粉煤灰混凝土的技术性能及经济分析

摘　要:表述了粉煤灰的组成和性能,以及掺粉煤灰对混凝土的和易性、强度、绝热温升、干缩变形、耐久性及钢筋锈蚀性能等的影响,并分析了粉煤灰混凝土的经济性。

关键词:粉煤灰; 混凝土技术性能; 经济性

中图分类号: TU528. 2 文献标识码: A

　　随着建筑业的飞速发展,粉煤灰混凝土是在现代混凝土技术的新潮流中发展起来的一种经济的改性的混凝土。特别是掺粉煤灰的泵送混凝土更是受到广泛的关注。应用粉煤灰的活性不仅可以减少水泥用量,降低混凝土的生产成本,显著地改善混凝土的工作性能,使其具有良好的工作性,同时消除环境污染,减少能源消耗等方面有着非常重要的经济意义和社会意义。

　　用优质的粉煤灰等量或超量取代水泥,一方面可以降低企业的生产成本,另一方面可以改善混凝土的工作性、耐久性。其工作机理主要表现在:

　　(1)粉煤灰是由大小不等的球状玻璃体组成,表面光滑致密,加入混凝土中可以起到圆球的作用,新拌制混凝土中水泥颗粒容易积聚成团,粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒,使水泥水化更充分,释放出更多的水泥浆体来润滑骨料,这就是我们常说的粉煤灰微粒的“滚珠轴承”和“解絮”扩散行为。如果同时加入高效减水剂,可使混凝土的水灰比降到更低,能减少其泌水和离析,提高水泥浆的密实度,使混凝土具有良好的保水性和工作性,有利于泵送施工。

　　(2)火山灰混合效应,粉煤灰颗粒与水泥中的Ca (OH) 2 反应,使粉煤灰颗粒与水泥浆体的界面胶合,对水泥浆体和骨料的界面起致密作用,同时能消除大量的化学性质不稳定的Ca (OH) 2 ,能有效地提高混凝土的密实度和耐久性。

　　(1)水泥: 采用万年青普通硅酸盐水泥( 42. 5级) ,其物理力学性能如表1所示。

表1　水泥物理力学性能

　　( 2 ) 砂: 江西贵溪信江中砂,细度模数μf =2. 68,属II区级配,见表2。

表2　普通混凝土用砂颗粒级配

　　
　　(3)石子:江西贵溪信江5～40mm连续级配卵石,见表3。

表3　普通混凝土用卵石颗粒级配

　　(4)粉煤灰:江西贵溪电厂II级粉煤灰。用扫描电镜观察表明,粉煤灰是由多种不同性状的颗粒机械混合的粒群,从形貌上可将粉煤灰中的颗粒大致分为:珠状颗粒;渣状颗粒;碎屑;粘聚颗粒等四种颗粒。其中80%以上的是玻璃微珠和多孔玻璃体。其化学成份和物理性能如表4,表5所示。

　　(1)普通混凝土配合比设计规程JGJ55 - 2000;

　　(2)粉煤灰混凝土应用技术规程GBJ146 - 90;

　　(3 ) 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥GB175 -1999;

　　(4)水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法GB /T17671 - 1999;

　　(5 ) 水泥细度检验方法( 80μm 筛分析法)GB1345 - 91;

　　(6)普通混凝土用砂质量标准及检验方法JGJ52 - 92;
　　(7)普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法JGJ53 - 92;

　　(8)普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB /T50080 - 2002;

　　(9)普通混凝土力学性能试验方法标准GB /T50081 - 2002;

　　(10)普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法GBJ82 - 85;

　　(11)混凝土外加剂GB8076 - 1997。

5. 1　粉煤灰混凝土拌合物的和易性和强度

　　试验时基准混凝土按C50进行配合比设计,混凝土拌合物的坍落度控制在10～30mm;单掺FDN高效减水剂混凝土的配合比与基准混凝土相同;双掺FDN高效减水剂和粉煤灰混凝土配合比采用超量取代法,用水量与基准混凝土相同,粉煤灰取代水泥率为25% ,超量系数为1. 2 。试验结果如表7所示。

表7　混凝土配合比及试验结果

　　由表7中可以看出, 双掺FDN高效减水剂和粉煤灰混凝土的坍落度比单掺FDN高效减水剂混凝土的坍落度增大25mm, 坍落度经时损失要少得多, 这说明粉煤灰对混凝土拌合物具有一定的塑化作用, 显著降低拌合物的屈服剪切应力, 并能有效地减少混凝土拌合物坍落度的经时损失, 这对于远距离运送的混凝土保持可泵性具有良好的作用。对强度而言, 由于粉煤灰的活性比水泥低, 所以掺粉煤灰的混凝土在28d内强度有所降低, 但28d后粉煤灰活性会逐渐得到发挥, 其60d强度超过基准混凝土和单掺FDN高效减水剂混凝土, 说明粉煤灰具有潜在的后期增强能力。

5. 2　混凝土的绝热温升

　　试验时采用600 ×600 (mm)组合钢模板,内衬50mm厚聚苯乙烯泡沫塑料(导热系数λ = 0. 041W /m·K) ,两种配合比的混凝土入模温度为19℃,向模中浇注混凝土时安装热电偶,人工插捣密实后,表面覆盖50mm厚聚苯乙烯泡沫塑料,并用蜡密封,然后分别测定1d、3d和7d的绝热温升,其测定结果如表8所示。从表8中的测定结果可以看出,在混凝土中掺加25%粉煤灰后, 1～3d的绝热温升要比混凝土(序号1)低7℃左右,说明粉煤灰对于降低水泥的水化热温升是有效的。

表8　混凝土绝热温升试验结果

5. 3　粉煤灰混凝土的干缩变形

　　国外的系统测试资料表明, 粉煤灰混凝土的塑性收缩和硬化早期收缩都比基准混凝土的略小, 其极限收缩值约为540 ×10- 6 ～720 ×10- 6 , 也低于基准混凝土。英国在实际工程中对粉煤灰混凝土干缩性的长期测定发现, 截面很薄的粉煤灰混凝土构件, 早期的干缩率比普通混凝土为低, 2年后的收缩值与普通混凝土相似, 混凝土的抗裂性主要取决于混凝土早期的干缩值大小, 所以, 在混凝土中掺加一定数量的粉煤灰能提高混凝土的抗裂度。

5. 4　粉煤灰混凝土的耐久性

　　在粉煤灰混凝土硬化过程中,粉煤灰能有效地减少混凝土内部温升和硬化初期的收缩,从而有利于混凝土内部结构的形成。粉煤灰的活性效应和微骨料效应使化学性质不稳定的Ca (OH) 2 形成水硬性的胶凝物质,既能“细化”孔隙和堵塞毛细孔通道,又能提高混凝土抗拉应变能力,使粉煤灰对混凝土具有明显的“免疫效应”。许多研究资料表明,粉煤灰的效应充分发挥以后,粉煤灰混凝土强度会在后期较大提高,而耐久性则会成倍提高。由于混凝土的渗透性与其耐久性之间存在密切的关系,国内的有关资料显示:大幅度提高混凝土的抗渗性是改善其耐久性的关键,所以我们通过测定混凝土的抗渗性来评价粉煤灰对混凝土耐久性的影响。试验结果如表9所示。

表9　粉煤灰对混凝土抗渗性的影响

5. 5　钢筋锈蚀性能

　　掺加粉煤灰混凝土的钢筋锈蚀问题,根据有关国家资料表明,采用硅酸盐水泥掺入一定量的粉煤灰后,其pH值保持在11. 8以上,均不会使钢筋的钝化膜遭到破坏。我们作了大量的试验,结果见表10,表中数据表明,掺加不同的粉煤灰后, pH值均在11. 8以上,而且变化幅度不大。

表10　不同掺量粉煤灰混凝土的碱浓度

　　我们又将钢筋埋入不同掺量粉煤灰混凝土内,以高浓度CO2 气体(浓度为60%～70% )强制碳化,并使碳化层超过钢筋混凝土的保护层,直至钢筋四周,比较不同掺量粉煤灰对钢筋的锈蚀情况,试验结果见表11。

　　从表11数据可以看出,采用不同的粉煤灰掺量,经过钢筋实测的锈蚀性能试验结果表明,在掺与不掺粉煤灰混凝土强度相等时,钢筋的重量损失值和钢筋的锈蚀面积百分率平均比基准混凝土的实测值小。

　　(1)能节约15% ～35%的水泥,从而减少大量能源消耗。

　　(2) 现今已不再认为砂、石是取之不尽, 用之不竭的资源, 用超量取代法配制混凝土可节约用砂10%～15% , 这对于减少不可再生资源的消耗,维持生态平衡和国民经济可持续发展具有重要的现实意义。

　　(3) 粉煤灰的产量巨大, 仅贵溪电厂粉煤灰的年产量就可达20万t, 造成环境的巨大污染, 并制约电厂的发展。由于目前混凝土的生产量巨大,如果能合理地利用粉煤灰, 那么由此能消耗大量的粉煤灰, 这对于保证能源工业的可持续发展具有非常重要作用。

　　(1)粉煤灰是一种能造成环境重大污染的工业废渣,但是它更是一种具有潜在技术经济性的资源;

　　(2)在混凝土中掺加粉煤灰具有良好的技术经济效益和社会效益;

　　(3)用优质的粉煤灰等量或超量取代水泥,还有许多未知领域没有涉及,比如ISO新标准水泥掺粉煤灰的泵送混凝土水胶(灰)比与混凝土强度之间的关系,还有待于我们通过大量的试验工作进行探讨。

 

Techn ica l Performance of Coa l Powder Concrete and its Econom ic Ana lysis

L IMe i - qun(China N o. 15 M etallurgical Construction Com pany, Huangshi, Hubei 435000, China)

Abstract: This article describes the composition and performance of coal powder, the impacts of coal powder to amiability,strength, absolute temperature rise, shrink and deformation, duration of concrete and anti - erosion of reinforcing steel bars. Analysison economics of coal powder concrete is conducted.

Key words: Coal powder; concrete’d technical performance; economics