高鈣粉煤灰作為混凝土摻合料的應(yīng)用研究

摘要: 本文系統(tǒng)地分析了高鈣粉煤灰在混凝土中的效應(yīng)和摻加高鈣粉煤灰的混凝土性能特點。研究了在相同條件下?lián)饺脒m量高鈣粉煤灰的混凝土與普通混凝土的性能比較, 并介紹了高鈣粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用試驗實例及有待解決的問題。

關(guān)鍵詞: 粉煤灰; 混凝土; 摻合料

中圖分類號: TQ172.44;TU528.52 文獻標(biāo)識碼: B 文章編號: 1003- 8965( 2006) 02- 0008- 05

1 概述

　　用于混凝土的高鈣粉煤灰是指氧化鈣含量在8%以上, 細度等指標(biāo)符合國家等級灰要求的干排灰。它與普通粉煤灰(低鈣灰)相比, 一般具有需水量低、活性高、可自硬等特征。目前, 我國高鈣脫硫灰產(chǎn)量不斷增加, 提高高鈣灰的利用率, 已成為混凝土行業(yè)發(fā)展的迫切要求。

　　粉煤灰作為商品混凝土的一個組分, 它所起到的形態(tài)效應(yīng)、火山灰效應(yīng)及微集料的填充效應(yīng)已為大家所共知。普通粉煤灰的早期強度不足, 限制了它在混凝土中的摻量。我們通過磨細、增鈣、摻活性激發(fā)劑等方法來激發(fā)其早期強度, 雖然也有一定的效果, 但卻增加了成本。高鈣灰的合理應(yīng)用, 不需增加成本, 就能發(fā)揮出高的火山灰活性。但高鈣灰的弊病在于其游離氧化鈣所引起的安定性不良, 這是其最大的不利因素。我們在應(yīng)用過程中注意加強檢測, 使其與水泥合理搭配, 防止出現(xiàn)安定性不良的問題[1]。

2 粉煤灰效應(yīng)

　　高鈣粉煤灰能賦予混凝土新的技術(shù)性能, 按材料學(xué)的觀點, 宏觀性能取決于微觀結(jié)構(gòu), 而粉煤灰混凝土的微觀結(jié)構(gòu)取決于粉煤灰效應(yīng)。高鈣粉煤灰作為混凝土的礦物摻合料, 在水泥基混凝土中效應(yīng)主要表現(xiàn)為以下幾個方面:

2.1 活性效應(yīng)

　　由于高鈣粉煤灰具有玻璃體形態(tài)的活性成分,較大的比表面積, 這些成分能與水泥水化過程中析出的氫氧化鈣緩慢進行“二次反應(yīng)”, 在表面生成具有膠凝性能的水化鋁酸鈣、水化硅酸鈣等, 同時使水泥石的堿度降低, 在此環(huán)境中更有利于水化鋁硅酸鹽的形成, 均與水泥漿硬化體晶格堅固地結(jié)合起來, 填充在骨料之間形成緊密的混凝土結(jié)構(gòu)。從而使后期強度增長較快甚至超過同級別的混凝土的強度值。

2.2 微集料效應(yīng)

　　作為水泥基復(fù)合材料的混凝土, 是一種多孔的、各尺度上多相的非勻質(zhì)復(fù)雜體系, 混凝土微觀結(jié)構(gòu)具有毛細管—孔隙結(jié)構(gòu)的特點, 由水泥水化生成的C- S- H 凝膠、晶體、未水化的粒子、集料、孔隙組成, 其孔隙率占凝膠體的25%～30% , 而高鈣粉煤灰具有極小的粒徑(一般為1～50μm), 具有超出火山灰活性的物理功能, 在水泥水化過程中, 高鈣粉煤灰能填充到混凝土結(jié)構(gòu)中的毛細管及孔隙裂縫之中, 改善了孔結(jié)構(gòu), 提高了水泥石的密實度,調(diào)節(jié)了凝膠量和凝膠過程的功能, 使水泥水化晶體與骨料的協(xié)和功能改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu), 起到改善混凝土宏觀性能, 提高抗?jié)B性的作用[2]。

2.3 形態(tài)效應(yīng)

　　高鈣粉煤灰的需水量比小于100% , 又由于粉煤灰呈極小的球狀玻璃珠, 填充在水泥顆粒之間起到一定的潤滑作用, 小于45μm 的粉煤灰, 不僅可以降低需水量, 同時高鈣粉煤灰等量置換混凝土中的水泥, 可以降低砂率, 增加粗骨料的含量, 實際降低了膠凝材料所包裹的骨料比表面積, 在相同的用水量下, 能提高混凝土拌合物的流動性;在相同工作度條件下, 實現(xiàn)減水效能。這有利于降低泌水與分層離析, 改善混凝土的可泵性。

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2.4 降低水化熱效應(yīng)

　　高鈣粉煤灰采用內(nèi)摻法代替水泥, 相應(yīng)減少了混凝土中的水化熱源, 由于粉煤灰吸附在水泥顆粒表面, 粉煤灰的火山灰反應(yīng)較緩, 進而使水泥水化反應(yīng)進展更為遲緩, 放熱速度更低。經(jīng)實驗測定:每100kg 純硅酸鹽水泥可使混凝土內(nèi)部溫度升高8℃～12℃, 在混凝土中摻加粉煤灰后的第7 天, 高鈣粉煤灰反應(yīng)的發(fā)熱量只有純硅酸鹽水泥的17% , 使頂峰溫度顯著降低, 并使達到頂峰溫度的時間向后推遲, 隨摻量的增加幅度更大。按水泥水化理論, 水化溫度的降低, 使水泥水化反應(yīng)的速度減慢, 并隨齡期的增長, 摻高鈣粉煤灰的混凝土不僅水泥水化熱的放熱速率減慢, 而且使放熱峰值推遲出現(xiàn)。這說明在改善混凝土性能的同時, 對水泥水化的動力參數(shù)有一定的影響, 從而改變了水泥水化放熱過程。

2.5 限制溫度裂縫的效應(yīng)

　　在大體積混凝土施工過程中常摻入高鈣粉煤灰, 可以在水泥水化初期大幅度降低混凝土的最大溫升, 減小混凝土內(nèi)外或不同澆筑層的溫差, 從而減少早期熱裂縫的出現(xiàn)幾率。特別是在相同施工條件、內(nèi)外溫差、配筋率的條件下, 摻入高鈣粉煤灰后混凝土具有較小的彈性模量, 使得最終由溫度引起的約束應(yīng)力變小, 這對限制混凝土的溫度裂縫出現(xiàn)是有利的。除此之外, 高鈣粉煤灰活性效應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)勢能, 微集料效應(yīng)產(chǎn)生的致密勢能, 形態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生的減水勢能等, 減少了混凝土收縮, 提高了混凝土的極限拉伸值, 按混凝土熱裂縫理論, 則是限制溫度裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

2.6 吸附效應(yīng)

　　高鈣粉煤灰具有非常小的顆粒和較大的比表面積, 表面吸附能力較強, 拌制的混凝土粘性較大,直接影響著混凝土的排氣性能, 特別是當(dāng)粒徑小于10μm 的粉煤灰顆粒占總量的40% 以上時, 具有較高的表面力場, 容易吸附在水泥顆粒表面, 以降低其表面自由能, 從而使水泥顆粒間以高鈣粉煤灰作為橋梁, 相互連接形成較穩(wěn)定的空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。盡管在拌合水的潤滑作用下, 提高了混凝土中漿體的流動度, 但由于膠凝材料顆粒間表面力場作用, 也會導(dǎo)致其漿體粘性提高。使網(wǎng)狀內(nèi)的毛細孔中的氣泡粘阻力很大, 在現(xiàn)有工藝條件下不易排出, 影響混凝土的整體性、均勻性, 有降低其技術(shù)性能的趨勢[3]。

3 高鈣粉煤灰在工程中的主要應(yīng)用

　　高鈣粉煤灰已廣泛用在市政、水利、工業(yè)民用建筑、混凝土預(yù)制等行業(yè), 能充分發(fā)揮粉煤灰在混凝土中的效應(yīng), 使其具有顯著宏觀性能的特點, 特別在以下幾項工程應(yīng)用方面, 更能顯示其獨特的應(yīng)用效果。

3.1 大體積混凝土工程

　　由于混凝土體積大, 用普通硅酸鹽水泥, 產(chǎn)生較大的水化熱, 易形成溫度裂縫, 因此需要用特殊的水泥混凝土或采取冷卻措施。粉煤灰混凝土是目前最適合的一種。高鈣粉煤灰混凝土具有以下優(yōu)越特點:①減少水化熱效果顯著, 比用特殊的大壩水泥還可降低溫升5℃左右;②延緩凝結(jié)時間, 便于大量混凝土的施工澆注; ③改善混凝土的抗?jié)B性, 尤其是強度等級低的混凝土, 水泥用量少, 效果更明顯。

3.2 粉煤灰泵送混凝土

　　在高層建筑工程的施工中, 常用混凝土泵送和布料桿澆注混凝土的方法, 即稱泵送混凝土。高鈣粉煤灰混凝土凝結(jié)較緩慢, 和易性好, 能減少離析、泌水, 有利于較長距離運輸和泵送施工, 可泵性能好, 能延長泵、管道壽命, 增大泵送高度(距離), 目前國內(nèi)最大高度已達300 多米。

3.3 振動碾壓混凝土

　　以干硬性混凝土摻高鈣粉煤灰及外加劑, 用振動壓路機振動碾壓后的混凝土稱為振動碾壓混凝土, 簡稱振碾混凝土。振碾混凝土可大幅度降低水泥用量, 縮短養(yǎng)護時間約1/2, 施工工期縮短40% ,工程造價降低10%～20%。提高混凝土抗?jié)B性、抗裂性、抗腐蝕性, 降低混凝土的彈性模量15% ～20%, 也就是降低其脆性, 增強變形能力, 降低混凝土的溫升, 路面收縮縫間距一般加大12 倍。振碾混凝土主要用于筑壩、筑路、機場及堆貨物地坪。

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4 應(yīng)用研究試驗

　　高鈣粉煤灰歸屬活性混合材粉煤灰類, 由于鈣量的增加, 使高鈣粉煤灰的組分、結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化, 活性極大地提高, 具有一定的自凝性, 摻用后對制品性能有很大改善。其用量亦相應(yīng)可增加。鑒于各生產(chǎn)廠家的工藝條件、煤種、石灰石品位、燃料的加工細度等不同, 因而所排放的高鈣粉煤灰質(zhì)量和性能差異較大。我們在試驗中應(yīng)用的是本地電廠的高鈣粉煤灰。

4.1 原材料

　　試驗采用P.O42.5 水泥(性能見表1)、本地電廠高鈣灰與普通(低鈣)灰, 高