多年来, 我国很多科研施工单位在探索混凝土和砂浆中掺用粉煤灰这一节约水泥的技术途径中。积累了许多宝贵的经验。目前, 我国粉煤灰应用于混凝土的技术还不是很普及。须大力宣传推广, 解决技术管理问题, 加快粉煤灰的综合利用。粉煤灰是煤粉炉燃烧煤排出的工业废料。我国经济飞速发展使电力工业突飞猛进。从而造成粉煤灰的排放量不断增加。椐统计, 我国每年粉煤灰的排放量在亿吨以上。粉煤灰的大量排放, 不仅占用大量农田, 而且污染环境, 是电力部门难以解决的问题之一。建筑业是粉煤灰利用的大户, 粉煤灰除了用作路基回填土外, 还可以用作混凝土和砂浆的掺合料。既节约了水泥, 又满足了混凝土的基本性能要求, 一举两得。
1 粉煤灰的性能与分类
1.1 粉煤灰的性能
1.1.1 性能
粉煤灰具有活性效应, 在混凝土中掺入一定量的粉煤灰可以提高混凝土的强度, 若在保持强度不变的情况下则可以减少水泥用量。由粉煤灰的化学成分知道:粉煤灰中含有活性矿物质。 (球形玻璃体中SiO2, Al2O3等) , 这些物质一旦与水泥中的水化产物Ca (OH) 2反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙, 就能提高硬化后的水泥浆体强度。
1.1.2 作用及效果
粉煤灰的颗粒形态效应可以改善混凝土的和易性。粉煤灰的颗粒呈球形、表面光滑、质地细密。因此在混凝土受震动后易产生滚动液化作用。可以显著改善混凝土拌和物的和易性, 增加流动性和粘聚性。若保持混凝土拌和物原有的和易性不变, 则可减少用水量。起到减水效果, 从而提高混凝土的密实度和强度。粉煤灰还可以降低混凝土的水化热, 提高混凝土的后期强度。这是因为粉煤灰在混凝土中的活性效应发展很慢, 起缓凝作用, 从而降低并延缓了水化热高峰的出现。在存在水化的条件下, 一年后水化作用继续进行。故能提高混凝土后期强度。此外, 在混凝土中掺入适量的粉煤灰还可以提高混凝土的抗渗性和耐久性。
1.2 粉煤灰的分类
1.2.1 品种分类
《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》中对用作掺合料的粉煤灰按其品质分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级。其品质指标应满足表1的规定。
1.2.2 各级粉煤灰的适用范围
Ⅰ级粉煤灰为干排粉, 品质优良, 品位最高。一般是经静电收尘器收集的。细度较细, 并富集有大量表面光滑的球状玻璃体。因此, 这类粉煤灰的需水量一般小于相同比表面积水泥的用水量。掺入到混凝土中可以取代较多的水泥, 并能降低混凝土的用水量和提高密实度。
Ⅱ级粉煤灰是我国大多数火电厂的排出物。细度较粗, 经加工磨细后方能达到要求的细度。对混凝土的强度贡献较Ⅰ级粉煤灰为小。但掺Ⅱ级粉煤灰的混凝土其他性能均高于或接近基准混凝土。主要用于普通钢筋混凝土或无筋混凝土。
Ⅲ级粉煤灰是指火电厂排出的原状干灰或湿灰。其颗粒较粗且未燃尽的炭粒较多。掺入混凝土中对混凝土的强度贡献较小。减水的效果较差, 主要用于低强度等级的素混凝土或砂浆掺合料, 经专门试验也可用于钢筋混凝土 (表1) 。
3 粉煤灰在混凝土中的应用
下面就粉煤灰在实际应用的过程中的几个主要指标进行分析与论述。
3.1 抗碳化能力
混凝土碳化作用是指碳酸气或含碳酸气的水与混凝土中的氢氧化钙作用生成碳酸钙的反应, 准确地说, 应是“碳酸气作用”。一般按碳化程度, 混凝土可划分为三个区, 靠外部的完全碳化区;内部的未碳化区;中间的碳化反应区。各区中CO2浓度、Ca (OH) 2含量、pH值明显不同。完全碳化区基本上就是酚酞酒精溶液的不变色区, 碳化深度通常指该区的深度, 根据费克 (Fick) 第一定律, 可建立最简单的碳化深度与碳化时间的幂函数公式:
式中:X为碳化深度;
a为碳化系数, 取决于环境中的CO2浓度及其在混凝土中的有效扩散;
t为碳化时间。
至于对粉煤灰混凝土抗碳化能力的评价, 是通过与基准混凝土的抗碳化能力进行对比表现出来的, 即所谓“粉煤灰混凝土抗碳化效率系数KX”是:
式中:X′为粉煤灰混凝土的碳化深度;
X为基准混凝土的碳化深度。
KX值可大于1, 也可降到1以下。根据国内外经验, 发现粉煤灰混凝土的碳化深度大于基准混凝土的往往是在以下几种情况下发生的:使用质量较低的粉煤灰, 粉煤灰掺量过大。尤其是矿渣水泥再掺大量的粉煤灰, 粉煤灰等量取代部分水泥, 或直接用粉煤灰水泥取代普通水泥;粉煤灰混凝土标号较低, 一般都在C30以下, 水灰比较大, 在0.6以上。但如果水泥用量不减少, 再外掺粉煤灰取代部分砂子, 这样的粉煤灰混凝土抗碳化能力就可以增加;同时掺用粉煤灰和减水剂, 即采用“双掺”的技术措施, 还可以更好地发挥粉煤灰的效应, 保证提高粉煤灰的抗碳化能力, 使KX值降到1以下。
3.2 抗冻性
国外常用快速冻融试验测定混凝土的抗冻性, 以“耐久性系数 (简称DF) ”作为其抗冻性指标, 并用共振频率法测定冻融后混凝土试件的劣化程度。根据ASTM C 666的规定, 最大的冻融循环次数为300, DF可按下式计算:
式中:P为在N次冻融循环时的相对动弹性模量 (即与原来的动弹性模量对比) ;
N为P降至60%的冻融循环数, 如P降不到60%, 则冻融循环数N取300;
M为最终冻融循环数, 即300。
耐久性系数DF可反应肉眼无法鉴别的混凝土冻融劣化程度。我国也是采用300次冻融试验测定粉煤灰混凝土的抗冻性, 根据实验结果, 可得出如下结论: (1) 混凝土的抗冻能力随粉煤灰掺量的增加而降低; (2) 混凝土的引气量和强度是影响普通混凝土和粉煤灰混凝土抗冻性的决定性因素。满足抗冻性要求的引气量取决于相应的混凝土强度等级。混凝土强度越高, 满足抗冻性所必需的引气量越低。 (3) 对于引气量小于3.5%的粉煤灰混凝土和普通混凝土, 其水灰比对于抗冻性有着显著的影响, 水灰比越小, 抗冻性越好。可是, 如果混凝土中已具有足够的引气量, 则其水灰比对于混凝土的抗冻性的影响不大。
3.3 防止钢筋锈蚀
钢筋锈蚀部分的体积膨胀约2~3倍, 能使混凝土胀裂或剥落。近几年来世界各地频繁发生的钢筋混凝土耐久性质量事故, 多半是钢筋锈蚀造成的。一般来说, 钢筋锈蚀可分为四类: (1) 碳化作用, 使钢筋钝化膜失去了存在的条件; (2) 电化学侵蚀, 使混凝土丧失护筋性; (3) 氯化物等的侵蚀, 氯离子、硫酸根离子及硫离子等都是能破坏钢筋钝化膜的有害成分, 其中, 以氯离子的破坏最为剧烈; (4) 应力腐蚀断裂, 一般的应力腐蚀断裂是指在拉应力和侵蚀介质共同作用下, 阳极反应的脆性断裂, 另一种形式是由于阴极反应, 氢离子的还原反应, 发生高应力的脆性断裂。
钢筋锈蚀开始于扩展阶段。只要混凝土保护层上无裂缝, 那么钢筋锈蚀过程就是:混凝土完全碳化以后, 钢筋失去钝化膜的保护, 随着水分和氧的入侵, 钢筋表面逐渐锈蚀。如果保护层混凝土上出现裂缝, 那么即使保护层混凝土尚未完全碳化, 钢筋也会锈蚀, 同时裂缝的出现也会加速碳化, 微裂缝处要比较宽的裂缝处的混凝土碳化慢些, 但是氧在混凝土裂缝的扩散几乎与裂缝的宽度无关, 而氧是碳化的必备条件之一。因此粉煤灰改善混凝土的体积变化的性能, 使混凝土避免出现裂缝和微裂缝, 其意义与增强抗碳化能力, 对护筋性同样重要。
3.4 抑制碱集料反应
很多国家和地区由于天然集料资源贫乏或受到开采条件的限制, 只能就地取材采用含活性氧化硅成分较高的石料, 如果又使用碱总含量大于0.6%的水泥, 则活性集料与水泥中的碱物质反应时将发生体积膨胀, 导致混凝土胀裂, 这种现象叫碱——集料反应。发生碱——集料反应的混凝土裂缝中一般都充满白色胶体, 表面裂缝中常有凝胶体流出, 干燥时胶体变成白色沉淀, 骨料颗粒周围出现反应环。典型的碱—集料反应有加拿大博赫尔洛依斯水电站, 该站位于魁北克省, 靠近圣路易湖。早在1940年就发现该站南部坝体因出现开裂缝而渗漏, 其后在进水系统和办公大楼均发现开裂和变形。该电站所用集料为波次坦组砂岩, 石英含量为95%。石英颗粒被硅质物质所胶结, 胶结物为玉髓质SiO2, 岩石中还含有少量方解石、长石、白云石、云母黄铁矿、锆英石和隧石;水泥碱含量估计为1%。根据Durand的资料表明, 在魁北克水利局属480个大坝中有30%受碱—集料破坏, 6%无问题, 另外64%未详细调查。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—集料反应的危险性。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—集料反应。
至于粉煤灰抑制碱—集料反应的评价, 国外大都参照美国ASTM C441标准关于防止由于碱—集料反应引起较大的膨胀而规定的试验方法。试验时, 规定在高碱水泥中掺加25%粉煤灰, 并用标准砂作集料制作砂浆试验, 养护后再按ASTM C227规定的方法测定膨胀率, 并同不掺粉煤灰的水泥如法制作的试件进行对比。试验的结果, 可用粉煤灰抑制碱—集料反应的效率系数K A A R来表示, 即KA A R=e′/e,
式中e′为粉煤灰混合砂浆试件的膨胀率;
e为基准高碱水泥砂浆试件的膨胀率。
3.5 减少混凝土裂缝
在混凝土硬化过程中, 混凝土构筑物可能要承受各种温度和湿度及其它原因引起变形而产生的应力裂缝, 因为混凝土在内、外约束应力作用的情况下, 混凝土构件的自约束应力是由于非线性的不均匀变形引起的, 它产生了局部裂缝, 而混凝土构件 (结构) 在外部的约束应力由于结构与结构的相互约束, 这种约束变形可能使混凝土构件 (结构) 产生贯穿性断裂和局部裂缝。
在混凝土尤其是大体积混凝土浇捣完后, 水泥已经开始水化, 当混凝土内部温度应力大于混凝土的拉应力时, 混凝土结构将会出现裂缝, 故在“混凝土结构工程施工及验收规范《GB50204—92》”中第4.5.3条明确规定:“对大体积混凝土的养护, 应根据气候条件采取控温措施, 并按需要测定浇筑后的混凝土表面和内部温度, 将温差控制在设计要求的范围内;当设计无具体要求时, 温差不宜超过25℃”。而在大体积混凝土施工中, 往往设计上无明确的规定, 只能靠施工的经验进行控制。因为混凝土拌合物内的水泥在水化时, 要产生大量的水化热, 当混凝土内外温差超过一定的限度, 混凝土的拉应力小于混凝土的热涨应力时, 便会产生温度应力裂缝。而在混凝土中加入适量的粉煤灰则能有效的抑制这种裂缝的出现, 这是因为粉煤灰在混凝土中的活性效应发展很慢, 起缓凝作用, 从而降低并延缓了水化热高峰的出现。这有利于大体积混凝土工程, 有利于减少混凝土温差裂缝的出现。
4 结语
在水泥混凝土中掺入适量的粉煤灰后, 不但可以节约水泥, 而且使混凝土在一系列性能方面都可获得改善。由于粉煤灰属于工业废料, 和水泥相比成本很低。因此, 在运输方便的地区, 使用粉煤灰不仅可以降低混凝土成本, 还可以解决热电厂排污问题, 因此粉煤灰混凝土是一种很有发展前途的建筑材料。
摘要：本文介绍了粉煤灰的性能及基本分类, 阐述了粉煤灰在混凝土中应用的优点, 并对粉煤灰在混凝土中的作用机理进行了分析。
关键词：粉煤灰,混凝土,碳化,抗冻,钢筋锈蚀,碱集料反应,混凝土裂缝
参考文献
[1] 沈威, 黄文熙, 闵盘荣.水泥工艺学[M].武汉工业大学出版社, 2003.
[2] 钱觉时.粉煤灰特性及其在混凝土中的应用[M].科学出版社, 2002.
[3] 韩怀强, 蒋挺大.粉煤灰利用技术[M].化学工业出版社, 2001.
[4] 叶枝荣.建筑材料标准规范实施手册[M].中国建筑工业出版社, 1995.