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(diǎn)。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(yàn)實(shí)例及有待解決的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞: 粉煤灰; 混凝土; 摻合料
中圖分類(lèi)號(hào): TQ172.44;TU528.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B 文章編號(hào): 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(xì)度等指標(biāo)符合國(guó)家等級(jí)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(guó)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(gè)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(qiáng)度不足, 限制了它在混凝土中的摻量。我們通過(guò)磨細(xì)、增鈣、摻活性激發(fā)劑等方法來(lái)激發(fā)其早期強(qiáng)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?cè)趹?yīng)用過(guò)程中注意加強(qiáng)檢測(cè), 使其與水泥合理搭配, 防止出現(xiàn)安定性不良的問(wèn)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(diǎn), 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(gè)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(guò)程中析出的氫氧化鈣緩慢進(jìn)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(shí)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(jiān)固地結(jié)合起來(lái), 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(qiáng)度增長(zhǎng)較快甚至超過(guò)同級(jí)別的混凝土的強(qiáng)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(xì)管—孔隙結(jié)構(gòu)的特點(diǎn), 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(guò)程中, 高鈣粉煤灰能填充到混凝土結(jié)構(gòu)中的毛細(xì)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(shí)度,調(diào)節(jié)了凝膠量和凝膠過(guò)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(rùn)滑作用, 小于45μm 的粉煤灰, 不僅可以降低需水量, 同時(shí)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(shí)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(dòng)性;在相同工作度條件下, 實(shí)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。
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(jìn)而使水泥水化反應(yīng)進(jìn)展更為遲緩, 放熱速度更低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dá)到頂峰溫度的時(shí)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(zhǎng), 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(shuō)明在改善混凝土性能的同時(shí), 對(duì)水泥水化的動(dòng)力參數(shù)有一定的影響, 從而改變了水泥水化放熱過(guò)程。
2.5 限制溫度裂縫的效應(yīng)
在大體積混凝土施工過(guò)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(duì)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(shì)能, 微集料效應(yīng)產(chǎn)生的致密勢(shì)能, 形態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生的減水勢(shì)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(qiáng), 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(shí), 具有較高的表面力場(chǎng), 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(rùn)滑作用下, 提高了混凝土中漿體的流動(dòng)度, 但由于膠凝材料顆粒間表面力場(chǎng)作用, 也會(huì)導(dǎo)致其漿體粘性提高。使網(wǎng)狀內(nèi)的毛細(xì)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(shì)[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(diǎn), 特別在以下幾項(xiàng)工程應(yīng)用方面, 更能顯示其獨(dú)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(diǎn):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(shí)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(qiáng)度等級(jí)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(chēng)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(zhǎng)距離運(yùn)輸和泵送施工, 可泵性能好, 能延長(zhǎng)泵、管道壽命, 增大泵送高度(距離), 目前國(guó)內(nèi)最大高度已達(dá)300 多米。
3.3 振動(dòng)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(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)碾壓后的混凝土稱(chēng)為振動(dòng)碾壓混凝土, 簡(jiǎn)稱(chēng)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(hù)時(shí)間約1/2, 施工工期縮短40% ,工程造價(jià)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(qiáng)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(jī)場(chǎng)及堆貨物地坪。
4 應(yīng)用研究試驗(yàn)
高鈣粉煤灰歸屬活性混合材粉煤灰類(lèi), 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(duì)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(xì)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?cè)谠囼?yàn)中應(yīng)用的是本地電廠的高鈣粉煤灰。
4.1 原材料
試驗(yàn)采用P.O42.5 水泥(性能見(jiàn)表1)、本地電廠高鈣灰與普通(低鈣)灰, 高鈣灰的組分見(jiàn)表2, 其物理性能見(jiàn)表3, 低鈣灰性能見(jiàn)表4。
4.2 不同粉煤灰摻量混凝土干縮率與齡期的關(guān)系
圖1 和圖2 顯示了水膠比固定、不同粉煤灰摻量下, 混凝土干縮率與齡期的關(guān)系。摻量為35%以下時(shí), 低鈣粉煤灰摻量增加, 混凝土干縮率有減小的趨勢(shì), 但摻量達(dá)到45% 時(shí), 干縮率陡然增加, 成
為4 個(gè)摻量中最大的(圖1)。而摻加高鈣灰的混凝土(圖2 ), 相同摻量下, 其干縮率明顯小于低鈣灰混凝土。在各個(gè)齡期, 混凝土干縮率隨高鈣粉煤灰摻量的增加明顯減小。摻量在25%以下時(shí), 混凝土處于持續(xù)收縮狀態(tài), 但在56d 以后收縮值逐漸減小, 并趨于穩(wěn)定, 150d 干縮率在100～300 微應(yīng)變之間。摻量為35%的混凝土在水化初期微有收縮,逐漸轉(zhuǎn)為微膨脹, 150d 的膨脹率達(dá)到100 微應(yīng)變左右。而當(dāng)摻量達(dá)到45%時(shí), 混凝土膨脹率顯著增大, 150d 膨脹率接近2400 微應(yīng)變, 仍然沒(méi)有趨于穩(wěn)定的跡象(圖中因坐標(biāo)范圍所限未顯示90d 以后的膨脹狀況)。因此, 即使在干燥環(huán)境中, 較低的水膠比條件下, 高鈣灰中的游離CaO 仍然能夠逐漸水化。當(dāng)摻量適當(dāng)時(shí), 摻加高鈣灰可以補(bǔ)償混凝土的干燥收縮, 降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。因此, 高鈣灰的適宜摻量需要根據(jù)高鈣灰的品質(zhì)和混凝土配合比情況。
4.3 安定性檢測(cè)
按混凝土中水泥和粉煤灰的比例, 稱(chēng)取水泥和粉煤灰共500.0g, 依據(jù)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度檢測(cè)方法測(cè)出混合料的標(biāo)稠, 再進(jìn)行混合料的安定性試驗(yàn), 結(jié)果見(jiàn)表5。
粉煤灰中總CaO 含量14.64% , 但其中f -CaO 含量遠(yuǎn)低于此值, Ⅰ 級(jí)灰f - CaO 含量為1.98% , Ⅱ級(jí)灰f- Ca0 含量為3.20% , Ⅰ、Ⅱ級(jí)灰均無(wú)安定性不良。Ⅰ級(jí)灰摻量從10%~30 %, 膨脹增加值均比基準(zhǔn)水泥膨脹增加值小, 且隨摻灰量增加逐漸減小。其原因是Ⅰ級(jí)灰f- CaO 含量較小, 顆粒較細(xì), 有利于改善水泥的級(jí)配, 引起的破壞膨脹比較微弱。且Ⅰ 級(jí)灰活性高, 對(duì)水泥中的f- CaO有一定的吸收作用, 能抑制一定的膨脹。Ⅱ級(jí)灰摻量從10%～30%膨脹增加值與基準(zhǔn)水泥相當(dāng)。可能是Ⅱ級(jí)灰顆粒較粗、f- Ca0 含量較高引起的膨脹相對(duì)集中、容易顯現(xiàn)的負(fù)作用和Ⅱ級(jí)灰對(duì)f- CaO 吸收的正作用相抵消。但隨著Ⅱ級(jí)灰摻量增加其負(fù)作用的影響將會(huì)加大, 故應(yīng)限制其摻量。不管Ⅰ級(jí)灰還是Ⅱ級(jí)灰, 其中死燒游離氧化鈣含量?jī)H為總f-CaO 的一小部分, 因而危害程度甚微。兩種灰的三氧化硫含量均小于3%, 不會(huì)產(chǎn)生不良影響。
4.4 活性檢測(cè)
稱(chēng)取膠凝材料450g, 用高鈣灰與普通Ⅰ級(jí)灰分別等量取代30% 水泥, 保持水膠比0.5 不變, 做膠砂強(qiáng)度檢測(cè)及砂漿流動(dòng)度檢測(cè), 結(jié)果列于表6。由表6 可知, C 組無(wú)論3d 還是28d 強(qiáng)度均高于B, D 組, D 組強(qiáng)度也高于B 組, 說(shuō)明高鈣灰的火山灰活性均高于普通灰, 且隨著細(xì)度提高火山灰活性更明顯。但由于B、C、D 組均是等量取代水泥, 故B、C、D 組強(qiáng)度均低于A 組。若超量取代, 其28d 強(qiáng)度有望超過(guò)A 組。在流動(dòng)度方面, C>B>D>A, 說(shuō)明
高鈣灰本身具有需水量小的特點(diǎn), 有利于提高混凝土的工作性。
所以, 由于高鈣灰活性一般大于普通灰, 使用時(shí)應(yīng)首先考慮其安定性, 加強(qiáng)安定性檢測(cè), 并限制其摻量。高鈣灰的細(xì)度不僅影響活性, 還對(duì)安定性有較大的影響, 應(yīng)嚴(yán)格控制。
5 結(jié)論
綜上所述高鈣粉煤灰是一種有效的再生資源,粉煤灰的成分和表面特性賦予其一定的活性。在水泥基復(fù)合材料中產(chǎn)生的粉煤灰效應(yīng), 改變了混凝土的微觀結(jié)構(gòu), 使其具有新的技術(shù)性能, 能廣泛地應(yīng)用在各類(lèi)工程中。目前粉煤灰應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)研究體系還很不完善, 理論研究還需要大的突破(如:怎樣準(zhǔn)確測(cè)試和評(píng)價(jià)粉煤灰形態(tài), 如何定量地解釋粉煤灰摻入與其它成分發(fā)生的組合、疊加效應(yīng)的影響等等), 這些都制約著粉煤灰的推廣應(yīng)用, 影響著相關(guān)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展, 有待于從事粉煤灰資源開(kāi)發(fā)利用的專(zhuān)家、學(xué)者、技術(shù)人員不懈地研究與探索, 使粉煤灰的應(yīng)用技術(shù)更加成熟。
