摘 要: 采用摻入粉煤灰超量取代水泥, 可提高混凝土的和易性、減少離析、用水量、發(fā)熱和滲透, 抑制堿集料反應(yīng)和提高抗硫酸鹽腐蝕的能力, 在高等級(jí)水泥混凝土路面應(yīng)用中具有一定前景。

關(guān)鍵詞:粉煤灰 混凝土路面 性能

中圖分類號(hào):TU201.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào):1673-0534(2007)12(a)-0045-02

　　在高等級(jí)路面混凝土路面內(nèi)加入粉煤灰,因粉煤灰效應(yīng)在混凝土中的影響,一方面可改善混凝土的施工性能,減少收縮,防止裂縫,提高均勻密實(shí)性、抗折強(qiáng)度和中、后期強(qiáng)度,并有利于提高路面耐磨性;另一方面既可防止混凝土出現(xiàn)堿- 骨料反應(yīng)和硫酸鹽破壞作用,又可阻止許多可能引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞的潛在物質(zhì)的滲透。本文對(duì)摻粉煤灰高等級(jí)混凝土路面技術(shù)進(jìn)行了粗淺的探討。

1 粉煤灰在混凝土中的效應(yīng)和作用

　　粉煤灰是火電廠燃燒鍋爐排出的煙道灰,通常粉煤灰的細(xì)度比水泥還細(xì),主要成分為玻璃質(zhì)狀的圓顆粒、赤鐵礦和磁鐵礦礦渣、碳和一些冷卻時(shí)形成的結(jié)晶體。在美國(guó),混凝土中使用粉煤灰始于30 年代初期,1937 年,加利福尼亞州大學(xué)戴維斯首次全面地研究了在混凝土中使用粉煤灰的問題。1948 年,在混凝土中使用粉煤灰的主要突破性標(biāo)志是使用了120000t 粉煤灰建造的匈牙利赫爾斯大壩。美國(guó)再生材料利用局關(guān)于混凝土中使用粉煤灰的決定為粉煤灰在混凝土施工中的應(yīng)用鋪平了道路。

1.1 粉煤灰的化學(xué)成分與技術(shù)指標(biāo)

　　粉煤灰的化學(xué)成分與煤的品種和燃燒條件有關(guān),一級(jí)燃燒煙煤和無(wú)煙煤鍋爐排除的粉煤灰,其SiO₂ 含量為45%～60%、AL₂O₃ 含量為20%～35%、Fe₂O₃ 含量為5%～10%、CaO含量約為5% 左右、燒失量約為5%～30%,但多數(shù)不大于15%,化學(xué)成分中硅、鋁和鐵的氧化物的含量是評(píng)定粉煤灰在混凝土中應(yīng)用的主要指標(biāo),通常三者之和可達(dá)75% 以上。

　　根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB164-90)規(guī)定,拌制混凝土作為摻合料的粉煤灰,按細(xì)度、需水量比、燒失量、SO₃ 含量四項(xiàng)指標(biāo)可分為三個(gè)等級(jí),如表1 所示。對(duì)于鋼筋混凝土和設(shè)計(jì)強(qiáng)度大于C30及以上的無(wú)筋混凝土,宜采用Ⅰ、Ⅱ類粉煤灰。

1.2 粉煤灰效應(yīng)

　　灰摻入混凝土后,會(huì)對(duì)混凝土的一些性能和特點(diǎn)發(fā)生影響,這就是粉煤灰效應(yīng)。一般粉煤灰效應(yīng)包括形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)三個(gè)基本方面。

1.2.1 形態(tài)效應(yīng)

　　所謂形態(tài)效應(yīng),泛指各種應(yīng)用于混凝土中的礦物質(zhì)粉料,由其顆粒的外觀形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、顆粒級(jí)配等物理性狀態(tài)所產(chǎn)生的效應(yīng)。由于粉煤灰中大量微粒的作用, 不僅降低混凝土的需水量,改善混凝土的初始結(jié)構(gòu),還能促使或幫助混凝土中水泥顆粒均勻分散,擴(kuò)大了水泥的水化空間和水化產(chǎn)物的生成

場(chǎng)所, 從而促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)。

1.2.2 活性效應(yīng)

　　粉煤灰火山灰活性是指粉煤灰所含硅酸鹽或硅鋁質(zhì)玻璃體的微細(xì)顆粒在常溫和有水條件下與Ca(OH)2 發(fā)生活性反應(yīng)并生成具有膠凝性水化物的能力。其活性效應(yīng)就是指的這種粉煤灰活性成分所產(chǎn)生的效應(yīng)。在粉煤灰玻璃體微粒表層生成的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物,與水泥水化物類似,這種水化產(chǎn)物交叉連接,對(duì)促進(jìn)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)(尤其是抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng))起了主要的作用。

[Page]1.2.3 微集料效應(yīng)

　　粉煤灰的微集料效應(yīng)是指粉煤灰顆粒均勻分布于水泥漿體的基相之中,就像微細(xì)的集料一樣。對(duì)粉煤灰顆粒和水泥凈漿間及水泥緊密處的顯微研究證明, 隨著水化反應(yīng)的進(jìn)展,粉煤灰和水泥漿體的界面接觸越趨緊密。在界面上形成的粉煤灰水化凝膠。粉煤灰微

粒在水泥漿體中分散狀態(tài)良好,有助于新拌混凝土的硬化和均勻性的改善,也有助于混凝土中孔隙和毛細(xì)孔的填充,對(duì)混凝土的耐久性也十分有利。粉煤灰上述三種基本效應(yīng)是互相聯(lián)系和互相影響的,粉煤灰效應(yīng)則是在一定條件下三種基本基本效應(yīng)共同作用的總和。

1.3 粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響

　　首先選定混凝土的原材料:水泥采用525號(hào)普通硅酸鹽水泥; 砂為中砂; 碎石為1 5 ～25mm、25～30mm;粉煤灰采用磨細(xì)粉煤灰,為II級(jí)灰?；炷林袚饺敕勖夯业呐浜媳仍O(shè)計(jì)方法,按國(guó)標(biāo)(GB146-90)規(guī)定,可以采用:等量取代法、超量取代法及外加法等。但是目前多采用超量取代法。

　　1.3.1 新拌混凝土的和易性

　　與不含粉煤灰的混凝土相比,使用粉煤灰可提高膠結(jié)材料(水泥+ 粉煤灰)的絕對(duì)體積,從而增加了水泥漿體積,造成寂寥顆粒之間的摩擦力的降低和混凝土和易性的提高。選用525 號(hào)普通硅酸鹽水泥拌制混凝土,水灰比為0.28,測(cè)定混凝土的塌落度值變化情況,從表2 中可以看出:1 號(hào)未摻粉煤灰的基準(zhǔn)混凝土,僅摻高效減水劑,用水量175kg/m3。塌落度能達(dá)到22.5cm。2、3、4 號(hào)混凝土在摻加高效減水劑的同時(shí),又分別摻加了10%、15% 及20% 的粉煤灰等量取代水泥,此時(shí)混凝土的用水量減為155kg/m3,混凝土的塌落度分別為20.1cm、22.2cm 及22.8cm。塌落度均在20cm 以上,可見,粉煤灰可以有效地改善混凝土的和易性。

　　1.3.2 減水作用

　　在加氣的和未加氣的混凝土混合料中加入粉煤灰，通常可減少混凝土的需水量，原因是在于細(xì)料體積增大，特定和易性所需汗水量降低。雖然細(xì)料增加通常會(huì)提高用水的需求，但是粉煤灰圓形顆粒吸附于水泥顆粒表面，能起滾珠軸承的作用，降低了顆粒之間的摩擦，減弱了用水的需求。在同等塌落度條件下，粉煤灰含量相對(duì)較高的混凝土比不含粉煤灰的混凝土所需的用水量小。

　　1.3.3 凝結(jié)時(shí)間

　　混凝土具備正常的凝結(jié)時(shí)間是很重要的,本次用525號(hào)普通硅酸鹽水泥拌制混凝土,灰砂比為1:1.02,水灰比為0.24,水泥等量取代20%的粉煤灰混凝土的凝結(jié)時(shí)間測(cè)定結(jié)果見圖1。

　　從圖上可看出混凝土的凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),混凝土的初凝時(shí)間可達(dá)12h,終凝時(shí)間約為15 h(室溫17℃),粉煤灰可增加混凝土的凝結(jié)時(shí)間。

　　1.3.4 硬化混凝土的強(qiáng)度和強(qiáng)度增加速率在粉煤灰超量取代法中,水泥取代率β_c與σ_c超量系數(shù)是兩個(gè)不定的因素, 水泥取代率β_c,決定粉煤灰取代水泥的量,超量系數(shù)σ_c決定粉煤灰摻入量的多少以及替代部分用砂量的多少,其原理就是把粉煤灰看成是低標(biāo)號(hào)水泥,替代部分水泥后,強(qiáng)度的下降值由超量粉煤灰替代部分惰性的砂從而使強(qiáng)度增值相平衡。

　　首先把超量系數(shù)σ_c固定為1.5,通過變動(dòng)水泥取代率β_c ( 為0% 、1 0 %、1 5 %、20%)。來(lái)觀察β_c對(duì)抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的影響。從表3 中可以看出粉煤灰在β_c≥ 15% 時(shí),早期強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土高,當(dāng)β_c＞ 15% 以后,強(qiáng)度明顯降低;后期強(qiáng)度隨β_c增大而下降;抗折強(qiáng)度隨β_c增大上升極為顯著, 這說(shuō)明加大粉煤灰摻量,對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度有明顯提高。

　　把水泥取代率β_c固定為15%,通過變動(dòng)超量系數(shù)σ_c (分別為1.0、1.5、2.0),觀察一下對(duì)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響, 當(dāng)固定β_c=15%,σ_c的增大意味著粉煤灰摻量增大,用砂量的減少。從表4 中可以看出,在1.0～2.0范圍內(nèi),3d早期抗壓強(qiáng)度在基準(zhǔn)混凝土以下;隨粉煤灰摻量增大,28d 抗壓強(qiáng)度反應(yīng)效果突出;28d 抗折強(qiáng)度在σ_c =1.0～2.0 范圍內(nèi),也超過了基準(zhǔn)混凝土,且σ_c =1.5 時(shí)尤為突出。這說(shuō)明粉煤灰的填充,致密作用及活性反應(yīng)均在混凝土中起了益化作用,其中強(qiáng)度效應(yīng)比較突出的水泥取代率,超量系數(shù)的路面粉煤灰混凝土。

　　1.3.5 硬化混凝土凍融耐久性

　　當(dāng)大部分水泥用粉煤灰替換時(shí),會(huì)影響混凝土空隙體系的形成,對(duì)混凝土的耐凍性具有不良影響。要提高混凝土的抵抗凍融循環(huán)和化雪防凍侵蝕的能力,在粉煤灰混凝土中要保證有足夠的小型氣泡均勻地散布在水泥中,通常需要增加加氣劑的用量, 以保持含氣量不變。加氣劑用量大小取決于粉煤灰中碳的含量、燒失量、細(xì)度和有機(jī)物含量, 其中碳的含量起決定性因素

[Page]　　1.3.6 硬化混凝土堿- 硅反應(yīng)

　　在公路施工中,推廣應(yīng)用粉煤灰的一個(gè)重要原因是為了抑制堿- 硅反應(yīng)造成的膨脹。據(jù)研究發(fā)現(xiàn):①水泥中釋放的堿首先與粉煤灰中的硅產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),而不是與集料中的硅發(fā)生反應(yīng);②堿處在非膨脹鈣- 堿- 硅凝膠中。因而,溶液中剩余的氫氧根離子不足以與活性集料中較大顆粒的內(nèi)部材料發(fā)生反應(yīng),無(wú)法產(chǎn)生分裂的滲透力。

　　1.3.7 粉煤灰混凝土的耐磨性

　　粉煤灰混凝土的耐磨性給人們的印象不佳,其實(shí)從許多試驗(yàn)資料粉煤灰混凝土耐磨性均大于基準(zhǔn)混凝土,其原因是一方面摻入粉煤灰有利于膠凝物質(zhì)對(duì)集料粘結(jié)性的提高;另一方面,粉煤灰玻璃微珠本身強(qiáng)度很高,即使在碾磨時(shí),都碾不碎,很難磨細(xì),替代了部分砂石后,反而提高了混凝土成品的整體耐磨性。

2 應(yīng)用效果

2.1 路面性能

　　有資料顯示,在英國(guó),某機(jī)場(chǎng)鋪筑兩條對(duì)比試驗(yàn)段路面,經(jīng)4 年飛機(jī)與車輛運(yùn)行后,摻粉煤灰的一條車道,表面抗滑構(gòu)造完好如初,而另一條卻斑斑點(diǎn)點(diǎn)。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益

　　(1)如以平均路寬9m 、板厚24cm、每立方米混凝土取代50kg 水泥用量、推廣里程100km 計(jì)算,約節(jié)約水泥10800 噸,按市價(jià)水泥每立方米300 元、粉煤灰每立方米40 元,創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益250 多萬(wàn)元。

　　(2)以15% 粉煤灰取代水泥計(jì),江蘇省每年可節(jié)約水泥約1 0 萬(wàn)噸。

　　(3)利用粉煤灰修筑高等級(jí)混凝土路面,對(duì)綜合利用火電廠廢料、保護(hù)環(huán)境和帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)具有重要意義。

3 公路施工中粉煤灰混凝土應(yīng)用中的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)

　　(1)采取特殊措施保證粉煤灰混凝土中要有合理的加氣量,以維持混凝土的耐久性;

　　(2)有些粉煤灰火山灰反應(yīng)不足,會(huì)影響混凝土的質(zhì)量;

　　(3)施工工地附近,不一定有合適的粉煤灰,運(yùn)輸費(fèi)用或許會(huì)超過任何價(jià)格上的優(yōu)勢(shì);

　　(4)改變粉煤灰的含量時(shí),便要修改配合比。

　　由于水泥粉煤灰反應(yīng)時(shí)要受到水泥性質(zhì)的影響, 不僅要測(cè)試和驗(yàn)證每種粉煤灰的資源,而且也要調(diào)查每個(gè)工程中采取的具體粉煤灰水泥混合料的性能。

4 結(jié)語(yǔ)

　　利用粉煤灰修筑高等級(jí)混凝土路面,只要粉煤灰摻量適當(dāng),配合比合理,養(yǎng)護(hù)得當(dāng),對(duì)混凝土中、后期強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的提高貢獻(xiàn)很大, 耐磨性能也有所改善。粉煤灰在混凝土中能與水泥互補(bǔ)短長(zhǎng),均衡協(xié)作,還可充當(dāng)混凝土的減水劑、釋水劑、增塑劑、密實(shí)劑、抑熱劑、抑脹劑, 從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的角度上考慮是完全可行的?！　?/P>

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