粉煤灰高性能混凝土的应用研究

高性能混凝土是近年发展起来的一种新材料, 是混凝土技术进入高科技时代的产物。高性能混凝土具有高工作性、高强度和高耐久性, 通常需要使用矿物掺合料和化学外加剂。粉煤灰就是其中一种, 它是工业废料, 量大, 价廉, 不需( 或稍进行) 加工即可满足配制高性能混凝土的要求。

　　粉煤灰

　　电厂排放的粉煤灰是由大量的球状玻璃珠和少量的莫来石、石英等结晶物质组成, 分为高钙粉煤灰和低钙粉煤灰两大类。我国绝大多数电厂排放的粉煤灰都是低钙的, 故低钙粉煤灰又简称粉煤灰。粉煤灰的矿物组成主要是玻璃体、莫来石、石英和少量其他矿物。其化学成分是由原煤的成分和燃烧条件决定的。根据我国40 个大型电厂的资料, 粉煤灰化学成分的变动范围如下: SiO220%～62%, Al2O3 10%～40%, Fe2O33%～19%, CaO1%～45%, MgO0.2%～5%, SO30.02%～4%, 烧失量0.6%～51%。

　　粉煤灰对混凝土的改善作用

　　粉煤灰在结构混凝土中可置换水泥量多达60%, 且不管是对新拌混凝土还是硬化混凝土的性能都有良好的改善作用。

　　和易性。用高质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状颗粒的玻璃体组成, 表面光滑致密, 在混凝土拌合物中能起一定作用。

　　新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团, 粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒, 释放更多的浆体来润滑骨料。能减少用水量, 使混凝土的水灰比降到更低水平, 减少泌水和离析现象。具有良好的保水性, 有利于泵送施工。

　　强度。在物理作用方面, 粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒, 使水泥水化更充分, 提高了水泥浆的密实度, 降低混凝土的泌水, 有利于混凝土中骨料一水泥浆界面强度的提高;在化学火山灰作用方面, 粉煤灰颗粒与Ca(OH) 2 反应生成水化硅酸钙胶体, 有利于混凝土强度的提高。

　　水化热。用粉煤灰代替部分水泥能有效降低水化热, 降低混凝土的绝热升温。

　　耐久性。由于粉煤灰减少了混凝土的孔隙, 使混凝土的抗渗性明显提高, 改善了混凝土的抗化学腐蚀的能力, 还能有效地减小碱—骨料反应引起的混凝土膨胀, 极大地提高了混凝土的耐久性。

　　粉煤灰高性能混凝土的配制

　　高性能混凝土与普通混凝土相比, 其变化主要在原材料的选用和配合比的设计上, 对混凝土的配制要求也更严格。

　　原材料。水泥: 采用优质水泥, 标号不低于42.5Mpa 的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。砂子: 宜选用天然河砂, 细度模数2.6～3.0, 含泥量不大于2%。石子: 选用质地坚硬, 级配良好, 吸水率低的碎石, Dmax≤20mm, 针片状颗粒含量不超过3%～5%, 含泥量低于1%、压碎指标小于10%。粉煤灰: 配制高性能混凝土通常选用一级粉煤灰, 掺量一般为水泥量的15%～30%。减水剂: 一般选用减水率20%左右的高效减水剂, 掺量为胶结材总量的1.0～1.5%。选用减水剂时应

　　考虑减水剂与水泥、粉煤灰的适应性。

　　配合比设计。近几年来, 人们提出了多种高性能混凝土配合比设计方法, 美国学者P.K.MEHTA提出了一种半经验半实验性的方法, 其要点是: 设定胶结浆体与骨料的体积比为35: 65; 根据混凝土强度等级确定用水量; 水泥与粉煤灰的体积比为75: 25; 高效减水剂的掺量可取1%; 混凝土粗细骨料体积比对强度等级A可取3: 2, 并随强度等级提高而增加。这样选定初步试配的配合比, 再通过试验不断调整, 求得最终的配合比。

制备工艺

　　计量。原材料的计量精度不应超过如下规定: 水泥、粉煤灰±2%; 粗细骨料±3%; 水、外加剂±1%。

　　搅拌。粉煤灰高性能混凝土的组分多, 水胶比低, 粘度大, 应采用减水剂后掺法。

　　养护。高性能混凝土的用水量少, 水化反应迅速, 所以,粉煤灰高性能混凝土应在浇筑后8h 内覆盖并浇水养护, 养护时间不应少于14d。

　　粉煤灰高性能混凝土的性能

　　抗压强度。粉煤灰在混凝土中是“胶凝材料”, 而不是“填料”。其水化产物是强度的组成部分, 因粉煤灰的活性比水泥小, 反映出由于粉煤灰的掺入在28 天龄期内, 混凝土的强度往往降低。随着火山灰反应的不断进行, 强度不断增长。

　　劈裂抗拉强度与抗折强度。实验表明, 粉煤灰对混凝土抗拉强度和抗弯强度的贡献, 比抗压强度还要大, 这对混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的拉压比、折压比均高于基准混凝土的相应值。

　　与钢筋的握裹力。粉煤灰混凝土的28 天粘结强度基本上与等标事情的基准混凝土相同, 但因为粉煤灰混凝土的均匀性好, 粘结强度试验值的离散性比基准混凝土好。

　　抗渗性。粉煤灰的3 种效应均能提高混凝土的抗渗性:

　　形态效应。粉煤灰混凝土的铝硅酸盐玻璃微珠, 可填充水泥浆体, 提高混凝土抗渗性; 活性效应。粉煤灰中SiO2、Al2O3 与水泥的水化物反应, 生成水化硅酸钙和水化铝酸钙, 降低了混凝土的孔隙率, 提高了混凝土的抗渗性; 微集料反应。粉煤灰中微细颗粒分布于水泥颗粒之间, 有利于混和物的水化反应, 增加了混凝土的密实性, 提高混凝土的抗渗性。

　　抗冻性。混凝土的抗冻性能通常采用反复冻融的测试方法进行评定。混凝土的引气量和强度是影响混凝土抗冻性的主要因素,满足抗冻性要求的引气量取决于混凝土的强度等级, 混凝土强度越高, 满足抗冻性所需的引气量越低。对于引气量小于3.5%的粉煤灰混凝土, 其水灰比对抗冻性有显著的影响, 则其水灰比对混凝土的抗冻性影响不大。研究表明, 混凝土中以20%粉煤灰代替相应的水泥, 其抗冻性超过其基准混凝土。

　　但是掺量太高( 50%) 时, 经过150~200 次冻融后, 混凝土出现明显的破坏。混凝土中含气量相同, 抗压强度相同, 其中含与不含粉煤灰, 抗冻性无明显差别。

　　对钢筋锈蚀的影响。影响粉煤灰混凝土护筋性的主要因素为混凝土的碱度和孔结构。混凝土中的钢筋能够防锈是由于混凝土的碱性在金属表面形成一个细微的氧化膜。

　　最新研究表明, 掺入粉煤灰能降低混凝土的孔隙率, 并使混凝土孔结构得到细化, 加大了Cl-的扩散难度, 取得了良好的防腐效果。

　　碱—骨料反应。碱—骨料反应是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应, 生成吸水产物, 体积增大, 导致混凝土的膨胀和开裂。混凝土碱—骨料反应的发生条件除骨料具有碱活性外, 还需混凝土中具有高碱性, 还要有水。粉煤灰取代部分水泥, 不仅能降低混凝土的有效含碱量, 还能产生物理化学作用, 抑制碱—骨料反应。

　　粉煤灰作为燃煤电厂的副产品, 量大且来源稳定, 如果利用不好, 不仅占地、占水域, 而且污染环境。某些粉煤灰稍进行加工即可用于生产高性能混凝土, 且能明显改善混凝土的工作性、力学性能和耐久性, 具有显著的技术、经济和社会效益, 推广粉煤灰高性能混凝土符合可持续发展道路, 且适合我国国情, 前景广阔。