粉煤灰高性能混凝土的應用研究

　　高性能混凝土是近年發(fā)展起來的一種新材料, 是混凝土技術進入高科技時代的產物。高性能混凝土具有高工作性、高強度和高耐久性, 通常需要使用礦物摻合料和化學外加劑。粉煤灰就是其中一種, 它是工業(yè)廢料, 量大, 價廉, 不需( 或稍進行) 加工即可滿足配制高性能混凝土的要求。

　　粉煤灰

　　電廠排放的粉煤灰是由大量的球狀玻璃珠和少量的莫來石、石英等結晶物質組成, 分為高鈣粉煤灰和低鈣粉煤灰兩大類。我國絕大多數電廠排放的粉煤灰都是低鈣的, 故低鈣粉煤灰又簡稱粉煤灰。粉煤灰的礦物組成主要是玻璃體、莫來石、石英和少量其他礦物。其化學成分是由原煤的成分和燃燒條件決定的。根據我國40 個大型電廠的資料, 粉煤灰化學成分的變動范圍如下: SiO220%～62%, Al2O3 10%～40%, Fe2O33%～19%, CaO1%～45%, MgO0.2%～5%, SO30.02%～4%, 燒失量0.6%～51%。

　　粉煤灰對混凝土的改善作用

　　粉煤灰在結構混凝土中可置換水泥量多達60%, 且不管是對新拌混凝土還是硬化混凝土的性能都有良好的改善作用。

　　和易性。用高質量的粉煤灰取代部分水泥可改善新拌混凝土的和易性。粉煤灰是由大小不等的球狀顆粒的玻璃體組成, 表面光滑致密, 在混凝土拌合物中能起一定作用。

　　新拌混凝土中水泥顆粒易聚集成團, 粉煤灰的摻入可有效分散水泥顆粒, 釋放更多的漿體來潤滑骨料。能減少用水量, 使混凝土的水灰比降到更低水平, 減少泌水和離析現象。具有良好的保水性, 有利于泵送施工。

　　強度。在物理作用方面, 粉煤灰的摻入可分散水泥顆粒, 使水泥水化更充分, 提高了水泥漿的密實度, 降低混凝土的泌水, 有利于混凝土中骨料一水泥漿界面強度的提高;在化學火山灰作用方面, 粉煤灰顆粒與Ca(OH) 2 反應生成水化硅酸鈣膠體, 有利于混凝土強度的提高。

　　水化熱。用粉煤灰代替部分水泥能有效降低水化熱, 降低混凝土的絕熱升溫。

　　耐久性。由于粉煤灰減少了混凝土的孔隙, 使混凝土的抗?jié)B性明顯提高, 改善了混凝土的抗化學腐蝕的能力, 還能有效地減小堿―骨料反應引起的混凝土膨脹, 極大地提高了混凝土的耐久性。

　　粉煤灰高性能混凝土的配制

　　高性能混凝土與普通混凝土相比, 其變化主要在原材料的選用和配合比的設計上, 對混凝土的配制要求也更嚴格。

　　原材料。水泥: 采用優(yōu)質水泥, 標號不低于42.5Mpa 的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。砂子: 宜選用天然河砂, 細度模數2.6～3.0, 含泥量不大于2%。石子: 選用質地堅硬, 級配良好, 吸水率低的碎石, Dmax≤20mm, 針片狀顆粒含量不超過3%～5%, 含泥量低于1%、壓碎指標小于10%。粉煤灰: 配制高性能混凝土通常選用一級粉煤灰, 摻量一般為水泥量的15%～30%。減水劑: 一般選用減水率20%左右的高效減水劑, 摻量為膠結材總量的1.0～1.5%。選用減水劑時應

　　考慮減水劑與水泥、粉煤灰的適應性。

　　配合比設計。近幾年來, 人們提出了多種高性能混凝土配合比設計方法, 美國學者P.K.MEHTA提出了一種半經驗半實驗性的方法, 其要點是: 設定膠結漿體與骨料的體積比為35: 65; 根據混凝土強度等級確定用水量; 水泥與粉煤灰的體積比為75: 25; 高效減水劑的摻量可取1%; 混凝土粗細骨料體積比對強度等級A可取3: 2, 并隨強度等級提高而增加。這樣選定初步試配的配合比, 再通過試驗不斷調整, 求得最終的配合比。 

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　　制備工藝

　　計量。原材料的計量精度不應超過如下規(guī)定: 水泥、粉煤灰±2%; 粗細骨料±3%; 水、外加劑±1%。

　　攪拌。粉煤灰高性能混凝土的組分多, 水膠比低, 粘度大, 應采用減水劑后摻法。

　　養(yǎng)護。高性能混凝土的用水量少, 水化反應迅速, 所以,粉煤灰高性能混凝土應在澆筑后8h 內覆蓋并澆水養(yǎng)護, 養(yǎng)護時間不應少于14d。

　　粉煤灰高性能混凝土的性能

　　抗壓強度。粉煤灰在混凝土中是“膠凝材料”, 而不是“填料”。其水化產物是強度的組成部分, 因粉煤灰的活性比水泥小, 反映出由于粉煤灰的摻入在28 天齡期內, 混凝土的強度往往降低。隨著火山灰反應的不斷進行, 強度不斷增長。

　　劈裂抗拉強度與抗折強度。實驗表明, 粉煤灰對混凝土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。粉煤灰混凝土的拉壓比、折壓比均高于基準混凝土的相應值。

　　與鋼筋的握裹力。粉煤灰混凝土的28 天粘結強度基本上與等標事情的基準混凝土相同, 但因為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。

　　抗?jié)B性。粉煤灰的3 種效應均能提高混凝土的抗?jié)B性:

　　形態(tài)效應。粉煤灰混凝土的鋁硅酸鹽玻璃微珠, 可填充水泥漿體, 提高混凝土抗?jié)B性; 活性效應。粉煤灰中SiO2、Al2O3 與水泥的水化物反應, 生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣, 降低了混凝土的孔隙率, 提高了混凝土的抗?jié)B性; 微集料反應。粉煤灰中微細顆粒分布于水泥顆粒之間, 有利于混和物的水化反應, 增加了混凝土的密實性, 提高混凝土的抗?jié)B性。

　　抗凍性?；炷恋目箖鲂阅芡ǔ２捎梅磸蛢鋈诘臏y試方法進行評定?；炷恋囊龤饬亢蛷姸仁怯绊懟炷量箖鲂缘闹饕蛩?滿足抗凍性要求的引氣量取決于混凝土的強度等級, 混凝土強度越高, 滿足抗凍性所需的引氣量越低。對于引氣量小于3.5%的粉煤灰混凝土, 其水灰比對抗凍性有顯著的影響, 則其水灰比對混凝土的抗凍性影響不大。研究表明, 混凝土中以20%粉煤灰代替相應的水泥, 其抗凍性超過其基準混凝土。

　　但是摻量太高( 50%) 時, 經過150~200 次凍融后, 混凝土出現明顯的破壞?；炷林泻瑲饬肯嗤? 抗壓強度相同, 其中含與不含粉煤灰, 抗凍性無明顯差別。

　　對鋼筋銹蝕的影響。影響粉煤灰混凝土護筋性的主要因素為混凝土的堿度和孔結構。混凝土中的鋼筋能夠防銹是由于混凝土的堿性在金屬表面形成一個細微的氧化膜。

　　最新研究表明, 摻入粉煤灰能降低混凝土的孔隙率, 并使混凝土孔結構得到細化, 加大了Cl-的擴散難度, 取得了良好的防腐效果。

　　堿―骨料反應。堿―骨料反應是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的堿發(fā)生反應, 生成吸水產物, 體積增大, 導致混凝土的膨脹和開裂?；炷翂A―骨料反應的發(fā)生條件除骨料具有堿活性外, 還需混凝土中具有高堿性, 還要有水。粉煤灰取代部分水泥, 不僅能降低混凝土的有效含堿量, 還能產生物理化學作用, 抑制堿―骨料反應。

　　粉煤灰作為燃煤電廠的副產品, 量大且來源穩(wěn)定, 如果利用不好, 不僅占地、占水域, 而且污染環(huán)境。某些粉煤灰稍進行加工即可用于生產高性能混凝土, 且能明顯改善混凝土的工作性、力學性能和耐久性, 具有顯著的技術、經濟和社會效益, 推廣粉煤灰高性能混凝土符合可持續(xù)發(fā)展道路, 且適合我國國情, 前景廣闊。