周永祥:以新觀點和新措施對待高性能混凝土(二)

中國建筑科學(xué)研究院 周永祥 · 2015-06-05 10:52 留言

  高性能混凝土是以建設(shè)工程設(shè)計、施工和使用對混凝土性能特定要求為總體目標(biāo),選用優(yōu)質(zhì)常規(guī)原材料,合理摻加外加劑和礦物摻合料,采用較低水膠比并優(yōu)化配合比,通過預(yù)拌和綠色生產(chǎn)方式以及嚴(yán)格的施工措施,制成具有優(yōu)異的拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性能和長期性能的混凝土。理解這一概念,應(yīng)該分兩個層面上:第一,是理論層面。在這個層面上,高性能混凝土是滿足工程需求的“個性化”和“最優(yōu)化”的混凝土,運用全過程質(zhì)量控制的理念,是可持續(xù)發(fā)展思想下的技術(shù)方向。第二,是技術(shù)層面。在這個層面上,高性能混凝土需要建立結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料、配合比、生產(chǎn)、施工、驗收等各個環(huán)節(jié)的技術(shù)指標(biāo)體系?!陡咝阅芑炷翍?yīng)用技術(shù)指南》與《高性能混凝土評價標(biāo)準(zhǔn)》(在編)所做的工作之一就是將高性能混凝土概念從理論層面落實到具體的、具有操作性的技術(shù)層面。

  1 混凝土的原材料問題

  1.4礦物摻合料

  傳統(tǒng)摻合料如粉煤灰、礦渣粉日益緊俏,供需矛盾逐漸突出。因此,摻合料種類范圍逐漸擴大,磷渣、鋼渣、爐渣、鋼鐵渣粉逐漸走上歷史舞臺。天然火山灰、沸石、浮石、凝灰?guī)r、石灰石粉、其他巖石粉等天然礦物材料以及超細礦渣粉、超細粉煤灰、微珠等礦物摻合料逐漸向深加工方向發(fā)展。礦物摻合料的復(fù)合化也逐漸成為摻合料技術(shù)發(fā)展的一個必然趨勢。

  1.4.1近年來粉煤灰應(yīng)用中的突出問題

  1)“真假粉煤灰”

  按照現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)難以判定粉煤灰的純度。

  表1為某地煅燒煤矸石粉按照現(xiàn)行粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)測試結(jié)果。由表可以看出,該煅燒煤矸石粉完全符合粉煤灰鑒定的指標(biāo)要求。因此,根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn),難以判斷粉煤灰的純度,甚至無法區(qū)分真假粉煤灰。

表1 某地煅燒煤矸石粉按照現(xiàn)行粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)測試結(jié)果

高性能混凝土

  2)“脫硫灰”

  采用循環(huán)流化床鍋爐工藝可以高效燃燒高硫煤,為了減少SO2的排放,往往需要采取脫硫措施,產(chǎn)生的粉煤灰即CFB脫硫粉煤灰。它含有大量的硫化物或硫酸鹽(如石膏等),不同于傳統(tǒng)的粉煤灰。未經(jīng)測試貿(mào)然用于混凝土,會造成嚴(yán)重的混凝土開裂和崩解現(xiàn)象?,F(xiàn)行的粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)雖有SO3含量限制,但對“脫硫灰”的檢驗判定缺乏針對性。

  3)“脫硝灰”

  為了減少燃煤過程中NOx的排放,需要在燃煤過程中進行“脫硝”處理,脫硝工藝不當(dāng)可能會造成粉煤灰中殘留一部分的NH4+,當(dāng)粉煤灰與水泥攪拌時,遇到堿性環(huán)境就會釋放出NH3(氨氣),在混凝土塑性階段產(chǎn)生大量氣體。

  4)“浮黑灰”

  現(xiàn)代燃煤工藝中,為了提高燃煤效率或電廠的某些特殊操作要求,會在燃煤過程中添加柴油或者其他油性物質(zhì)作為助燃劑,這些助燃劑不能完全燃燒,會在粉煤灰中存留油分。特別是粉煤灰經(jīng)過分選后,收集的粉煤灰會含有更多的未燃盡油分,用于拌制混凝土,這些油分上浮,在混凝土中容易漂浮的黑色油狀物。這種粉煤灰被稱為“浮黑灰”,見圖1。

高性能混凝土 

高性能混凝土

圖1 浮黑灰

  5)礦物摻合料的深加工

  粉煤灰的深加工一種方法就是通過粉磨達到超細化。粉磨后的超細粉煤灰的2000倍、10000倍SEM圖見圖2、圖3。由圖4可以看出,超細粉煤灰的粒度分布主要集中在10μm左右,比表面積在700m2/kg左右。表2為超細粉煤灰(UFA)與I級粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)要求的各項指標(biāo)對比。發(fā)現(xiàn)需水量比并不提高,而活性指數(shù)大大提高,28d活性指數(shù)達到104%。

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 圖2 超細粉煤灰2000倍SEM圖

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圖3 超細粉煤灰10000倍SEM圖

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圖4 超細粉煤灰粒度分布

 表2 超細粉煤灰(UFA)與I級粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)要求的各項指標(biāo)對比

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  獲得超細粉煤灰的另一種途徑就是通過“選”:將某些燃煤鍋爐工藝產(chǎn)生的很細的粉煤灰,通過物理手段進行分選,獲得極細的那一部分,被稱之為“微珠”。其微觀形態(tài)和粒度分布見圖5。陳樂雄[1]等研究了微珠在混凝土中的應(yīng)用。 [Page]  

高性能混凝土高性能混凝土

圖5 極細粉煤灰顆粒(微珠)的微觀形態(tài)[1]

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圖6 極細粉煤灰顆粒(微珠)的粒度分布[1]

  微珠的球狀形態(tài)及微粒徑尺度,使其具有良好的減水、填充增強作用。明顯改善混凝土或砂漿的流動度,并降低拌合物粘度,因此,在高強混凝土的超高層泵送中,微珠往往是一個重要的可選擇技術(shù)手段。中建商品混凝土公司利用微珠配制高強混凝土,不同微珠摻量的新拌混凝土如圖7、圖8所示。

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圖7 微珠摻量低于12%(650mm)

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圖8 30%微珠摻量(500mm)

  除超細粉煤灰以外,超細礦渣粉也是一種常用的礦物摻合料。其各項指標(biāo)見表3。超細礦渣粉主要特點是能夠提供較高的強度、特別是早期強度。

  表3 超細礦渣粉的各項指標(biāo)

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  1.4.2礦物摻合料的復(fù)合化

  優(yōu)質(zhì)礦物摻合料日益稀缺、低品質(zhì)摻合料難以應(yīng)用,復(fù)合摻合料性能優(yōu)于單一摻合料且價格便宜,功能型(早強型、改善流動型)復(fù)合摻合料存在很大市場需求。礦物摻合料的復(fù)合化可以實現(xiàn)資源綜合利用,解決摻合料供給問題;可以取長補短,發(fā)揮幾種摻合料的協(xié)同作用(礦物摻合料具有超疊加效應(yīng));可以解決預(yù)應(yīng)力構(gòu)件對早期張拉強度的要求,解決大流態(tài)及自密實混凝土的技術(shù)需求。因此,復(fù)合化是摻合料技術(shù)發(fā)展的一個趨勢。

  《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南》中規(guī)定,復(fù)合摻合料是指采用兩種或兩種以上的礦物原料,單獨粉磨至規(guī)定的細度后再按一定的比例復(fù)合、或者兩種及兩種以上的礦物原料按一定的比例混合后粉磨達到規(guī)定細度,并符合規(guī)定活性指數(shù)的粉體材料。摻合料的復(fù)合并不是簡單地兩種或幾種摻合料混合,還需要考慮以下幾點問題:

  1)考慮活性成分與惰性成分的搭配;

  2)考慮微顆粒的級配分布;

  3)考慮水化反應(yīng)速度與產(chǎn)物(如凝膠類和結(jié)晶類)的匹配;

  4)考慮化學(xué)激發(fā)作用;

  5)考慮低品質(zhì)與高品質(zhì)資源的搭配利用。

  《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南》中規(guī)定的高性能混凝土用復(fù)合摻合料技術(shù)要求見表4。

表4 高性能混凝土用復(fù)合摻合料技術(shù)要求

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編輯:徐潔

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