粉煤灰在混凝土中及研究综述.doc

粉煤灰在混凝土中的研究综述一、引言早在2000多年前的古罗马时期，人类就用火山灰与石灰混合作为胶凝材料，建造了许多雄伟的建筑物，例如万神殿，其直径为44m的半球形穹顶就使用了12000吨这种胶凝材料和凝灰岩轻骨料拌合而成的混凝土；还有闻名于世的圆形剧场等，这些建筑现在仍然安然无恙，2000年还有报道意大利人正在翻修圆形剧场，准备在那里面举行盛大的演出。今天在混凝土中掺用的粉煤灰，也是一种火山灰材料，大量的实践证明：掺用粉煤灰的混凝土，其长期性能得到大幅度的改善，对延长结构物的使用寿命有重要意义。二、粉煤灰的有关信息粉煤灰是从煤粉炉排出的烟气中收集到的细颗粒粉末，是工业“三废”之一，目前，我国年排放粉煤灰约11000万吨，利用率为42%，主要应用在建材、建工、筑路、回填方面。随着工业的发展，粉煤灰排放量将逐年增加，合理地推广和应用粉煤灰不仅能节约土地和能源，而且能保护和治理环境。粉煤灰作为一种人工 火山灰质材料，在混凝土中作为掺和料，可以改善性能，节约水泥，提高工程质量和降低成本，为了更好地应用粉煤灰混凝土，现将粉煤灰混凝土的性能及应用试验研究成果综述如下。三、 粉煤灰在混凝土中产生的效应（一）和易性效应。混凝土和易性主要受浆体的体积、水灰比、配合比设计、骨料的级配、形状、孔隙率等因素影响，其中粉煤灰是影响混凝土和易性的重要因素。由于粉煤灰在混凝土中特性之一是增大浆体的体积（相同质量粉煤灰的体积要比水泥约大30%）。如果我们在混凝土中较好的利用粉煤灰特性，用粉煤灰取代等重量的水泥（根据强度要求按重量比大于1：1用粉煤灰取代水泥时，又称超量取代），多加的粉煤灰增大了细屑含量，因此增大了浆体-骨料比。大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。粉煤灰的骨料颗粒可以减少浆体-骨料间的界面磨擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善了混凝土的和易性。（二）泌水效应。粉煤灰的掺入可以补偿细骨料中的细屑不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性。同时，粉煤灰作为水泥的取代材料在同样的稠度下，会使混凝土的用水量有不同程度的降低。因而，掺用粉煤灰对防止混凝土的泌水是有利的。（三）拌和物引气作用效应。混凝土的空气含量一般在以内，与水泥的细度、骨料形状、级配以及震捣密实的程度等有关。当混凝土中掺入粉煤灰时，由于细屑组分的影响会使混凝土的空气含量减少左右。对烧失量超过的粉煤灰，由于碳颗粒在冷却过程中变成了封闭的玻璃态，因而防止了对引气剂的吸附，保持了混凝土拌和物的原有含气量。（四）凝结时间效应。掺粉煤灰的混凝土虽然初凝、终凝一般都能满足规范要求，但由于受其掺量、细度、化学成分等因素影响，混凝土会出现凝结时间延长，导致出现缓凝现象。然而，与水泥性能、用水量、环境温度、湿度等因素相比，粉煤灰对混凝土凝结时间的影响是极小的。（五）抗压强度效应。混凝土的抗压强度主要取决于水灰比，对掺与不掺粉煤灰的混凝土，如果二者的早期强度相同，则粉煤灰混凝土的后期强度将高于不掺的，粉煤灰对混凝土有三重影响：减少用水量、增大胶结料含量和通过长期火山灰反应提高强度。当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要决定于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与混凝土的水泥浆体中的Ca(OH)2作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙。一些研究认为：粉煤灰在混凝土中，当Ca(OH)2薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时，就开始发生火山灰效应。但由于在Ca(OH)2薄膜与粉煤灰颗粒之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性成分反应，反应产物在层内逐渐聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大增长。随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，这就是掺粉煤灰的混凝土早龄期强度较低，后龄期强度增长较多的主要原因。（六）水化热效应。混凝土中水泥的水化反应是放热反应。在混凝土中掺入粉煤灰可以降低水化热，原因是减少了水泥的用量。水化放热的多少和速度取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量。由于近年来大型、超大型混凝土结构的建造，构件断面尺寸相应增大；混凝土设计强度等级提高，使所用水泥等级提高，单位用量增大；又由于实行水泥新标准后，使早强矿物硅酸三钙含量提高，粉磨细度加大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化过程温升明显加剧，温峰升高。在达到温峰后的降温期间，混凝土产生温度收缩（也称热收缩）引起弹性拉应力；另一方面混凝土的水灰比（水胶比）降低，早期水化加快，混凝土的弹性模量随强度提高而增大，进一步加剧弹性拉应力增长。这是导致近些年来许多结构物在施工期间，模板刚拆除时就发现大量裂缝的原因。这种硬化混凝土早期出现的裂缝往往深而长，为了防止可见裂缝的出现，通常采取外包保温的方法，以减少内外温差，因而被认为是有效措施得到迅速推广。但却忽略了，由于外保温阻碍了混凝土水化热的散发，进一步加剧体内的温升，使混凝土体内温度继续升高，水泥水化加速，早期强度发展更加迅速，因此也更容易出现裂缝，只是由于钢筋的约束和对应力的分散作用，使少量宽而长的可见裂缝转化为大量分散的不可见裂缝，它们将为侵蚀性介质提供通道，影响结构的使用功能。与纯水泥混凝土一样，掺粉煤灰的混凝土由于水泥的水化随本体温度升高而加快，强度发展也因此加快。这使得粉煤灰混凝土，包括大掺量粉煤灰混凝土的强度发展在低水胶比的条件下，很快通过最初的缓慢凝结与硬化期，强度的发展迅速加快。有研究资料表明掺适当比例的粉煤灰后，不仅温升可以降低，使混凝土因温度收缩和开裂的危险减少，同时由于温升相同，其抗压强度在3d之前就超过了不掺粉煤灰类混凝土。（七）冻融耐久性效应。当粉煤灰质量较差、粗颗粒多、含碳量高时，都会对混凝土抗冻融性有不利影响。质量差的粉煤灰随掺量的增加，其抗冻融耐久性剧烈降低。但当掺用质量较好的粉煤灰同时适当降低水灰比，则可以收到改善抗冻融耐久性的效果。试验资料表明，掺粉煤灰的混凝土水灰比在0.50以下，粉煤灰掺量在30%以内，混凝土抗冻融耐久性降低较少。此外，掺粉煤灰的混凝土只要抗压强度与含气量与不掺粉煤灰的混凝土相同，即在等强度、等含气量条件下，掺粉煤灰混凝土与不掺粉煤灰混凝土具有相等的抗冻融耐久性。关键在于混凝土引气后硬化混凝土中存在均匀分布的微气孔，这些微气孔在混凝土受冻时可容纳水结冰时所增大的部分体积。使混凝土免于因冰胀作用而破坏。（八）炭化和钢筋阻锈效应。通过长期研究和工程实践，尤其是近年来的工程调研资料表明，防止掺粉煤灰混凝土炭化，首要因素是确保粉煤灰混凝土的密实度。密实度差的不掺粉煤灰的混凝土同样有碳化问题。研究和调查结果表明，当用矿渣水泥掺15%粉煤灰，普通水泥掺20%粉煤灰，硅酸盐水泥掺25%粉煤灰时，采用超量取代法设计混凝土配合比，满足等稠度和等强度的要求时，掺粉煤灰的混凝土抗碳化性能、钢筋锈蚀性能与不掺粉煤灰混凝土相比均明显增大。过去曾有人提出，粉煤灰含硫是否会使粉煤灰混凝土中的钢筋锈蚀加重问题，国内外一些学者认为：1、只要混凝土里面的石灰不被溶出，保持碱性环境，钢筋周围就能保持一层氢氧化铁保护膜，阻止与氧气渗入到钢筋表面，保护钢筋不致锈蚀。混凝土中掺用的粉煤灰实质上没有改变这种碱性环境。2、混凝土中掺用的粉煤灰，因产生火山灰-石灰反应而提高了混凝土的抗渗性。火山灰凝胶还可以减少混凝土中的石灰溶出量。（九）粉煤灰与碱-骨料反应产生的效应。碱-骨料反应是骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应生水化硅酸钙凝胶体，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。当向混凝土中掺入粉煤灰后，粉煤灰和水泥中的碱反应，能够防止这种过度的膨胀。可见，粉煤灰对抑制混凝土中的碱-骨料反应是有利的。四、 大掺量粉煤灰混凝土的概述（一） 大掺量粉煤灰混凝土定义将粉煤灰看着一个独立组分，而不是水泥的替代品，以工程设计与施工及环境的要求为基准，而不是以不掺粉煤灰的混凝土为基准，进行混凝土设计、生产、浇筑和养护。（二）、 粉煤灰在混凝土中的适用环境和作用1、水胶比：当采用合适的材料与良好的水胶比时。以水泥用量为300-350kg/m3，水灰比0.45-0.55范围，可以制备出28天抗压强度为35-40MPa ( 即目前最常用的C30级)，在大多数环境条件下呈现足够低的渗透性和良好耐久性的混凝土。如果胶凝材料再少、W/C再大，则会出现孔隙率大、抗渗性不良等问题。2、温度：掺有大量粉煤灰的混凝土，不仅温度收缩因温度升降可以明显减小，而且粉煤灰的初期水化缓慢，可以使低水胶比混凝土开始硬化时的实际水灰比增大，使水泥以及膨胀剂具有良好的水化环境。同时，与纯水泥混凝土一样，掺粉煤灰的混凝土由于水泥的水化随本体温度的升高而加快，因此强度发展也要加快。大掺量粉煤灰混凝土的强度发展在低水胶比的条件下，很快通过最初的缓慢凝结与硬化期，强度的发展迅速加快。试验表明：与实际结构物浇筑的硅酸盐水泥混凝土相比，掺30%粉煤灰后，不仅温升可以降低近10度，使温度收缩和开裂的危险减小，同时由于温升的作用，其抗压强度在3天前早已超过了硅酸盐水泥混凝土。3、湿度：与普通水泥混凝土不同，掺粉煤灰混凝土，尤其是大掺量粉煤灰混凝土的水灰比足够大，即混凝土体内有充足的水分供水泥与粉煤灰水化，所以对这种混凝土的养护，需要有别于普通混凝土：不要湿养护，尤其不要早期浇水或浸水，否则会使表层混凝土的水灰比增大，对强度和抗渗透、耐磨耗等性能带来十分不利的影响。大掺量粉煤灰混凝土需要在浇捣后及时覆盖，避免其因水化较缓慢，向外界蒸发水分的时间较长、蒸发量也大，造成表面疏松、强度和抗渗透性下降。 4、 稠度：粉煤灰混凝土，尤其是大掺量粉煤灰混凝土的外观十分粘稠，使其在运输和浇筑过程不易离析，对改善均匀性有明显好处。由于粉煤灰的滚珠效应，掺粉煤灰混凝土有较大的有效振捣半径，易于振捣密实。通过以上分析得出：较低的水胶比、较高的温度，以及及时地覆盖而不是湿养护，是粉煤灰在混凝土中的适用环境。要获得这样的环境，必须采用大掺量粉煤灰混凝土。大掺量粉煤灰混凝土的抗裂性能优异无可怀疑，但现行规范的掺量限制不利于发挥粉煤灰的作用。（三）、 现行规范掺量的限制一定范围里，是混凝土的水胶比，而不是粉煤灰的掺量决定使用效果。目前许多规范中规定的钢筋混凝土中粉煤灰掺量限制(例如25%以内)，对配制中低强度的混凝土来说，恰恰是最不利于发挥粉煤灰作用的粉煤灰范围。因为粉煤灰水化缓慢，生成物少，粉煤灰混凝土适宜的水胶比在0.4以下；普通混凝土常用的0.5左右水灰比条件下掺10-20%粉煤灰，即使同时掺有高效减水剂，一般水胶比仍需维持在0.4以上。但是如果继续增大粉煤灰掺量，由于粉煤灰表观密度约只有水泥的2/3，拌合物浆体含量的增大就可以产生降低水胶比的作用。（四）、 大掺量粉煤灰混凝土的局限性1、煤灰-水泥-化学外加剂的相容性，表现为混凝土水胶比能否有效地降低，一般说来，当水胶比只能在0.4以上时，在中等强度混凝土中使用的效果就可能成问题；2、大掺量粉煤灰混凝土的水泥用量少，由于起激发作用的氢氧化钙含量减少，使粉煤灰的水化条件劣化，所以在不同条件下存在一最佳粉煤灰掺量，并非越大越好；3、掺粉煤灰混凝土比普通混凝土对温度更为敏感，在气温较低时制备的掺粉煤灰混凝土，强度发展较为缓慢。（五） 、 使用大掺量粉煤灰混凝土注意问题1、配制混凝土的骨料级配良好，以减小空隙率，利于水胶比降低，保证使用效果；2、必须采用强制式搅拌机拌合大掺量粉煤灰混凝土；3、混凝土浇筑后，要及时喷洒养护剂或覆盖外露表面，但无需喷雾或浇水养护； 4、气温过低时，要采用保温养护措施，使混凝土硬化和强度发展满足施工要求。 五、 粉煤灰在混凝土中的可持续发展混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料，据统计，每年全世界的耗用量接近100亿吨。如此巨大的用量，伴随着生产、使用过程带来矿石资源、能源的消耗，以及对大气和环境造成的污染，引起全世界业内人士的关注。 我国的水泥产量多年来居世界首位，占三分之一以上。同时我国粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于发展基础设施建设的需要，有关部门仍在计划投资建设更多的水泥厂