粉煤灰在高性能混凝土中的应用

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摘要：文章在深入分析粉煤灰基本性能的基础上，研究了粉煤灰添加剂对混凝土性能的影响，并提出了确保粉煤灰高性能混凝土性能的具体措施。

关键词：粉煤灰；混凝土；工程应用

由于我国煤炭开采量大，矸石和煤泥等工业固体废物的大量堆放形成无数座矸石山，不仅占用大量土地，而且还污染环境，给煤矿企业带来了沉重的经济和环境负担。为解决这一问题，我国已相继建成煤矸石烧结砖厂以及多座以燃烧矸石、煤泥等劣质燃料为主的小型坑口电厂，这些电厂在一定程度上解决了矸石和煤泥等工业固体废弃物的占地问题，但所用燃料的灰分较高，达到40%～50%，粉煤灰的排放量相当可观。我国是粉煤灰排放大国，每年超过1亿吨，占地面积近2.6万公顷。不仅占用了大量的耕地，而且严重污染环境，严重阻碍国民经济健康持续发展。近年来。粉煤灰及其他工业废料的资源化已成为我国可持续发展战略决策的重要内容。据统计，“八五”期间，我国累计利用粉煤灰达1.7亿吨，其中70%以上用在建材制品和建筑工程方面。本文主要阐述粉煤灰在高性能混凝土中的使用情况。

一、粉煤灰的成分及主要性能

粉煤灰是煤粉燃烧后，由烟气带出的粉状残留物，是具有潜在活性的火山灰质粉末材料，其化学成分主要是sio2、alo3、和fe2o3，高钙灰则含有较多的cao。从矿物组成看主要是硅、铝氧化物的玻璃体和部分石英、莫来石、赤铁矿等结晶矿物。它们具有高温下的烧结性能，具有与cao等碱性矿物在高温下反应生成能水化硬化的矿物的性能，具有与cao等碱性物质在水中生成胶凝物质的性能，因此，它是用作建材的良好原料。煤渣及粉煤灰等工业废料，由于其中si、al、ca的总含量一般与水泥相近，且具有较高的化学活性，其粒型、颗粒级配、堆积密度、筒压强度及强度标号、吸水率等性能符合gb146-90标准规定，即可用以取代部分水泥，或制成粉煤灰-生石灰或粉煤灰——石膏复合粉体取代部分水泥制备粉煤灰混凝土。粉煤灰通常分为低钙灰和高钙灰两类，高钙灰的颗粒表面一般不规则，低钙灰常为多孔颗粒或圆形表面光滑的球状颗粒。但大量研究表明，粉煤灰的活性不仅低于成分相近的火山灰，而且更低于矿渣的水化活性，这主要由于粉煤灰中硅铝玻璃相的化学活性低所致。粉煤灰的颗粒分布显著影响煤灰水泥的强度。通过机械活化作用，可有效提高粉煤灰的水化能力，但是其早期强度不如后期强度提高的多。

二、粉煤灰添加剂对混凝土性能的影响

粉煤灰在混凝土中的利用，主要是利用它的三种效应：火山灰活性效应，即水泥水化产生的ca2将激发粉煤灰的活性，使之反应生成以c—s—h凝胶为主的胶凝物质；形态效应，即由粉煤灰的形貌所决定的，当其微珠含量较高时，可减少混凝土的用水量，改善混凝土的工作性质；微集粒效应，即细颗粒的粉煤灰可填充混凝土中的细小孔隙；与ca2反应所生成的凝胶也可填充微小孔隙，均使混凝土更加致密。如果把这三种效应都充分利用好，既可配制多种性能要求和高性能的混凝土。由于粉煤灰的化学组成及其高活性，决定了水呢料浆具有较高的反应活性，从而进一步提高了水泥混凝土的强度等机械、力学性能，而粉煤灰对水泥混凝土的渗透性、早期于缩性、泵送流动性等性能也有很大时影响。研究表明，在矿渣或粉煤灰代替30%水泥中，水胶比在0.30、0.33及0.39的情况下，粉煤灰混凝土30d龄期时渗透率可降至50.7%，70d可降至22.3%。为获得较低的渗透性，采用较低的水胶比时，纯水泥混凝土采用降低用水量的办法有利，而粉煤灰混凝土利用提高总胶凝材料用量的办法更加优越，当混凝土掺入细度大、需水量较小的粉煤灰，能够减少粉煤灰的干缩变形。缩短混凝士的干缩时间，改性粉煤混凝土还能改善其可泵送性、提高混凝土强度。此外，通过大量试验证明，粉煤灰可增强和提高混凝土各项耐久性能，只要技术路线得当，可以代替部分或大部分水泥来生产各种强度等级的混凝土，可应用于各种建筑领域。

三、粉煤灰在高性能混凝土中的应用

粉煤灰中的sio2、al2o3含量较高，且具有较高的活性，可与水泥水化时放出的ca2作用，生成水化铝酸钙及水化硅酸钙凝胶，从而促进水泥进一步硬化及强度进一步提高。潘钢华等采用超细粉煤灰改性制备高性能混凝土，并与掺硅灰外加剂的混凝土在工作性、强度、耐久性、水泥水化特征及孔结构等方面作了比较，结果表明：采用超细粉煤灰改性制备的高性能混凝土在以上诸性能方面均优于掺硅灰外加剂混凝土。高性能混凝土作为跨世纪的新材料。已得到广泛研究和应用。在高性能混凝土中要掺杂大量的超细矿粉，其中掺杂超细粉煤灰的高性能混凝土是重要的发展方向之一。为获得超细粉煤灰，通常的办法是机械磨细和风选，若不经后处理则很难达到高性能混凝土对粉煤灰细度的要求。高风岭采用风选方法获得了粒度小于45um的细灰，这种粉煤灰烧失量低，且以空心玻珠为主，强度和工作性试验证明，该细灰不仅可提高混凝土强度，而且可改善其工作性能。三峡工程二期混凝土用量约为1890万m3，均需采用优质分级灰，以确保大体积混凝土对耐久性和温升的需要。

粉煤灰的掺加对混凝土的界面结构有改善作用，这是混凝土性能提高的主要原因，优质粉煤灰的掺杂对混凝土的施工性能和综合性能的提高均有很大作用。对施工性能而言，掺杂优制粉煤灰既可降低用水量和高效减水剂，又可达到满意的坍落度，且后期强度持续提高。田倩等人研究了掺杂粉煤灰对混凝土抗冻性的影响，结果表明，用15%的超细粉煤灰取代水泥的混凝土经抗冻性试验后，其动态弹性模量和质量损失速度与空白基准混凝土相比，有较大的改善，说明采用优质粉煤灰可提高混凝土的抗冻性。赵铁军用astmcl202方法对含粉煤灰和矿渣的混凝土进行了渗透性实验研究，结果表明，在相同的养护龄期下与空白混凝土相比，含粉煤灰混凝土的渗透性下降较大，并且随着养护龄期的增加，其下降幅度将更大，在70d龄期时，可达到astm规定的“很低”标准。同济大学吴学礼对粉煤灰在水泥中的掺量进行了研究，他们采用优质粉煤灰和高效减水剂得到高流动性与高强度粉煤灰混凝土，讨论了粉煤灰对混凝士流动性与强度的影响，并用等效水灰比的概念建立了添加粉煤灰高强混凝土的强度与用水量、水泥用量，粉煤灰用量三者的经验关系式：

cp/c=32.75-37.78w/+3.29f/c

其中：c——水泥用量；

w——用水量；

cp——混凝土强度；

w/——水胶重量比；

f/——粉煤灰掺量百分比。

上式对粉煤灰混凝土各物料用量具有一定的指导意义。河北省第一建筑公司承建的北京海洋馆在泵送混凝土中用15%的粉煤灰替代10%的水泥，粉煤灰混凝土的和易性、可泵送性、强度、抗渗性均最显著提高。上海建筑科学研究院谷章昭等通过对掺杂ⅲ级粉煤灰混凝士的力学性能和耐久性能的研究，进而表征了该混凝土的水化产物及孔结构特征，研究结果表明，其性能较掺杂ⅱ级粉煤灰的混凝土差，但某些性能却优于普遍混凝土，尤其适用于地面及水面以下施工的混凝土结构。

国内外研究成果和施工经验表明，为了确保粉煤灰混凝土质量，必须在以下几方面采取切实有效的措施：需合理确定粉煤灰掺量。一方面应根据粉煤灰的等级，合理确定其应用范围；另一方面应根据水泥品种、标号与混凝土强度等级进行合理确定；优化混凝土配合比。粉煤灰混凝土配合比设计必须符合同等级混凝土设计原则，即与基准混凝土等稠度、等强度的原则，泵送粉煤灰混凝土必须按6组分进行配合比设计。最后通过试配、调整、验证以优化混凝土配合比；严格管理。加强对进场粉煤灰各项品质进行检验，专人负责，切忌误装误卸致使粉煤灰与水泥混淆发生质量事故；由于磨细粉煤灰掺量少，其比重小于水泥，故其搅拌时间需延长，以达到搅拌均匀。

四、结论与展望

粉煤灰作为具有潜在资源化能力的工业废料，已经受到越来越多的重视，随着环境保护与可持续发展观念在世界各地日益深入人心，对于包括粉煤灰在内的工业废料的综合利用与资源化已成为各国制定可持续发展战略的重要组成部分。粉煤灰经过处理以后，只要粉煤灰掺量合理，同时合理优化混凝土配合比，加上严格的施工管理，会大大提高混凝土的物理力学性能和施工特性。当然，对于粉煤灰的综合利用必须深入不懈地进行基础理论研究，并且要在更高层次上研究有关粉煤灰的理论问题，发展高技术利用，真正变废为宝，使粉煤灰成为现代化工业和国民经济的有用资源。

参考文献

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[2]王辉．粉煤灰在自密实混凝土中的应用[j]．建设科技，2008，．

[3]侯绪忠，论粉煤灰混凝土特性及工程应用[j]．黑龙江科技信息，2008，．