[文章] 粉煤灰高性能混凝土的工程应用 [复制链接]

本文对粉煤灰高性能混凝土的各项性能作了详细的研究，并针对粉煤灰的掺入量对混凝土各种性能的影响以及粉煤灰混凝土在施工中应注意的一些问题进行了分析和探讨。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
［关键词］     粉煤灰混凝土   高性能   耐久性        9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
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1．概  述       粉煤灰作为一种工业废料，资源丰富、价格低廉，且含有大量的活性成分，是现代混凝土中非常重要的一个组分。优质粉煤灰合理地应用于混凝土中，不但能部分代替水泥，节省工程造价，而且，其特有的性能可以很有效地用于各种使用要求的混凝土中，改善和提高混凝土的性能，是高性能混凝土中的理想掺和料。在现代混凝土中，粉煤灰已经与水泥、集料、水、外加剂同样重要，成为混凝土中的一个组分。粉煤灰高性能混凝土是以耐久性为主要目标进行设计的混凝土。它以优异的耐久性（而不是高强度）为主要特征，也就是说，任何强度等级的混凝土都可以做成高耐久性混凝土。为达到高耐久性，粉煤灰混凝土应具备的性能是：在新拌状态有良好的工作性，即高流动性而不离析、不泌水，以使成型均匀、密实，水化硬化早期的沉降收缩和水化收缩小，温升低，硬化过程干缩小，以达到无初始裂缝，硬化后的渗透性低。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
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2．对“粉煤灰效应”的认识       粉煤灰的“功能”和“效应”是所有粉煤灰材料技术和工程的应用基础。在混凝土中掺加粉煤灰，应对粉煤灰的功能作全面的认识，由原来对粉煤灰的“火山灰反应”及“经济组分”的概念，扩展到“粉煤灰效应”的技术意识，使得粉煤灰功能能够更好地服务于混凝土的性能改善和质量提高。粉煤灰在混凝土中的作用有以下几点： 1 .形态效应：粉煤灰的主要矿物组成是海绵状玻璃体、铝硅酸盐玻璃微珠，这些球形玻璃体表面光滑，粒度细，质地致密，内比表面积小，对水的吸附力小，这一系列的物理特性，不仅减小了混凝土的内摩擦阻力，有利于混凝土流动性的提高；而且，对混凝土有不同程度的“减水”作用； 2 .活性效应：粉煤灰的活性成分SiO2和AI2O3与水泥的水化产物在有水的情况下发生反应，生成水化硅酸钙（C-S-H）和水化硫铝酸钙（C-A-S-H），这些反应几乎都在水泥浆孔隙中进行，生成的水化产物填充、分割原来的大孔，使孔隙细化，可降低混凝土内部的孔隙率，改变孔结构，提高混凝土各组分的粘结作用； 3 .微集料效应：粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，填充孔隙，起到“细化孔隙”的作用，同时，阻止水泥颗粒的相互粘聚，而使之处于分散状态，有利于混合物的水化反应，粉煤灰不会完全与与水泥的水化产物发生反应，能长期保持其“微集料效应”； 4 .界面效应：集料与水泥石之间的界面是混凝土结构中的薄弱环节，过渡区域的宽度随水灰比、集料吸附特性不同而异，过渡区域具有比水泥浆体更多、更大的孔隙。掺加粉煤灰能减小过渡区域宽度，干扰过渡区域中Ca（OH）2晶体的取向性，提高混凝土中的界面强度和密实性。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
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3．粉煤灰混凝土的性能       粉煤灰对混凝土性能的改变可分为三个阶段： 1 .新拌混凝土阶段: 影响混凝土的凝结时间，改善和易性，改变流变性质，提高可泵性等； 2 .硬化中的混凝土阶段: 调节硬化过程，降低水化热； 3 .硬化后的混凝土阶段: 提高后期强度，提高各项耐久性，如抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性，抑制碱—集料反应等。      9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
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3.1强度       粉煤灰对混凝土强度有三种影响：减少用水量、增大胶结材含量和通过长期火山灰反应提高其强度。低钙粉煤灰中的微粒为硅氧四面体结构，自身的活性很低。在水泥的最终产物中，高碱性水化硅酸钙和Ca（OH）2胶体的结晶强度很低，特别是Ca（OH）2仅是托勃莫来石强度的1-2%，而Ca（OH）2 的体积占整个水泥石体积的25%。粉煤灰中含有的大量的硅、铝氧化物，能逐步与Ca（OH）2及高碱性水化硅酸钙发生二次反应，生成强度较高的低碱性水化硅酸钙，这样，不但使水泥石中水化胶凝物质的数量增加，而且也使其质量得到大幅度提高，有利于混凝土强度的提高。同时，粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高水泥浆的密实度，使混凝土中骨料与水泥浆的界面强度提高。粉煤灰对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。粉煤灰混凝土的弹性模量与抗压强度相类似，早期偏低，后期逐步提高，到28d时可比基准混凝土提高5-10%。与钢筋的握裹力，粉煤灰混凝土的28d粘结强度基本与等标号的基准混凝土相同，但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。 粉煤灰的二次水化反应一般在混凝土浇筑14d以后才开始进行，在温度低时，该反应所需的时间更长。如果对混凝土的早期强度有严格要求，粉煤灰的掺量不宜超过30%，冬季施工非大体积混凝土时，粉煤灰的掺量不宜超过20%。由于现代混凝土中外加剂的使用，一方面，可减少混凝土拌和用水量，减小水灰比，提高混凝土中水泥的浓度；另一方面，减水剂能使水泥中硅酸钙水化所产生的Ca（OH）2增多，有利于粉煤灰与Ca（OH）2的二次水化反应，激发粉煤灰的活性，这对于改善粉煤灰的早期强度是有效的，另外，使用粉煤灰活性激发剂或在非大体积混凝土中使用早强型水泥，也可以补偿粉煤灰的掺入对混凝土早期强度的影响。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.2和易性粉煤灰对混凝土和易性的改善作用有以下几点：⑴.优质粉煤灰中含有70%以上的球状玻璃体，这些球状玻璃体表面光滑无棱角，性能稳定，在混凝土的泵送、振捣过程中起着一种类似于轴承的润滑作用；⑵.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，有利于混凝土工作性能的提高；⑶. 掺入粉煤灰可以补偿细骨料中细屑的不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性，同时品质良好的粉煤灰在同样的稠度下能减少混凝土的拌和用水量，使混凝土中的水灰比降低到更小水平，减少泌水和离析现象。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.3收缩       混凝土的收缩与混凝土的拌和用水量和浆体体积有关，用水量越少，收缩也越小。优质的粉煤灰需水量比小于100%，拌和水量的减少使掺粉煤灰混凝土28d后的自干燥收缩和干燥收缩都小。粉煤灰混凝土的干缩也随粉煤灰掺量的提高而降低。但由于粉煤灰混凝土的水化反应慢，水分蒸发快，所以粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大。为防止粉煤灰混凝土的早期收缩开裂，对其更应加强早期养护。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.4徐变       28天龄期以前，混凝土的强度较低，其相应龄期的徐变应变也较普通混凝土的大，然而与普通混凝土等强度的粉煤灰混凝土在此后所有龄期的徐变均小于普通混凝土。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.5碳化性能       粉煤灰混凝土的抗碳化性能较差。粉煤灰混凝土中的水泥用量减少，水泥水化析出的Ca（OH）2 数量也相应减少，而且，火山灰反应也消耗了一定量的Ca（OH）2 ，使混凝土的PH值降低，会增加混凝土的碳化速度。特别在水化早期，粉煤灰火山灰反应程度低，粉煤灰-水泥体系孔结构疏松，CO2、O2、水分等入侵阻力小，因此碳化深度较大。随着龄期的增长和粉煤灰火山灰效应的逐渐发挥，碳化速度将逐渐降低。粉煤灰混凝土的碳化深度随水灰比及粉煤灰掺量的增加而有所增加。在水灰比为0.5-0.55，粉煤灰掺量不大于30%和一般施工水平的情况下，15-17年混凝土的碳化深度可达20mm左右。       碳化反应在一定的相对湿度范围内进行最快，否则，反应较慢。当相对湿度在25%以下或者接近100%，即混凝土在充分干燥或水饱和的场合，混凝土都不易产生碳化收缩。在基础工程等不与大气接触的混凝土工程中，由于与CO2隔绝，不会发生碳化反应，因此可较多地掺加粉煤灰，以充分降低混凝土的水化热，提高混凝土的耐久性。采用超量取代法，较低的水胶比，同时掺加以减水剂为主的外加剂进行配合比设计，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.6钢筋锈蚀       混凝土中的钢筋能够防锈是由于混凝土的碱性（PH≥12.5）在金属表面形成一层致密的钝化膜。在混凝土中掺加粉煤灰，一方面会消耗Ca（OH）2 ，降低混凝土的碱环境；另一方面，粉煤灰又与Ca（OH）2反应生成水化物，提高混凝土的密实度，增加混凝土的不透水性和对氯离子扩散的阻力，阻碍和防止CO2的侵入，可对钢筋起保护作用，所以粉煤灰的掺入，在防止钢筋锈蚀方面，可以抵消因碱度降低带来的不利影响。粉煤灰在一定的掺量范围（FA≤24%），对钢筋锈蚀基本无影响，甚至优于空白混凝土。但是若粉煤灰的掺量大于30%，混凝土的 碳化可使混凝土的PH值由12.5降至8.5左右，在这样低的PH值条件下，钢筋不再钝化。当碳化深度到达钢筋位置，保护层被完全碳化，在水与氧气渗入的条件下，钢筋就会发生锈蚀而导致混凝土的开裂甚至破坏。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.7水化热       粉煤灰对降低混凝土水化热的作用十分明显。低钙粉煤灰在头几天的水化程度并不明显，所产生的水化热仅及水泥的一半。在混凝土中用粉煤灰取代20%的水泥，可使混凝土7d的水化热下降11%。1-28d龄期内，大致为掺入粉煤灰的百分数，就是温升和水化热降低的百分数。在大体积混凝土中粉煤灰的掺入一般可使水化热峰出现的时间延缓至3d以后才出现，可以有效防止混凝土产生温度裂缝。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.8碱-集料反应       粉煤灰对有效抑制混凝土碱-集料反应的作用已被世界公认。一方面粉煤灰中的活性成分SiO2、AI2O3与水泥的水化产物Ca（OH）2反应，降低混凝土的碱度；另一方面粉煤灰较大的比表面可吸收K+、Na+、OH—，使之富集在粉煤灰微粒的表面，使骨料周围的碱金属离子及ＯＨ—减少，降低混凝土孔隙中的碱浓度，从而削弱了混凝土的碱—集料反应。根据试验结果，粉煤灰掺量大于20%时，抑制碱-集料反应才有效，当掺入30%时可有效抑制碱-集料反应。低钙粉煤灰中的有效Na2O和K2O都能加速水泥的水化反应，并且能激发粉煤灰中化学活性成分SiO2、AI2O3与Ca（OH）2的二次水化反应，因此粉煤灰中的有效碱是有益的。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.9抗冻性       粉煤灰混凝土28d以前龄期，混凝土的孔结构较纯水泥混凝土的粗，故粉煤灰混凝土的早期抗冻性要下降。随着粉煤灰掺量的增加，抗冻性下降的幅度也越大。但随着龄期的增长，其抗冻性下降的幅度大大缩小。在等强超量取代的条件下，则对抗冻性的影响不大。在混凝土中以20%的粉煤灰代替相应的水泥，其抗冻性超过基准混凝土，但掺量太高（50%）时，经过150-200次冻融，混凝土出现明显破坏。混凝土的含气量也是影响混凝土抗冻能力的重要因素。对处于严寒地区的粉煤灰混凝土工程，掺入适量的引气剂，可提高其抗冻性能。粉煤灰的含碳量、烧失量、碳化性质、细度以及粉煤灰的掺量等会影响混凝土的含气量。随粉煤灰掺量的增加，在相同引气剂掺量下，混凝土的含气量呈下降趋势，影响混凝土的抗冻性。一般认为这是由于引气剂引入的气泡被粉煤灰中的细微颗粒吸附造成的。对引气量小于3.5%的粉煤灰混凝土其水灰比对抗冻性有显著的影响，水灰比越小，抗冻性能越好，如果混凝土中有足够的含气量，则其水灰比对混凝土的抗冻性能影响不大。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
.10抗渗性能       影响混凝土抗渗性的主要因素是混凝土的孔结构，包括孔的大小、数量、曲折度以及分布状况等。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，发生火山灰反应生成二次C-S-H凝胶，可以填充其中的孔隙，改善混凝土中水泥石的孔结构，使总的孔隙率降低，大孔数量减少，小孔数量增多，孔结构进一步细化，分布更为合理，混凝土更加密实，抗渗性能得以提高。粉煤灰的火山灰反应是一个长期进行的过程，不断进行的火山灰反应，使粉煤灰混凝土的孔结构进一步优化，混凝土的抗渗性也进一步改善。粉煤灰混凝土的抗渗性能与粉煤灰的掺量和混凝土的龄期有关。当粉煤灰的掺量为30%时，其渗透系数仅为纯水泥混凝土的38.5%，365d龄期的渗透系数可比28d时提高一个数量级。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.11 抗腐蚀性能       粉煤灰混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力有所提高。一方面，由于减少了水泥用量，也就减少了混凝土受腐蚀的内部因素；另一方面，粉煤灰的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中，会成为大量水化物沉积的核心，随着水化龄期的发展，这些细微颗粒及其水化反应产物填充水泥石孔隙，改善了混凝土的孔结构（“微集料效应”），逐渐降低混凝土的渗透性，阻碍侵蚀性介质侵入。氯盐是促使钢筋锈蚀，威胁钢筋混凝土建筑物耐久性的最危险物质，是促使混凝土中钢筋去钝化的无可匹敌的杀手。大量的研究证明，氯离子从外部环境对粉煤灰混凝土的侵蚀与胶凝系统的密实度和粉煤灰对氯离子的物理化学吸附作用有关。氯离子在硬化粉煤灰水泥浆体中的渗透深度随粉煤灰掺量的增加而增加。在水化早期，粉煤灰水泥体系的孔结构比较疏松，渗透性大，氯离子的渗透深度随随粉煤灰掺量的增加而增加，20%以上的粉煤灰掺量将使氯离子侵蚀深度大幅度增加。但混凝土水化后期的抗氯离子的侵蚀能力可有较大的改善。在F/F+C一定的条件下，水胶比的降低可使粉煤灰的微填充、微晶核效应得到加强，粉煤灰水泥浆体的密实度得到改善，因而降低水胶比，可使氯离子的渗透性减小。       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
3.12 泵送性能       粉煤灰混凝土具有良好的保水性能，压力泌水值较小，其初期的压力泌水率也明显低于不掺粉煤灰的混凝土。由于粉煤灰的缓凝作用，水化热降低和水化热高峰的推迟，以及减水剂所引发的大量微小气泡所具有的阻止拌和物沉降分层作用，使得粉煤灰混凝土塌落度经时损失明显减少。光滑的球状玻璃体类似于一个个滚轴，使混凝土在泵送、振捣过程中减小了摩擦阻力，有利于混凝土在泵送时自流和在振捣时的自密。在高强混凝土中，由于胶凝材料用量增多，新拌混凝土的粘度较大，粉煤灰的掺入可以有效减小其粘度，有利于混凝土的泵送施工。 9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
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4．粉煤灰混凝土的配制和施工       9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx
4.1粉煤灰的掺量       粉煤灰混凝土的配制应根据达到一定的目标强度、耐久9ƒÚRéùË<bbs.3c3t.comÀCGŽÄTì{žx