粉煤灰高性能混凝土的應(yīng)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(shù)進(jìn)入高科技時代的產(chǎn)物。高性能混凝土具有高工作性、高強(qiáng)度和高耐久性, 通常需要使用礦物摻合料和化學(xué)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(jìn)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(jié)晶物質(zhì)組成, 分為高鈣粉煤灰和低鈣粉煤灰兩大類。我國絕大多數(shù)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(xué)成分是由原煤的成分和燃燒條件決定的。根據(jù)我國40 個大型電廠的資料, 粉煤灰化學(xué)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(jié)構(gòu)混凝土中可置換水泥量多達(dá)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(zhì)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(tuán), 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(xiàn)象。具有良好的保水性, 有利于泵送施工。

　　強(qiáng)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(qiáng)度的提高;在化學(xué)火山灰作用方面, 粉煤灰顆粒與Ca(OH) 2 反應(yīng)生成水化硅酸鈣膠體, 有利于混凝土強(qiáng)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(xué)腐蝕的能力, 還能有效地減小堿―骨料反應(yīng)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(shè)計上, 對混凝土的配制要求也更嚴(yán)格。

　　原材料。水泥: 采用優(yōu)質(zhì)水泥, 標(biāo)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(xì)度模數(shù)2.6～3.0, 含泥量不大于2%。石子: 選用質(zhì)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(biāo)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(jié)材總量的1.0～1.5%。選用減水劑時應(yīng)

　　考慮減水劑與水泥、粉煤灰的適應(yīng)性。

　　配合比設(shè)計。近幾年來, 人們提出了多種高性能混凝土配合比設(shè)計方法, 美國學(xué)者P.K.MEHTA提出了一種半經(jīng)驗半實驗性的方法, 其要點是: 設(shè)定膠結(jié)漿體與骨料的體積比為35: 65; 根據(jù)混凝土強(qiáng)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(xì)骨料體積比對強(qiáng)度等級A可取3: 2, 并隨強(qiáng)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(diào)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(yīng)超過如下規(guī)定: 水泥、粉煤灰±2%; 粗細(xì)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(yīng)采用減水劑后摻法。

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

　　粉煤灰高性能混凝土的性能

　　抗壓強(qiáng)度。粉煤灰在混凝土中是“膠凝材料”, 而不是“填料”。其水化產(chǎn)物是強(qiáng)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(nèi), 混凝土的強(qiáng)度往往降低。隨著火山灰反應(yīng)的不斷進(jìn)行, 強(qiáng)度不斷增長。

　　劈裂抗拉強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度。實驗表明, 粉煤灰對混凝土抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的貢獻(xiàn), 比抗壓強(qiáng)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(zhǔn)混凝土的相應(yīng)值。

　　與鋼筋的握裹力。粉煤灰混凝土的28 天粘結(jié)強(qiáng)度基本上與等標(biāo)事情的基準(zhǔn)混凝土相同, 但因為粉煤灰混凝土的均勻性好, 粘結(jié)強(qiáng)度試驗值的離散性比基準(zhǔn)混凝土好。

　　抗?jié)B性。粉煤灰的3 種效應(yīng)均能提高混凝土的抗?jié)B性:

　　形態(tài)效應(yīng)。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(yīng)。粉煤灰中SiO2、Al2O3 與水泥的水化物反應(yīng), 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(yīng)。粉煤灰中微細(xì)顆粒分布于水泥顆粒之間, 有利于混和物的水化反應(yīng), 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?fù)凍融的測試方法進(jìn)行評定?；炷恋囊龤饬亢蛷?qiáng)度是影響混凝土抗凍性的主要因素,滿足抗凍性要求的引氣量取決于混凝土的強(qiáng)度等級, 混凝土強(qiáng)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(yīng)的水泥, 其抗凍性超過其基準(zhǔn)混凝土。

　　但是摻量太高( 50%) 時, 經(jīng)過150~200 次凍融后, 混凝土出現(xiàn)明顯的破壞。混凝土中含氣量相同, 抗壓強(qiáng)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(hù)筋性的主要因素為混凝土的堿度和孔結(jié)構(gòu)?；炷林械匿摻钅軌蚍冷P是由于混凝土的堿性在金屬表面形成一個細(xì)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(jié)構(gòu)得到細(xì)化, 加大了Cl-的擴(kuò)散難度, 取得了良好的防腐效果。

　　堿―骨料反應(yīng)。堿―骨料反應(yīng)是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的堿發(fā)生反應(yīng), 生成吸水產(chǎn)物, 體積增大, 導(dǎo)致混凝土的膨脹和開裂?；炷翂A―骨料反應(yīng)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(chǎn)生物理化學(xué)作用, 抑制堿―骨料反應(yīng)。

　　粉煤灰作為燃煤電廠的副產(chǎn)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(jìn)行加工即可用于生產(chǎn)高性能混凝土, 且能明顯改善混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性, 具有顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)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。