摘要: 本文系统地分析了高钙粉煤灰在混凝土中的效应和掺加高钙粉煤灰的混凝土性能特点。研究了在相同条件下掺入适量高钙粉煤灰的混凝土与普通混凝土的性能比较, 并介绍了高钙粉煤灰在混凝土中的应用试验实例及有待解决的问题。
关键词: 粉煤灰; 混凝土; 掺合料
中图分类号: TQ172.44;TU528.52 文献标识码: B 文章编号: 1003- 8965( 2006) 02- 0008- 05
1 概述
用于混凝土的高钙粉煤灰是指氧化钙含量在8%以上, 细度等指标符合国家等级灰要求的干排灰。它与普通粉煤灰(低钙灰)相比, 一般具有需水量低、活性高、可自硬等特征。目前, 我国高钙脱硫灰产量不断增加, 提高高钙灰的利用率, 已成为混凝土行业发展的迫切要求。
粉煤灰作为商品混凝土的一个组分, 它所起到的形态效应、火山灰效应及微集料的填充效应已为大家所共知。普通粉煤灰的早期强度不足, 限制了它在混凝土中的掺量。我们通过磨细、增钙、掺活性激发剂等方法来激发其早期强度, 虽然也有一定的效果, 但却增加了成本。高钙灰的合理应用, 不需增加成本, 就能发挥出高的火山灰活性。但高钙灰的弊病在于其游离氧化钙所引起的安定性不良, 这是其最大的不利因素。我们在应用过程中注意加强检测, 使其与水泥合理搭配, 防止出现安定性不良的问题[1]。
2 粉煤灰效应
高钙粉煤灰能赋予混凝土新的技术性能, 按材料学的观点, 宏观性能取决于微观结构, 而粉煤灰混凝土的微观结构取决于粉煤灰效应。高钙粉煤灰作为混凝土的矿物掺合料, 在水泥基混凝土中效应主要表现为以下几个方面:
2.1 活性效应
由于高钙粉煤灰具有玻璃体形态的活性成分,较大的比表面积, 这些成分能与水泥水化过程中析出的氢氧化钙缓慢进行“二次反应”, 在表面生成具有胶凝性能的水化铝酸钙、水化硅酸钙等, 同时使水泥石的碱度降低, 在此环境中更有利于水化铝硅酸盐的形成, 均与水泥浆硬化体晶格坚固地结合起来, 填充在骨料之间形成紧密的混凝土结构。从而使后期强度增长较快甚至超过同级别的混凝土的强度值。
2.2 微集料效应
作为水泥基复合材料的混凝土, 是一种多孔的、各尺度上多相的非匀质复杂体系, 混凝土微观结构具有毛细管—孔隙结构的特点, 由水泥水化生成的C- S- H 凝胶、晶体、未水化的粒子、集料、孔隙组成, 其孔隙率占凝胶体的25%～30% , 而高钙粉煤灰具有极小的粒径(一般为1～50μm), 具有超出火山灰活性的物理功能, 在水泥水化过程中, 高钙粉煤灰能填充到混凝土结构中的毛细管及孔隙裂缝之中, 改善了孔结构, 提高了水泥石的密实度,调节了凝胶量和凝胶过程的功能, 使水泥水化晶体与骨料的协和功能改善混凝土的微观结构, 起到改善混凝土宏观性能, 提高抗渗性的作用[2]。
2.3 形态效应
高钙粉煤灰的需水量比小于100% , 又由于粉煤灰呈极小的球状玻璃珠, 填充在水泥颗粒之间起到一定的润滑作用, 小于45μm 的粉煤灰, 不仅可以降低需水量, 同时高钙粉煤灰等量置换混凝土中的水泥, 可以降低砂率, 增加粗骨料的含量, 实际降低了胶凝材料所包裹的骨料比表面积, 在相同的用水量下, 能提高混凝土拌合物的流动性;在相同工作度条件下, 实现减水效能。这有利于降低泌水与分层离析, 改善混凝土的可泵性。
2.4 降低水化热效应
高钙粉煤灰采用内掺法代替水泥, 相应减少了混凝土中的水化热源, 由于粉煤灰吸附在水泥颗粒表面, 粉煤灰的火山灰反应较缓, 进而使水泥水化反应进展更为迟缓, 放热速度更低。经实验测定:每100kg 纯硅酸盐水泥可使混凝土内部温度升高8℃～12℃, 在混凝土中掺加粉煤灰后的第7 天, 高钙粉煤灰反应的发热量只有纯硅酸盐水泥的17% , 使顶峰温度显著降低, 并使达到顶峰温度的时间向后推迟, 随掺量的增加幅度更大。按水泥水化理论, 水化温度的降低, 使水泥水化反应的速度减慢, 并随龄期的增长, 掺高钙粉煤灰的混凝土不仅水泥水化热的放热速率减慢, 而且使放热峰值推迟出现。这说明在改善混凝土性能的同时, 对水泥水化的动力参数有一定的影响, 从而改变了水泥水化放热过程。
2.5 限制温度裂缝的效应
在大体积混凝土施工过程中常掺入高钙粉煤灰, 可以在水泥水化初期大幅度降低混凝土的最大温升, 减小混凝土内外或不同浇筑层的温差, 从而减少早期热裂缝的出现几率。特别是在相同施工条件、内外温差、配筋率的条件下, 掺入高钙粉煤灰后混凝土具有较小的弹性模量, 使得最终由温度引起的约束应力变小, 这对限制混凝土的温度裂缝出现是有利的。除此之外, 高钙粉煤灰活性效应产生的反应势能, 微集料效应产生的致密势能, 形态效应产生的减水势能等, 减少了混凝土收缩, 提高了混凝土的极限拉伸值, 按混凝土热裂缝理论, 则是限制温度裂缝的产生和发展。
2.6 吸附效应
高钙粉煤灰具有非常小的颗粒和较大的比表面积, 表面吸附能力较强, 拌制的混凝土粘性较大,直接影响着混凝土的排气性能, 特别是当粒径小于10μm 的粉煤灰颗粒占总量的40% 以上时, 具有较高的表面力场, 容易吸附在水泥颗粒表面, 以降低其表面自由能, 从而使水泥颗粒间以高钙粉煤灰作为桥梁, 相互连接形成较稳定的空间立体网状结构。尽管在拌合水的润滑作用下, 提高了混凝土中浆体的流动度, 但由于胶凝材料颗粒间表面力场作用, 也会导致其浆体粘性提高。使网状内的毛细孔中的气泡粘阻力很大, 在现有工艺条件下不易排出, 影响混凝土的整体性、均匀性, 有降低其技术性能的趋势[3]。
3 高钙粉煤灰在工程中的主要应用
高钙粉煤灰已广泛用在市政、水利、工业民用建筑、混凝土预制等行业, 能充分发挥粉煤灰在混凝土中的效应, 使其具有显著宏观性能的特点, 特别在以下几项工程应用方面, 更能显示其独特的应用效果。
3.1 大体积混凝土工程
由于混凝土体积大, 用普通硅酸盐水泥, 产生较大的水化热, 易形成温度裂缝, 因此需要用特殊的水泥混凝土或采取冷却措施。粉煤灰混凝土是目前最适合的一种。高钙粉煤灰混凝土具有以下优越特点:①减少水化热效果显著, 比用特殊的大坝水泥还可降低温升5℃左右;②延缓凝结时间, 便于大量混凝土的施工浇注; ③改善混凝土的抗渗性, 尤其是强度等级低的混凝土, 水泥用量少, 效果更明显。
3.2 粉煤灰泵送混凝土
在高层建筑工程的施工中, 常用混凝土泵送和布料杆浇注混凝土的方法, 即称泵送混凝土。高钙粉煤灰混凝土凝结较缓慢, 和易性好, 能减少离析、泌水, 有利于较长距离运输和泵送施工, 可泵性能好, 能延长泵、管道寿命, 增大泵送高度(距离), 目前国内最大高度已达300 多米。
3.3 振动碾压混凝土
以干硬性混凝土掺高钙粉煤灰及外加剂, 用振动压路机振动碾压后的混凝土称为振动碾压混凝土, 简称振碾混凝土。振碾混凝土可大幅度降低水泥用量, 缩短养护时间约1/2, 施工工期缩短40% ,工程造价降低10%～20%。提高混凝土抗渗性、抗裂性、抗腐蚀性, 降低混凝土的弹性模量15% ～20%, 也就是降低其脆性, 增强变形能力, 降低混凝土的温升, 路面收缩缝间距一般加大12 倍。振碾混凝土主要用于筑坝、筑路、机场及堆货物地坪。
4 应用研究试验
高钙粉煤灰归属活性混合材粉煤灰类, 由于钙量的增加, 使高钙粉煤灰的组分、结构发生质的变化, 活性极大地提高, 具有一定的自凝性, 掺用后对制品性能有很大改善。其用量亦相应可增加。鉴于各生产厂家的工艺条件、煤种、石灰石品位、燃料的加工细度等不同, 因而所排放的高钙粉煤灰质量和性能差异较大。我们在试验中应用的是本地电厂的高钙粉煤灰。
4.1 原材料
试验采用P.O42.5 水泥(性能见表1)、本地电厂高钙灰与普通(低钙)灰, 高钙灰的组分见表2, 其物理性能见表3, 低钙灰性能见表4。
4.2 不同粉煤灰掺量混凝土干缩率与龄期的关系
图1 和图2 显示了水胶比固定、不同粉煤灰掺量下, 混凝土干缩率与龄期的关系。掺量为35%以下时, 低钙粉煤灰掺量增加, 混凝土干缩率有减小的趋势, 但掺量达到45% 时, 干缩率陡然增加, 成
为4 个掺量中最大的(图1)。而掺加高钙灰的混凝土(图2 ), 相同掺量下, 其干缩率明显小于低钙灰混凝土。在各个龄期, 混凝土干缩率随高钙粉煤灰掺量的增加明显减小。掺量在25%以下时, 混凝土处于持续收缩状态, 但在56d 以后收缩值逐渐减小, 并趋于稳定, 150d 干缩率在100～300 微应变之间。掺量为35%的混凝土在水化初期微有收缩,逐渐转为微膨胀, 150d 的膨胀率达到100 微应变左右。而当掺量达到45%时, 混凝土膨胀率显著增大, 150d 膨胀率接近2400 微应变, 仍然没有趋于稳定的迹象(图中因坐标范围所限未显示90d 以后的膨胀状况)。因此, 即使在干燥环境中, 较低的水胶比条件下, 高钙灰中的游离CaO 仍然能够逐渐水化。当掺量适当时, 掺加高钙灰可以补偿混凝土的干燥收缩, 降低开裂风险。因此, 高钙灰的适宜掺量需要根据高钙灰的品质和混凝土配合比情况。
4.3 安定性检测
按混凝土中水泥和粉煤灰的比例, 称取水泥和粉煤灰共500.0g, 依据水泥标准稠度检测方法测出混合料的标稠, 再进行混合料的安定性试验, 结果见表5。
粉煤灰中总CaO 含量14.64% , 但其中f -CaO 含量远低于此值, Ⅰ 级灰f - CaO 含量为1.98% , Ⅱ级灰f- Ca0 含量为3.20% , Ⅰ、Ⅱ级灰均无安定性不良。Ⅰ级灰掺量从10%~30 %, 膨胀增加值均比基准水泥膨胀增加值小, 且随掺灰量增加逐渐减小。其原因是Ⅰ级灰f- CaO 含量较小, 颗粒较细, 有利于改善水泥的级配, 引起的破坏膨胀比较微弱。且Ⅰ 级灰活性高, 对水泥中的f- CaO有一定的吸收作用, 能抑制一定的膨胀。Ⅱ级灰掺量从10%～30%膨胀增加值与基准水泥相当。可能是Ⅱ级灰颗粒较粗、f- Ca0 含量较高引起的膨胀相对集中、容易显现的负作用和Ⅱ级灰对f- CaO 吸收的正作用相抵消。但随着Ⅱ级灰掺量增加其负作用的影响将会加大, 故应限制其掺量。不管Ⅰ级灰还是Ⅱ级灰, 其中死烧游离氧化钙含量仅为总f-CaO 的一小部分, 因而危害程度甚微。两种灰的三氧化硫含量均小于3%, 不会产生不良影响。
4.4 活性检测
称取胶凝材料450g, 用高钙灰与普通Ⅰ级灰分别等量取代30% 水泥, 保持水胶比0.5 不变, 做胶砂强度检测及砂浆流动度检测, 结果列于表6。由表6 可知, C 组无论3d 还是28d 强度均高于B, D 组, D 组强度也高于B 组, 说明高钙灰的火山灰活性均高于普通灰, 且随着细度提高火山灰活性更明显。但由于B、C、D 组均是等量取代水泥, 故B、C、D 组强度均低于A 组。若超量取代, 其28d 强度有望超过A 组。在流动度方面, C>B>D>A, 说明
高钙灰本身具有需水量小的特点, 有利于提高混凝土的工作性。
所以, 由于高钙灰活性一般大于普通灰, 使用时应首先考虑其安定性, 加强安定性检测, 并限制其掺量。高钙灰的细度不仅影响活性, 还对安定性有较大的影响, 应严格控制。
5 结论
综上所述高钙粉煤灰是一种有效的再生资源,粉煤灰的成分和表面特性赋予其一定的活性。在水泥基复合材料中产生的粉煤灰效应, 改变了混凝土的微观结构, 使其具有新的技术性能, 能广泛地应用在各类工程中。目前粉煤灰应用技术基础研究体系还很不完善, 理论研究还需要大的突破(如:怎样准确测试和评价粉煤灰形态, 如何定量地解释粉煤灰掺入与其它成分发生的组合、叠加效应的影响等等), 这些都制约着粉煤灰的推广应用, 影响着相关行业的可持续发展, 有待于从事粉煤灰资源开发利用的专家、学者、技术人员不懈地研究与探索, 使粉煤灰的应用技术更加成熟。
