in Concrete Engineering Applications.
  Keywords: fly ash; concrete; workability; strength; performance
   中图分类号:TU528.2文献标识码:A
  前言
   粉煤灰是一种颗粒极细的能在空气中流动并能被特殊设备收集的粉状物质。它是燃烧煤粉的锅炉排放出的一种粘土类火山灰质材料,其主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3及CaO等,约占粉煤灰总量的85%左右,共同构成CaO-Al2O3-SiO2矿物体系。它一般呈玻璃珠状,粒径1-50μm,比表面积可达789m2/kg,为水泥的2-3倍,具有较大的吸附作用。粉煤灰的物理性质、化学性质取决于煤的品种、煤的细度、煤的燃烧方式以及收集及运输方式等。
  粉煤灰在早期一般作为电厂的废弃资源,其排放量巨大,污染性很大。但有实验表明粉煤灰作为混凝土的掺合料可以改善混凝土的一系列性能。粉煤灰的应用可以追溯到20世纪30年代,美国的一些学者进行了粉煤灰在混凝土中应用的研究。1948-1953年美国垦务局在建造蒙大拿州的峨马坝工程时,大量地应用了芝加哥的粉煤灰,取得了预期的改善性能和节约水泥的优良效果。此后许多国家在大坝工程中广泛地应用粉煤灰。我国从1950年的上海地下工程中采用粉煤灰混凝土,1959年的三门峡水利枢纽工程以及后来的长江三峡工程中都大量地使用粉煤灰。为了推动和促进粉煤灰的利用,国家和地方制定了一系列鼓励利用粉煤灰的政策。粉煤灰赋予了混凝土新的技术性能,按照材料学的观点,宏观性能取决于微观结构,而粉煤灰混凝土的微观结构取决于粉煤灰效应。
  一、粉煤灰在混凝土中的效应
  粉煤灰作为混凝土的矿物掺合料,在水泥基混凝土中主要有三个效应:形态效应、活性效应和微集料效应,控制好这三个效应向有利的方向发展,即可变废为宝,改善混凝土的性能。
  (一)形态效应
  粉煤灰的形态效应主要是指粉煤灰的颗粒形态、粗细及表面粗糙程度等特征在混凝土中的效应。粉煤灰颗粒绝大多数为玻璃微珠,是一种表面光滑,质地密实,粒度很细的球形颗粒。当混凝土中掺加粉煤灰时,球形颗粒可以起到滚珠的作用,在水泥浆中起到润滑和降低用水量的作用,可以降低内摩擦力而提高流动性。而且它们往往填充在水泥浆体的空隙中,使硬化后的混凝土密实性能得到很好的改善。通常,粉煤灰颗粒越细,球形颗粒含量越高,则需水量越少。所以,在相同的工作度条件下,可实现减水效能。经试验得知,用30%的粉煤灰代替20%的水泥,搅拌混凝土中用水量可减少7%左右。
  (二)活性效应
  粉煤灰的活性效应是指粉煤灰中的活性成分SiO2和Al2O3与水泥水化产物在有水的条件下发生的化学反应,生成具有水硬性特点的水化硅酸钙和水化铝酸钙等物质的能力。该反应产物填充在水泥水化物的空隙中,形成密实的混凝土结构。由于粉煤灰的水化反应比水泥的水化反应慢,被粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿,所以粉煤灰混凝土的早期强度较低,并且随粉煤灰的掺量的增加而降低。但随着时间的推移,粉煤灰中的活性成分与水泥水化产物发生反应生成具有凝胶性的水化产物,降低了混凝土中的液相碱度,进一步促进水泥的水化,因此混凝土的后期增长速度较快。
  (三)微集料效应
  粉煤灰中的微集料效应是指粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆中,填充空隙和毛细孔,改变混凝土孔结构和增大密实度的特性。混凝土是一种多孔的,各尺度上多相的非匀质复杂体系,混凝土微观结构具有毛细孔-空隙结构的特点,由水泥水化生成的C-S-H凝胶、晶体、未水化的粒子、集料及 空隙组成,其空隙占凝胶体的25%-30%,而粉煤灰具有极小的粒径(1-50μm),在水泥水化过程中,粉煤灰能填充到混凝土结构中毛细管及空隙中去,改善了孔的结构,提高了混凝土的密实度,改善混凝土的微观结构,起到了改善混凝土的宏观性能,提高抗渗性能。
  以上三个效应共存于一体且相互影响,不能只强调某一效应而忽视其他效应。对混凝土的某一性能,在某种条件下,可能某一效应起主导作用;在另外条件下,对混凝土的另外性能,则可能是另一效应起主导作用。
  二、粉煤灰混凝土的技术性能特点
  (一)混凝土拌合料的和易性得到改善
  用粉煤灰取代一定量的水泥,另外也取代了一部分细骨料,从而增大了浆-骨比,大量浆体填充在骨料之间,润滑了骨料颗粒。进而改善混凝土的粘聚性和可塑性,有效的提高了拌合料的和易性。利用此性质,在配制泵送混凝土时加入粉煤灰,可以提高混凝土的泵送性能。
  (二)混凝土温升降低,并限制温度裂缝效应
  由于粉煤灰放热量比水泥较少,故在用粉煤灰取代部分水泥后,水化放热减少,另一方面,按照水泥水化理论,水化温度的降低可以减缓水泥的水化反应速度,从而改变水泥的水化过程,减少了水化热的排出。由于水化热的降低,使混凝土内部的温升降低,从而减少温度裂缝的出现几率。在我公司承建的原子能院快堆和先进堆工程中,因需要大体积混凝土,为了降低温升避免裂缝,我们采取了多种方法,其中适量的掺加粉煤灰是一项重要的措施。
  (三)粉煤灰混凝土强度的变化
  由于粉煤灰水化速度小于水泥的水化速度,故掺粉煤灰的混凝土的早期强度比普通混凝土低,且粉煤灰的掺量越多,混凝土的早期强度越低。但是,经过较长龄期之后,粉煤灰颗粒发生水化反应后,以及在形态效应和微集料效应的影响下,粉煤灰混凝土的后期的强度增长较快,甚至超过普通混凝土。
  (四)混凝土的收缩性
  混凝土的收缩与混凝土的拌和用水量和浆体的体积有关,用水量越少,收缩越小。粉煤灰的微集料效应表现在粉煤灰微珠强度高,与水泥基体界面粘結好,对混凝土的收缩有一定的抑制作用,降低了混凝土的收缩。
  三、粉煤灰在我公司混凝土工程中的应用
  根据国家标准GBJ146-90《粉煤灰混凝土应用技术规范》,我公司在粉煤灰混凝土工程时,根据等级按规定进行应用:
  (一)Ⅰ级粉煤灰适用于钢筋混凝土和跨度小于6米构件的预应力钢筋混凝土,我公司承接的快堆工程,在进行预应力钢筋混凝土施工时,采用了内蒙古元宝山的Ⅰ级粉煤灰;Ⅱ级粉煤灰适用于钢筋混凝土和无筋混凝土、轻集料混凝土;Ⅱ级粉煤灰在我公司应用最为广泛,一般的混凝土工程中都掺加了Ⅱ级粉煤灰;Ⅲ级粉煤灰适用于无筋混凝土和砂浆,但设计强度大于C30无筋混凝土宜采用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰;
  (二)配制泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗混凝土、抗硫酸盐混凝土和蒸汽混凝土、地下工程混凝土等宜采用粉煤灰。我公司主要在快堆及先进堆的工程中,用到了大体积混凝土及泵送混凝土,其中掺加了粉煤灰来改变混凝土的性能,以使其满足工程需求。
  (三)粉煤灰混凝土在我公司应用的经济性表现
  在混凝土中掺加粉煤灰除了可以大大改善混凝土的性能外,还可以降低材料成本,带来巨大的经济效益。在混凝土中掺加粉煤灰可以减少水泥及细集料的用量。以下是我公司快堆及先进堆用过的两个粉煤灰混凝土的配合比:
  
  
  每立方混凝土可节约水泥用量约20kg,约6%;同时节省其它原材料用量,如节省砂用量9kg,约2%。
  根据粉煤灰混凝土配合比设计规程,快堆和先进堆的掺加粉煤灰的混凝土通过外掺法掺加20%左右的粉煤灰,可节省10%左右的水泥用量,同时也节省了砂石及外加剂的用量,而鼎新P.O42.5水泥采购价格约为Ⅱ级粉煤灰的3倍,其它原材料如外加剂的价格也高于Ⅱ级粉煤灰,所以掺加粉煤灰降低了材料成本,体现了粉煤灰的经济性特点。
  四、粉煤灰对混凝土的不利作用
  掺加适量的优质粉煤灰后,混凝土的许多重要性能得到明显的改善,但也有不利的作用或负面作用,特别是粉煤灰掺量过大或粉煤灰质量较差时,主要表现在以下两点:
  (一)强度发展较慢、早期强度较低
  由于粉煤灰的水化速度小于水泥熟料,故掺加粉煤灰后混凝土的早期强度低于普通混凝土,且粉煤灰掺量越高早期强度越低。但对于高强混凝土,掺加粉煤灰后混凝土的早期强度降低相对较小。
  (二)抗碳化性、抗冻性有所降低
  粉煤灰的二次水化使得混凝土中氢氧化钙的数量降低,因而不利于混凝土的抗碳化性和钢筋的防锈。而粉煤灰的二次水化使混凝土的结构更加致密,又有利于保护钢筋。因此,粉煤灰混凝土的钢筋锈蚀性能并没有比普通混凝土差很多。许多研究结果也不完全一致,有的认为钢筋锈蚀加剧,有的则认为钢筋锈蚀减缓。无论什么结果,掺加粉煤灰时,如果同时使用减水剂则可有效地减缓掺加粉煤灰所带来的抗碳化性减弱,从而提高对钢筋的保护能力。
  粉煤灰混凝土的抗冻性较普通混凝土有所降低,特别是采用劣质粉煤灰时。对有抗冻性要求的混凝土应采用优质粉煤灰,当抗冻性要求较高时应掺加引气使含气量达到要求的数值,即可保证混凝土达到优良的抗冻性
  另外,在重混凝土中由于要求混凝土密度较高,而粉煤灰的密度较低且要占一定的混凝土体积,所以一般不掺加粉煤灰。
  五、掺加粉煤灰时的注意事项
  (一)掺入粉煤灰的品质必须符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB1596-2005)的要求
  (二)粉煤灰的掺量:在一般情况下,Ⅰ级粉煤灰可达水泥用量的20%,Ⅱ级粉煤灰可达水泥用量的15%,在此限量内能发挥粉煤灰的有效作用;超过此限量时,随着掺量的增加,脆性系数减少,强度逐渐降低,易出现早期裂缝等负面影响,具体掺量必须经实验确定。
  (三)采用内掺法掺加粉煤灰时,配制出的混凝土的强度,7d,28d的强度均低于对比的纯水泥混凝土,在减少水用量的同时,为使粉煤灰混凝土与纯水泥混凝土具有相同的和易性和强度指标,粉煤灰置换混凝土中的水泥时,常采用超量置换,超量系数见下表。
  
  (四)粉煤灰用于下列混凝土时,应采取相应措施:
  1.粉煤灰用于高抗冻性混凝土时,必须掺人引气剂改善孔的结构,形成大量封闭细小的孔,提高抗冻性。
  2.在水工构筑物混凝土中掺用粉煤灰时,应加强振动,选用分散性好的减水剂,以消除吸附效应所形成的大气泡(孔径 r> 3 mm),减少气蚀、溶蚀、酸碱盐侵蚀。
  3.在低温条件下施工时,宜掺入对粉煤灰混凝土无害的早强剂或防冻剂,综合消除掺入粉煤灰对早期强度的影响,并采取适当的保温措施。
  4.在补偿收缩混凝土中使用粉煤灰必须注意粉煤灰对补偿收缩性能的抑制作用,要通过实验确定膨胀剂及粉煤灰的掺量,方能达到所需膨胀量。
  六、總结
  粉煤灰是一种有效的再生资源,粉煤灰的成分和表面特性赋予了其一定的活性。粉煤灰用于混凝土,可以大大改善混凝土的性能,提高混凝土的耐久性。而且其价格低廉,用优质的粉煤灰来作为混凝土的掺合料既可降低工程造价获得经济效益,又有很大的社会效益。所以其在混凝土中的应用对改善人类居住环境,提高人民生活质量有十分重要的作用,对国家提出的可持续发展的要求也有极其重要的意义。
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