关于粉煤灰对混凝土性能影响及应用的研究
(2010-01-07 00:24:53)
摘要 本文主要阐述粉煤灰本身的特性及其对混凝土施工性能的改善，同时，进一步说明粉煤灰提高混凝土耐久性所起作用作用和粉煤灰混凝土在工程上的应用。
关键词 粉煤灰 施工性能 耐久性 应用
1、引言
粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出、被收尘器收集的物质。粉煤灰混凝土是指掺加粉煤灰的混凝土,包括用水泥厂生产中掺粉煤灰的硅酸盐水泥制备的混凝土。通常所讲的粉煤灰混凝土是指配制混凝土混合料时将粉煤灰作为一种组分加入搅拌机配制而成的混凝土。
粉煤灰作为一种重要而已被普遍利用的混凝土辅料,一般具备改变基准混凝土的新拌、硬化和使用诸性能的能力。随着对粉煤灰认识的逐渐深入,人们充分认识到利用粉煤灰已不仅仅是取代水泥、节约能源以及减少环境污染的问题,粉煤灰已经成为对混凝土改性的一种重要组分。
2、粉煤灰的特性
2.1粉煤灰的物理性质
粉煤灰的比重在1.95～2.36之间，松干密度在450 kg/m3～700kg/m3范围内，比表面积在220 kg/m3～588 kg/m3之间。由于粉煤灰的多孔结构、球形粒径的特性，在松散状态下具有良好的渗透性，其渗透系数比粘性土的渗透系数大数百倍。粉煤灰在外荷载作用下具有一定的压缩性，同比粘性土其压缩变形要小的多。粉煤灰的毛细现象十分强烈，其毛细水的上升高度与压实度有着密切关系。
粉煤灰是一种高度分散的微细颗粒集合体，主要由氧化硅玻璃球组成，根据颗粒形状可分为球形颗粒与不规则颗粒。球形颗粒又可分为低铁质玻璃微珠与高铁质玻璃微珠，若据其在水中沉降性能的差异，则可分出飘珠、轻珠和沉珠；不规则颗粒包括多孔状玻璃体、多孔碳粒以及其他碎屑和复合颗粒。
2.2粉煤灰的化学成分
粉煤灰是一种火山灰质材料，来源于煤中无机组分，而煤中无机组分以粘土矿物为主，另外有少量黄铁矿、方解石、石英等矿物。因此粉煤灰化学成分以氧化硅和氧化铝为主（含量约氧化硅48％，氧化铝含量约27％），其他成分氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠、三氧化硫及未燃尽有机质（烧失量）。不同来源的煤和不同燃烧条件下产生的粉煤灰，其化学成分差别很大。
3、粉煤灰对混凝土施工性能的影响
掺加粉煤灰可以改变混凝土和易性，增加混凝土粘性，减少离析与泌水，降低由于水化热带来的混凝土温度升高，减少或消除混凝土中碱基料反应，同时，也可以节省水泥的用量。
3.1 和易性
粉煤粉混凝土中胶凝物质——水泥和粉煤灰数量要比水泥混凝土多。粉煤灰比重较轻，同样重量粉煤灰的体积大于水泥的体积，胶凝材料的浆体体积增加将使混凝土有较好的塑性和较好的粘性，粉煤灰的球形颗粒将有利于混凝土的流动性能，这些有助于改善混凝土的和易性。
3.2 泌水
掺和粉煤灰会减少混凝土的泌水，粉煤灰含有较多的微细颗粒，有助于截断混凝土内泌水通道。
3.3 改善泵送性能
粉煤灰与水泥细度相近或比水泥还细，粘聚性强，提高了抗离析能力，提高了混凝土的稳定性，保持混凝土可泵性和匀质性。掺和粉煤灰的混凝土坍落度损失小，凝结时间延长，从而延长了允许的运送时间和运送距离，扩大了泵送混凝土应用范围，不仅改变混凝土的泵送性能，而且还可以延长泵送机械使用寿命。
3.4 减少碱—骨料反应
碱— 基料反应机理是水泥中间（Na2O和K2O）的氢氧化物与某些集料中含有的无定形硅反应生成碱硅酸盐凝胶，反应中吸水产生体积膨胀导致混凝土破坏。掺加粉煤灰可以直接稀释混凝土中的水溶性碱的浓度，粉煤灰与水泥水化释放出来的氢氧化钙，有效地降低孔隙溶液中的PH值，因而降低集料中硅与碱的反应活性，粉煤灰中高度反应的无定形硅迅速消耗水泥中的碱，生成非膨胀的钙碱硅胶；粉煤灰有助于降低混凝土的透水性，降低水分向混凝土的渗透，而没有水分就不能充分进行碱—基料反应。
4、粉煤灰混凝土的耐久性
材料的耐久性是指材料在长期使用过程中, 抵抗其自身及环境因素长期破坏作用, 保持其原有性能而不变质、不破坏的能力。引起耐久性下降的因素复杂多变, 因此评价材料的耐久性往往是采用综合评价指标。对于混凝土类材料, 根据其所用环境, 一般情况包括:抗渗性、抗冻性、抗碳化及碱骨料反应等,同时长期强度也与耐久性紧密相关。
4.1粉煤灰混凝土的渗透性
混凝土的渗透性是一个综合指标，包括透水性、透气性和透离子性等性能，其中混凝土抵抗氯离子渗透的能力与混凝土配合比、原材料、施工质量密切相关，能够比较全面反应混凝土的抗渗透性。衡量混凝土抗氯离子渗透性能的指标是是氯离子扩散系数Deff [3]。有研究表明[4]，W/C=0.30 和0.35 的硅酸盐水泥浆，
在38℃时氯离子扩散系数为15.6×10-12m2/s 和8.7×10-12m2/s；而以粉煤灰代替30%的水泥后，扩散系数为1.35×10-12m2/s 和1.34×10-12m2/s，氯离子扩散系数的大小与孔的尺寸分布是不十分一致的；虽然一般来说，低的孔隙相应氯离子扩散系数低。作者认为粉煤灰水泥浆的氯离子渗透系数比纯水泥浆低，其主要原因是：
C—S—H 凝胶的体积增大，堵塞了扩散通道；
总离子浓度Ca2+、Al3+或AlOH2+及Si4+是基准水泥浆的2 倍（离子具有低的扩散率，共同的氯离子移动。粉煤灰中的铁相也有助于降低氯离子扩散速度）；
含粉煤灰的水泥浆中的通道比基准水泥浆的弯曲。
实际上，粉煤灰对水泥浆的氯离子渗透性的效应与其对混凝土渗透的作用相似。混凝土防扩散和抗渗透的关键是封闭贯穿的毛细孔通道，粉煤灰对于封闭混凝土毛细孔通道的作用主要是通过以下三种效应来实现：
（1）煤粉灰的形态效应可以减少新拌混凝土的用水量并能降低初始水灰比；（2）粉煤灰的活性效应所形成的凝胶对因取代水泥而减少的凝胶在数量上起到补充作用，这将使得粉煤灰混凝土不仅强度得以提高，且耐久性也大为改善；（3）粉煤灰活性微集料效应的加强，对水泥浆体孔隙起到填充与密实作用，直接“细化”孔隙并填塞细孔的通道，水泥石的孔结构发生变化，因而抗渗性明显提高。
养护龄期对粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透扩散能力有较大影响。粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透扩散能力随龄期增加而提高。这是因为，随着龄期的增长，粉煤灰的火山灰反应的进行，粉煤灰活性效应所形成的凝胶填充了混凝土中一部分空隙，同时将不稳定的氢氧化钙转为结构上致密，性能上稳定的胶凝物质，使混凝土渗透性降低。
4.2 粉煤灰混凝土的抗冻性
在负温条件下, 混凝土中内部孔隙和毛细孔道中的水结冰产生体积膨胀, 当这种膨胀力超过混凝土的抗拉强度时, 则使混凝土产生微细裂缝, 在反复冻融作用下, 混凝土内部的微细裂缝逐渐增多和扩大, 混凝土的强度逐渐降低, 混凝土表面产生酥松剥落, 直至完全破坏。混凝土的强度和引气量是影响普通混凝土和粉煤灰混凝土抗冻性的决定性因素。混凝土中用粉煤灰并等量取代水泥后, 在早、中期水化产物减少, 毛细孔增多, 强度偏低。以粉煤灰混凝土28 d 强度测定, 即混凝土受冻前龄期较短时, 混凝土易冻坏, 这在粉煤灰品质较差, 混凝土需水量相应增加的情况下尤为突出。随着粉煤灰的活性物质发生二次水化反应, 使粉煤灰具有一定胶凝性, 填充了水泥水化后微小孔隙, 使混凝土密实度得以提高。随着混凝土强度的提高, 后期粉煤灰混凝土的抗冻性不低于基准混凝土。掺加适量的引气剂可减少甚至完全消除由于掺加粉煤灰取代部分水泥所带来得不利影响, 因为引气剂可使混凝土内形成一定数量的孔径为几Lm 至几十Lm 的封闭气泡, 从而大大改善抗冻性。有关水工混凝土的试验表明, 在不掺引气剂时, 水灰比为0. 45的普通水泥混凝土只能经受50 次冻融循环, 而掺加引气剂的粉煤灰混凝土, 即使掺量达30% , 也可经受300 次冻融循环。
4.3粉煤灰混凝土的抗碳化性能
关于抗压强度与炭化速率关系的研究结果表明, 无论在早龄期或成长龄期, 掺粉煤灰混凝土的碳化速率均不同程度的高于同强度的基准混凝土。
只有当前者的强度超过后者一定幅度时, 两者才可能有相同的抗碳化能力。
混凝土的碱度与渗透性是影响其碳化速率的两个本质因素。火山灰反应虽然消耗了混凝土中熟料水化所产生的氢氧化钙, 但同时又生成水化硅酸钙,水化铝酸钙等反应产物, 它们同样具有吸收二氧化碳的作用。因此, 火山灰反应对混凝土的碱度并无影响, 而火山灰反应却使混凝土的空隙率降低, 孔径细化, 曲折度增加, 从而显著提高强度与抗渗性。
超量取代28 d 等强度的粉煤灰混凝土碳化速率高于基准混凝土的重要原因之一, 是由于取代水泥后熟料数量减少, 碱度降低。随着龄期延长, 火山灰反应不断增强, 达到一定龄期时, 抗渗性的提高弥补了碱
度低的不足, 掺粉煤灰混凝土的碳化速率就可能与同龄期的基准混凝土相同, 甚至比后者更小。这一龄期的长短则取决于水泥品种和被取代量, 粉煤灰品质与掺量以及环境温度, 湿度等多种因素。
在实际工程中, 由于大气中二氧化碳浓度极低,碳化进程十分缓慢, 掺粉煤灰混凝土的抗碳化能力有可能随着火山灰反应程度的不断提高, 而得到较好的改善。
4.4粉煤灰混凝土的抑制碱-骨料反应性能
碱-骨料反应是指混凝土原材料(包括水泥、掺和料、外加剂和水等) 中的可溶性碱(N a2O 和K2O )溶于混凝土空隙中, 与骨料中的活性成分在混凝土硬化后逐渐发生的一种化学反应。反应生成物吸水膨胀, 使混凝土产生内部应力, 膨胀开裂, 导致混凝土工程失去设计性能。这个问题已引起人们高度重视, 并进行了大量的相关研究。粉煤灰可以减少混凝土中的碱-骨料反应。首先, 掺入粉煤灰后, 粉煤灰消耗了可溶性碱。其次, 粉煤灰与水泥水化释放出来的Ca (OH ) 2 反应, 有效地降低孔隙溶液中的pH 值, 因而降低骨料中硅与碱的反应活性。第三, 粉煤灰中高度反应的无定形相(玻璃体) 迅速消耗水泥中的碱, 生成非膨胀的钙-碱-硅胶。第四, 由于粉煤灰均匀分散于混凝土中, 产生的膨胀在宏观上是整体上的, 不会产生基准混凝土的局部开裂的碱-骨料反应。最后, 粉煤灰有助于降低混凝土的透水性, 降低水分向混凝土中的渗透, 而有水分才能充分进行碱-骨料反应。
英国建筑研究院的系统试验结果认为: 任何波特兰水泥中掺加不少于30% 的粉煤灰, 都足以减少碱-骨料反应的危险性。但美国学者研究都认为, 一些高钙粉煤灰中含有大量的硫酸盐碱类, 掺用这类粉煤灰就象使用高碱波特兰水泥一样, 反而会促进碱2骨料反应。在我国有关研究表明, 掺入一定量活性掺合料如磨细矿渣、粉煤灰、硅灰可以较好地抑制碱2硅酸盐反应, 对碱-碳酸盐反应也具有一定的抑制作用。掺40% 以上的磨细矿渣、30% 以上的粉煤灰就能有效地抑制碱2硅酸反应, 而抑制碱-碳酸盐反应的最低掺量, 磨细矿渣为50% 以上, 粉煤灰为40% 以上。需要注意的是, 要改善对碱-骨料反应的影响,至少要掺加25% 的粉煤灰, 根据水泥含碱量与骨料的类型或许要掺加50% 的粉煤灰, 此时混凝土早期强度很低, 在设计配合比时应给予考虑。
5、粉煤灰混凝土的应用
粉煤灰混凝土适用于一般工业于民用建筑结构，尤其适用于泵送混凝土、商品混凝土、大体积混凝土、地下及水工混凝土、道路混凝土及碾压混凝土等。在现代工程中都使用了掺和粉煤灰的混凝土，并取得了很多满意的结果。如：
80 年代初,美国佛罗里达州建了一座跨海大桥,在混凝土里掺用了大量粉煤灰,工程质量有很大改善,因而在1983 年修订规范时,对原来随意使用粉煤灰的规定进行了修订。规定: 在中度以上侵蚀环境中的桥梁上部结构,包括预应力构件的混凝土中,必须掺用粉煤灰;其中大体积混凝土中粉煤灰的掺量为18 %～50 %
1982 年英国某机场的停机坪扩建工程,在两条相邻的道面上进行了对比:一条为纯硅酸盐水泥混凝土路,另一条是在混凝土中掺灰46 %。运行4 年显示,前者已受到一定程度破坏,而掺灰混凝土道面的表面层抗滑构造仍基本完好。这说明在低水胶比条件下,掺大量粉煤灰混凝土的强度和耐久性都十分优异。
1994 年以来,我国在广东深2汕等四条近10km 高速公路路面混凝土中掺用粉煤灰20 %～40 % ,取得明显提高滑模摊铺机摊铺路面板的质量(提高路面宏观平整度、明显减少开裂) 、减小进口设备损耗并降低水泥用量等技术与经济综合效益。
6、结语：
粉煤灰原来作为发电厂的工业废料，对环境造成比较大的影响。但是随着科技的发展，人们在粉煤灰中发现了其特性，并将其掺和到混凝土中，这使得混凝土不但在施工过程中得到了令人满意的效果，同时扩大混凝土的使用领域。另外，粉煤灰对于提高混凝土的耐久性，包括抗渗性、抗冻性、抗碳化、抑制碱—骨料反应等等，都产生了很大的作用。由于粉煤灰混凝土的性能较好，因而也被用在各种大大小小的工程中，其使用变得日益广泛。我相信以后很多工程也将离不开粉煤灰。也因为粉煤灰在混凝土上的应用，这对于解决煤发电厂的工业废料问题提供了途径，同时它对于环境的可持续发展起到一定的促进作用。
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