粉煤灰對混凝土性能的作用
粉煤灰對混凝土性能的作用
1、粉煤灰是燃煤電廠中磨細煤粉在鍋爐中燃燒后從煙道排出、被收塵器收集的物質(zhì)。粉煤灰混凝土是指摻加粉煤灰的混凝土,包括用水泥廠生產(chǎn)中摻粉煤灰的硅酸鹽水泥制備的混凝土。通常所講的粉煤灰混凝土是指配制混凝土混合料時將粉煤灰作為一種組分加入攪拌機配制而成的混凝土。粉煤灰作為一種重要而已被普遍利用的混凝土輔料,一般具備改變基準混凝土的新拌、硬化和使用諸性能的能力。隨著對粉煤灰認識的逐漸深入,人們充分認識到利用粉煤灰已不僅僅是取代水泥、節(jié)約能源以及減少環(huán)境污染的問題,粉煤灰已經(jīng)成為對混凝土改性的一種重要組分。
2、粉煤灰的特性
2.1粉煤灰的物理性質(zhì)
粉煤灰的比重在1.95～2.36之間，松干密度在450 kg/m3～700kg/m3范圍內(nèi)，比表面積在220 kg/m3～588 kg/m3之間。由于粉煤灰的多孔結構、球形粒徑的特性，在松散狀態(tài)下具有良好的滲透性，其滲透系數(shù)比粘性土的滲透系
第一文庫網(wǎng) 數(shù)大數(shù)百倍。粉煤灰在外荷載作用下具有一定的壓縮性，同比粘性土其壓縮變形要小的多。粉煤灰的毛細現(xiàn)象十分強烈，其毛細水的上升高度與壓實度有著密切關系。粉煤灰是一種高度分散的微細顆粒集合體，主要由氧化硅玻璃球組成，根據(jù)顆粒形狀可分為球形顆粒與不規(guī)則顆粒。球形顆粒又可分為低鐵質(zhì)玻璃微珠與高鐵質(zhì)玻璃微珠，若據(jù)其在水中沉降性能的差異，則可分出飄珠、輕珠和沉珠；不規(guī)則顆粒包括多孔狀玻璃體、多孔碳粒以及其他碎屑和復合顆粒。2.2粉煤灰的化學成分粉煤灰是一種火山灰質(zhì)材料，來源于煤中無機組分，而煤中無機組分以粘土礦物為主，另外有少量黃鐵礦、方解石、石英等礦物。因此粉煤灰化學成分以氧化硅和氧化鋁為主（含量約氧化硅48％，氧化鋁含量約27％），其他成分氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉、三氧化硫及未燃盡有機質(zhì)（燒失量）。不同來源的煤和不同燃燒條件下產(chǎn)生的粉煤灰，其化學成分差別很大。
3、粉煤灰對混凝土施工性能的影響
摻加粉煤灰可以改變混凝土和易性，增加混凝土粘性，減少離析與泌水，降低由于水化熱帶來的混凝土溫度升高，減少或消除混凝土中堿基料反應，同時，
也可以節(jié)省水泥的用量。
3.1 和易性
粉煤粉混凝土中膠凝物質(zhì)——水泥和粉煤灰數(shù)量要比水泥混凝土多。粉煤灰比重較輕，同樣重量粉煤灰的體積大于水泥的體積，膠凝材料的漿體體積增加將使混凝土有較好的塑性和較好的粘性，粉煤灰的球形顆粒將有利于混凝土的流動性能，這些有助于改善混凝土的和易性。
3.2 泌水
摻和粉煤灰會減少混凝土的泌水，粉煤灰含有較多的微細顆粒，有助于截斷混凝土內(nèi)泌水通道。
3.3 改善泵送性能粉煤灰與水泥細度相近或比水泥還細，粘聚性強，提高了抗離析能力，提高了混凝土的穩(wěn)定性，保持混凝土可泵性和勻質(zhì)性。摻和粉煤灰的混凝土坍落度損失小，凝結時間延長，從而延長了允許的運送時間和運送距離，擴大了泵送混凝土應用范圍，不僅改變混凝土的泵送性能，而且還可以延長泵送機械使用壽命。
3.4 減少堿—骨料反應堿— 基料反應機理是水泥中間（Na2O和K2O）的氫氧化物與某些集料中含有的無定形硅反應生成堿硅酸鹽凝膠，反應中吸水產(chǎn)生體積膨脹導致混凝土破壞。摻加粉煤灰可以直接稀釋混凝土中的水溶性堿的濃度，粉煤灰與水泥水化釋放出來的氫氧化鈣，有效地降低孔隙溶液中的PH值，因而降低集料中硅與堿的反應活性，粉煤灰中高度反應的無定形硅迅速消耗水泥中的堿，生成非膨脹的.鈣堿硅膠；粉煤灰有助于降低混凝土的透水性，降低水分向混凝土的滲透，而沒有水分就不能充分進行堿—基料反應。
4、粉煤灰混凝土的耐久性材料的耐久性是指材料在長期使用過程中, 抵抗其自身及環(huán)境因素長期破壞作用, 保持其原有性能而不變質(zhì)、不破壞的能力。引起耐久性下降的因素復雜多變, 因此評價材料的耐久性往往是采用綜合評價指標。對于混凝土類材料, 根據(jù)其所用環(huán)境, 一般情況包括:抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化及堿骨料反應等,同時長期強度也與耐久性緊密相關。
4.1粉煤灰混凝土的滲透性 混凝土的滲透性是一個綜合指標，包括透水性、透氣性和透離子性等性能，其中混凝土抵抗氯離子滲透的能力與混凝土配合比、原材料、施工質(zhì)量密切相關，
能夠比較全面反應混凝土的抗?jié)B透性。衡量混凝土抗氯離子滲透性能的指標是是氯離子擴散系數(shù)Deff [3]。有研究表明[4]，W/C=0.30 和0.35 的硅酸鹽水泥漿，在38℃時氯離子擴散系數(shù)為15.6×10-12m2/s 和8.7×10-12m2/s；而以粉煤灰代替30%的水泥后，擴散系數(shù)為1.35×10-12m2/s 和1.34×10-12m2/s，氯離子擴散系數(shù)的大小與孔的尺寸分布是不十分一致的；雖然一般來說，低的孔隙相應氯離子擴散系數(shù)低。
作者認為粉煤灰水泥漿的氯離子滲透系數(shù)比純水泥漿低，其主要原因是： C—S—H 凝膠的體積增大，堵塞了擴散通道； 總離子濃度Ca2+、Al3+或AlOH2+及Si4+是基準水泥漿的2 倍（離子具有低的擴散率，限制共同的氯離子移動。粉煤灰中的鐵相也有助于降低氯離子擴散速度）； 含粉煤灰的水泥漿中的通道比基準水泥漿的彎曲。
實際上，粉煤灰對水泥漿的氯離子滲透性的效應與其對混凝土滲透的作用相似�；炷练罃U散和抗?jié)B透的關鍵是封閉貫穿的毛細孔通道，粉煤灰對于封閉混凝土毛細孔通道的作用主要是通過以下三種效應來實現(xiàn)：
（1）煤粉灰的形態(tài)效應可以減少新拌混凝土的用水量并能降低初始水灰比；
（2）粉煤灰的活性效應所形成的凝膠對因取代水泥而減少的凝膠在數(shù)量上起到補充作用，這將使得粉煤灰混凝土不僅強度得以提高，且耐久性也大為改善；
（3）粉煤灰活性微集料效應的加強，對水泥漿體孔隙起到填充與密實作用，直接“細化”孔隙并填塞細孔的通道，水泥石的孔結構發(fā)生變化，因而抗?jié)B性明顯提高。養(yǎng)護齡期對粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透擴散能力有較大影響。粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透擴散能力隨齡期增加而提高。這是因為，隨著齡期的增長，粉煤灰的火山灰反應的進行，粉煤灰活性效應所形成的凝膠填充了混凝土中一部分空隙，同時將不穩(wěn)定的氫氧化鈣轉(zhuǎn)為結構上致密，性能上穩(wěn)定的膠凝物質(zhì)，使混凝土滲透性降低。
4.2 粉煤灰混凝土的抗凍性在負溫條件下, 混凝土中內(nèi)部孔隙和毛細孔道中的水結冰產(chǎn)生體積膨脹, 當這種膨脹力超過混凝土的抗拉強度時, 則使混凝土產(chǎn)生微細裂縫, 在反復凍融作用下, 混凝土內(nèi)部的微細裂縫逐漸增多和擴大, 混凝土的強度逐漸降低, 混凝土表面產(chǎn)生酥松剝落, 直至完全破壞�；炷恋膹姸群鸵龤饬渴怯绊懫胀ɑ炷梁头勖夯一炷量箖鲂缘臎Q定性因素。
混凝土中用粉煤灰并等量取代水泥后, 在早、中期水化產(chǎn)物減少, 毛細孔增多, 強度偏低。以粉煤灰混凝土28 d 強度測定, 即混凝土受凍前齡期較短時, 混凝土易凍壞, 這在粉煤灰品質(zhì)較差, 混凝土需水量相應增加的情況下尤為突出。隨著粉煤灰的活性物質(zhì)發(fā)生二次水化反應, 使粉煤灰具有一定膠凝性, 填充了水泥水化后微小孔隙, 使混凝土密實度得以提高。隨著混凝土強度的提高, 后期粉煤灰混凝土的抗凍性不低于基準混凝土。摻加適量的引氣劑可減少甚至完全消除由于摻加粉煤灰取代部分水泥所帶來得不利影響, 因為引氣劑可使混凝土內(nèi)形成一定數(shù)量的孔徑為幾Lm 至幾十Lm 的封閉氣泡, 從而大大改善抗凍性。有關水工混凝土的試驗表明, 在不摻引氣劑時, 水灰比為0. 45的普通水泥混凝土只能經(jīng)受50 次凍融循環(huán), 而摻加引氣劑的粉煤灰混凝土, 即使摻量達30% , 也可經(jīng)受300 次凍融循環(huán)。
4.3粉煤灰混凝土的抗碳化性能
關于抗壓強度與炭化速率關系的研究結果表明, 無論在早齡期或成長齡期, 摻粉煤灰混凝土的碳化速率均不同程度的高于同強度的基準混凝土。只有當前者的強度超過后者一定幅度時, 兩者才可能有相同的抗碳化能力。 混凝土的堿度與滲透性是影響其碳化速率的兩個本質(zhì)因素�；鹕交曳磻m然消耗了混凝土中熟料水化所產(chǎn)生的氫氧化鈣, 但同時又生成水化硅酸鈣,水化鋁酸鈣等反應產(chǎn)物, 它們同樣具有吸收二氧化碳的作用。因此, 火山灰反應對混凝土的堿度并無影響, 而火山灰反應卻使混凝土的空隙率降低, 孔徑細化, 曲折度增加, 從而顯著提高強度與抗?jié)B性。超量取代28 d 等強度的粉煤灰混凝土碳化速率高于基準混凝土的重要原因之一, 是由于取代水泥后熟料數(shù)量減少, 堿度降低。隨著齡期延長, 火山灰反應不斷增強, 達到一定齡期時, 抗?jié)B性的提高彌補了堿度低的不足, 摻粉煤灰混凝土的碳化速率就可能與同齡期的基準混凝土相同, 甚至比后者更小。這一齡期的長短則取決于水泥品種和被取代量, 粉煤灰品質(zhì)與摻量以及環(huán)境溫度, 濕度等多種因素。
在實際工程中, 由于大氣中二氧化碳濃度極低,碳化進程十分緩慢, 摻粉煤灰混凝土的抗碳化能力有可能隨著火山灰反應程度的不斷提高, 而得到較好的改善。
4.4粉煤灰混凝土的抑制堿-骨料反應性能
堿-骨料反應是指混凝土原材料(包括水泥、摻和料、外加劑和水等) 中的可溶性堿(N a2O 和K2O )溶于混凝土空隙中, 與骨料中的活性成分在混凝土硬化后逐漸發(fā)生的一種化學反應。反應生成物吸水膨脹, 使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應力, 膨脹開裂, 導致混凝土工程失去設計性能。這個問題已引起人們高度重視, 并進行了大量的相關研究。粉煤灰可以減少混凝土中的堿-骨料反應。
首先, 摻入粉煤灰后, 粉煤灰消耗了可溶性堿
。其次, 粉煤灰與水泥水化釋放出來的Ca (OH ) 2 反應, 有效地降低孔隙溶液中的pH 值, 因而降低骨料中硅與堿的反應活性。
第三, 粉煤灰中高度反應的無定形相(玻璃體) 迅速消耗水泥中的堿, 生成非膨脹的鈣-堿-硅膠。
第四, 由于粉煤灰均勻分散于混凝土中, 產(chǎn)生的膨脹在宏觀上是整體上的, 不會產(chǎn)生基準混凝土的局部開裂的堿-骨料反應。
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滲透, 而有水分才能充分進行堿-骨料反應。
英國建筑研究院的系統(tǒng)試驗結果認為: 任何波特蘭水泥中摻加不少于30% 的粉煤灰, 都足以減少堿-骨料反應的危險性。
但美國學者研究都認為, 一些高鈣粉煤灰中含有大量的硫酸鹽堿類, 摻用這類粉煤灰就象使用高堿波特蘭水泥一樣, 反而會促進堿2骨料反應。在我國有關研究表明, 摻入一定量活性摻合料如磨細礦渣、粉煤灰、硅灰可以較好地抑制堿2硅酸鹽反應, 對堿-碳酸鹽反應也具有一定的抑制作用。摻40% 以上的磨細礦渣、30% 以上的粉煤灰就能有效地抑制堿2硅酸反應, 而抑制堿-碳酸鹽反應的最低摻量, 磨細礦渣為50% 以上, 粉煤灰為40% 以上。需要注意的是, 要改善對堿-骨料反應的影響,至少要摻加25% 的粉煤灰, 根據(jù)水泥含堿量與骨料的類型或許要摻加50% 的粉煤灰, 此時混凝土早期強度很低, 在設計配合比時應給予考慮。
5、粉煤灰混凝土的應用粉煤灰混凝土適用于一般工業(yè)于民用建筑結構，尤其適用于泵送混凝土、商品混凝土、大體積混凝土、地下及水工混凝土、道路混凝土及碾壓混凝土等。在現(xiàn)代工程中都使用了摻和粉煤灰的混凝土，并取得了很多滿意的結果。
如： 80 年代初,美國佛羅里達州建了一座跨海大橋,在混凝土里摻用了大量粉煤灰,工程質(zhì)量有很大改善,因而在1983 年修訂規(guī)范時,對原來隨意使用粉煤灰的規(guī)定進行了修訂。規(guī)定: 在中度以上侵蝕環(huán)境中的橋梁上部結構,包括預應力構件的混凝土中,必須摻用粉煤灰;其中大體積混凝土中粉煤灰的摻量為18 %～50 %，1982 年英國某機場的停機坪擴建工程,在兩條相鄰的道面上進行了對比:一條為純硅酸鹽水泥混凝土路,另一條是在混凝土中摻灰46 %。運行4 年顯示,前者已受到一定程度破壞,而摻灰混凝土道面的表面層抗滑構造仍基本完好。這說明在低水膠比條件下,摻大量粉煤灰混凝土的強度和耐久性都十分優(yōu)異。1994 年以來,我國在廣東深2汕等四條近10km 高速公路路面混凝土中摻用粉煤灰20 %～40 % ,取得明顯提高滑模攤鋪機攤鋪路面板的質(zhì)量(提高路面宏觀平整度、明顯減少開裂) 、減小進口設備損耗并降低水泥用量等技術與經(jīng)濟綜合效益。
6、 粉煤灰原來作為發(fā)電廠的工業(yè)廢料，對環(huán)境造成比較大的影響。但是隨著科技的發(fā)展，人們在粉煤灰中發(fā)現(xiàn)了其特性，并將其摻和到混凝土中，這使得混凝土不但在施工過程中得到了令人滿意的效果，同時擴大混凝土的使用領域。另外，粉煤灰對于提高混凝土的耐久性，包括抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化、抑制堿—骨料反應等等，都產(chǎn)生了很大的作用。由于粉煤灰混凝土的性能較好，因而也被用在各種大大小小的工程中，其使用變得日益廣泛。我相信以后很多工程也將離不開粉煤灰。也因為粉煤灰在混凝土上的應用，這對于解決煤發(fā)電廠的工業(yè)廢料問題提供了途徑，同時它對于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展起到一定的促進作用。
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