摘要: 本文概述了高摻量粉煤灰砼的主要特點(diǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞: 粉煤灰; 混凝土; 技術(shù)現(xiàn)狀; 應(yīng)用前景
1 引言
砼材料是目前最重要的建筑材料, 專家預(yù)言, 21世紀(jì)砼仍為主要的建筑材料, 砼產(chǎn)品的開發(fā)與研究仍具有重大意義。
砼原材料的選擇、配制與工藝都比較簡(jiǎn)單。從上世紀(jì)70 年代開始, 高科技進(jìn)入了砼行業(yè), 其表現(xiàn)為:砼除水泥、集料等基礎(chǔ)材料外, 還可摻和硅粉、粉煤灰、礦渣以及高效減水劑等, 以配制高強(qiáng)度、高性能砼。
一般情況下, 鋼筋砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者往往只注重其強(qiáng)度, 但是, 許多事例表明, 由于鋼筋砼結(jié)構(gòu)過早破壞而引發(fā)工程事故, 其原因不只是由于強(qiáng)度而是由于耐久性不足。據(jù)有關(guān)資料, 高摻量粉煤灰砼能顯著改善砼的耐久性, 因此, 進(jìn)行高摻量粉煤灰砼的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 高摻量粉煤灰砼的主要特點(diǎn)
粉煤灰是磨成一定細(xì)度的煤粉在鍋爐中燃燒( 1100～1500℃) 后, 由收塵器收集到的細(xì)灰, 是燃燒煤的火力發(fā)電廠排出的一種工業(yè)廢渣, 高摻量粉煤灰砼是一種新材料。
2.1 主要物理力學(xué)性能
2.1.1 和易性高摻量粉煤灰砼具有良好的黏聚性,能減少泌水。高摻量粉煤灰砼的和易性與粉煤灰的質(zhì)量、外加劑的品種及摻量等有關(guān)?？傊? 只要高摻量粉煤灰砼配合比恰當(dāng), 攪拌時(shí)間充分, 其和易性能滿足不同工程的需要。Malhotra 等用8 種不同粉煤灰配制的高摻量粉煤灰砼的坍落度在95～210mm 之間, 含氣量為4.5%～6.15%。
2.1.2 強(qiáng)度砼中摻粉煤灰后, 其早期強(qiáng)度一般會(huì)隨摻量的增加而降低。由于高摻量粉煤灰砼各組分的配合比有較大的靈活性, 因此, 可以通過降低水膠比、添加激發(fā)劑等方法配制出早期強(qiáng)度高的砼。Malhotra 等用F 型粉煤灰配制的高摻量粉煤灰砼的1, 3, 7, 28d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了13.7, 22.4, 34.2, 57.1MPa。
2.1.3 耐久性砼的耐久性關(guān)系到建筑物結(jié)構(gòu)的安全性。目前檢驗(yàn)砼耐久性的指標(biāo)主要有抗凍性、滲透性、抗碳化能力、鋼筋銹蝕作用以及堿骨料反應(yīng)等。高摻量粉煤灰砼抑制堿骨料反應(yīng)已被世界所公認(rèn), 這是由于砼中大量摻入粉煤灰, 吸收了砼中大量的Ca(OH)2和一些堿組分。另外, 高摻量粉煤灰砼的密實(shí)性及孔結(jié)構(gòu)都有很大改善, 滲透系數(shù)很小, 一般在( 1.6×10- 14)～( 5.7×10- 13) m·s- 1。由表1 可知, 高摻量粉煤灰砼的抗凍性、抗碳化能力及對(duì)鋼筋的銹蝕作用與基準(zhǔn)砼( 硅酸鹽水泥砼) 相當(dāng), 其耐久性完全可以滿足現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范規(guī)定和工程要求。
2.2 原材料的要求
高摻量粉煤灰砼與普通砼對(duì)水泥、集料的要求相同, 在原材料方面的最大區(qū)別是摻和大量的粉煤灰。高摻量粉煤灰砼的水膠比較小, 單位用水量亦較少,須摻加超塑化劑。為使砼拌合物具有好的流動(dòng)性, 一般在摻加塑化劑的同時(shí)還要摻加引氣劑。國(guó)外一些學(xué)者經(jīng)過研究認(rèn)為, 并不是優(yōu)質(zhì)的粉煤灰才能用于高摻量粉煤灰砼, 只要粉煤灰的質(zhì)量穩(wěn)定, 用低質(zhì)量的粉煤灰同樣可以配制高性能的高摻量粉煤灰砼。
2.3 配合比設(shè)計(jì)
高摻量粉煤灰砼的配合比設(shè)計(jì)具有較大的靈活性。英國(guó)人Dunstan 把粉煤灰作為砼的“ 第四組分”進(jìn)行配合比設(shè)計(jì), 這使配合比設(shè)計(jì)在具有較大靈活性的同時(shí), 也產(chǎn)生了一些困難, 設(shè)計(jì)者必須考慮每個(gè)組分的特性, 尤其是粉煤灰的需水量和水泥的質(zhì)量, 因?yàn)楦邠搅糠勖夯翼诺膹?qiáng)度對(duì)用水量的變化更加敏感,水泥的質(zhì)量對(duì)高摻量粉煤灰砼的強(qiáng)度有顯著影響。表2 為一些典型的高摻量粉煤灰砼的配合比。
3 高摻量粉煤灰砼的技術(shù)現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)目前急需解決的課題
3.1 技術(shù)現(xiàn)狀
高摻量粉煤灰砼是在對(duì)粉煤灰認(rèn)識(shí)及砼利用基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)的, 它是一種新材料, 砼中粉煤灰摻量一般在40%以上, 高摻量粉煤灰砼的發(fā)展過程, 是由把粉煤灰看成“經(jīng)濟(jì)”摻合料轉(zhuǎn)向“功能”材料以充分發(fā)揮粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)和活性作用的過程。英國(guó)人Dunstan 在第一屆砼耐久性國(guó)際會(huì)議上,以倫敦國(guó)際第二機(jī)場(chǎng)兩條相鄰面為典型例證, 說明了大量摻粉煤灰砼的耐磨性比未摻粉煤灰砼的耐磨性更優(yōu)異。近年來(lái), 加拿大Malhotra 等人把高摻量粉煤灰砼研究向前推進(jìn)了一步, 以大量摻有不同來(lái)源的普通質(zhì)量的粉煤灰砼的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 證明了在低水泥用量(約150kg·m- 3)、高粉煤灰用量( 190～210kg·m- 3) 的條件下, 摻用高效減水劑與引氣劑, 可以制備各種性能均相當(dāng)優(yōu)異的高性能砼。
我國(guó)在常態(tài)砼中摻用粉煤灰已有40 多年的歷史,迄今為止, 其摻量一般占膠凝材料總量的15%～30%,且早期強(qiáng)度低。國(guó)內(nèi)對(duì)高摻量粉煤灰砼方面的研究起步較晚, 摻量達(dá)40%以上的研究和應(yīng)用實(shí)例較少。目前粉煤灰利用技術(shù)存在的主要問題: 一是如何增大粉煤灰在砼中的摻量, 使其達(dá)到40%以上; 二是如何解決早期強(qiáng)度低的問題, 不致影響砼施工周期。為此,研究人員多年來(lái)一直在摻量粉煤灰利用項(xiàng)目上積極進(jìn)行研究與開發(fā)。
3.2 國(guó)內(nèi)目前急需解決的課題
3.2.1 研制超高效減水劑, 而不是現(xiàn)在的普通高效減水劑由于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB 8076—87) 對(duì)減水率規(guī)定得較低(≥12%), 所以大部分高效減水劑的減水率達(dá)不到15%～25%, 用這種減水劑不可能配制出高摻量的粉煤灰砼。超高效減水劑的減水率應(yīng)該達(dá)到25%～35%, 才能經(jīng)濟(jì)合理地配制出既具有高強(qiáng)度又具有大流動(dòng)性的砼, 這是發(fā)展高摻量粉煤灰砼的關(guān)鍵所在,只要這個(gè)問題能夠得到解決, 我國(guó)的高摻量粉煤灰砼技術(shù)就能在短期內(nèi)趕上發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。據(jù)資料, 目前國(guó)內(nèi)已研制出減水率達(dá)到25%以上的超高效減水劑的雛形。如交通部天津港灣工程研究所研制的TH 型減水劑, 廣東湛江外加劑廠生產(chǎn)的FDN 減水劑, 北京城建集團(tuán)總公司構(gòu)件廠研制的復(fù)合I 型減水劑、復(fù)合Ⅱ型減水劑等。
3.2.2 制定高摻量粉煤灰砼有關(guān)應(yīng)用方面的規(guī)范組織科研單位和大專院校對(duì)高摻量粉煤灰砼拌合物的性能進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究, 在此基礎(chǔ)上制定出高摻量粉煤灰砼的設(shè)計(jì)規(guī)范和施工驗(yàn)收規(guī)范, 將我國(guó)高摻量粉煤灰砼技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展納入法制軌道, 以使設(shè)計(jì)單位、施工單位和監(jiān)理單位有章可循。
3.2.3 加大宣傳力度, 增加投入, 促進(jìn)粉煤灰利用技術(shù)發(fā)展充分利用各種手段和途徑廣泛宣傳粉煤灰利用的意義, 提高人們對(duì)粉煤灰利用在節(jié)能和環(huán)境保護(hù)方面重要性的認(rèn)識(shí)。利用粉煤灰資源是一項(xiàng)微利的事業(yè), 國(guó)家對(duì)用灰戶應(yīng)在政策上給以扶持, 只有這樣,才能調(diào)動(dòng)用灰戶的積極性, 才能使粉煤灰的利用率得以穩(wěn)定和提高, 才能促進(jìn)粉煤灰利用技術(shù)的發(fā)展。
4 高摻量粉煤灰砼的應(yīng)用前景
4.1 國(guó)內(nèi)外粉煤灰利用情況
世界主要產(chǎn)煤國(guó)家中, 粉煤灰排放量大國(guó)主要是前蘇聯(lián)、中國(guó)和美國(guó), 其次是印度、德國(guó)、波蘭及羅馬尼亞等, 煤灰利用率接近和超過50%的國(guó)家有意大利、丹麥、比利時(shí)、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和日本, 荷蘭達(dá)100%以上, 而前蘇聯(lián)不足10%。除前蘇聯(lián)外, 大部分歐洲國(guó)家粉煤灰產(chǎn)量都不太高, 但粉煤灰的利用率卻比世界其他國(guó)家和地區(qū)高很多。粉煤灰的利用率受各種因素制約, 如政府的重視程度、有關(guān)法規(guī)的制定、大眾的環(huán)境意識(shí)、國(guó)家的經(jīng)濟(jì)條件、粉煤灰利用的研究水平等。
我國(guó)各地的粉煤灰利用率差別甚大, 1986～1990年間, 全國(guó)大型燃煤發(fā)電廠的粉煤灰年平均利用率由22.7%增至27.65%。在此期間, 上海市年平均利用率最高為74.5%( 1986 年) , 最低為45.85%( 1990 年) ;天津市為70.0%( 1988 年) ; 成都市為60.7%( 1987年) ; 江蘇省為35.3%( 1988 年) , 而江蘇省南通市最高為151.3%( 1987 年, 包括用往年的儲(chǔ)灰) ; 西安某燃煤熱電廠在1979～1989 年的10 年中, 每年利用率為100%～120%。
4.2 高摻量粉煤灰砼在工程中的應(yīng)用情況
4.2.1 在大壩工程中的應(yīng)用開發(fā)高摻量粉煤灰砼開始是為了用于碾壓砼筑壩。如英國(guó)的Milton Brook 壩,芯部碾壓砼粉煤灰摻量為73%; 美國(guó)的上靜水壩, 芯部碾壓砼粉煤灰摻量為75%。我國(guó)廣西巖灘水電站的圍堰施工, 亦采用了碾壓砼, 粉煤灰摻量為70%。高摻量粉煤灰砼除用于大壩芯部碾壓砼外, 還適用于面層滑模砼施工。
4.2.2 在道路工程中的應(yīng)用高摻量粉煤灰砼除用于大壩施工外, 很快被推廣應(yīng)用到道路工程中。如英國(guó)Heathrow機(jī)場(chǎng)、M25 公路、Didcot 電站煤運(yùn)區(qū)的路基、Gatwick 機(jī)場(chǎng)、A126 干線公路的路面等均采用了高摻量粉煤灰砼。
4.2.3 在結(jié)構(gòu)砼中的應(yīng)用高摻量粉煤灰砼從路面用的低坍落度砼擴(kuò)展到中或大坍落度的配筋結(jié)構(gòu)砼。如英國(guó)的Didcot 儲(chǔ)油罐鋼筋砼基礎(chǔ)、Wincanton 污水處理廠和Grangetown 高架橋等工程均采用了高摻量粉煤灰砼, 其中Wincanton 污水處理廠的砼有高抗硫酸鹽的要求, 其集料可能會(huì)發(fā)生堿硅反應(yīng), 而高摻量粉煤灰砼能經(jīng)濟(jì)有效地解決這些問題。
4.3 高摻量粉煤灰砼應(yīng)用前景分析
當(dāng)前, 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展, 高層建筑、高速公路、橋梁工程等大規(guī)模發(fā)展, 節(jié)省投資、確保工程質(zhì)量、特別是建筑物的耐久性顯得尤為重要。同時(shí), 我國(guó)粉煤灰的年排放量已達(dá)到8000 萬(wàn)t 以上, 且增長(zhǎng)迅猛, 但粉煤灰的利用率很低, 發(fā)展高摻量粉煤灰砼為充分利用資源、節(jié)約能源、維護(hù)環(huán)境以及降低成本提供了新的途徑。因此, 研究和開發(fā)高摻量粉煤灰砼具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
4.4 效益分析
4.4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析表3 列出了基準(zhǔn)砼和粉煤灰砼C20、C30 兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的砼材料成本分析的結(jié)果?？梢钥闯雒縨3 C20、C30 粉煤灰砼較基準(zhǔn)粉煤灰砼分別節(jié)省材料費(fèi)8.67 元和8.60 元。
4.4.2 社會(huì)效益分析高摻量粉煤灰砼的應(yīng)用具有顯著的社會(huì)效益和生態(tài)效益, 可以吃掉大量的粉煤灰,減少環(huán)境污染, 節(jié)約能源, 化害為利, 變廢為寶, 為國(guó)家節(jié)約大量水泥, 并且工程造價(jià)大幅度下降。發(fā)展高摻量粉煤灰砼是一項(xiàng)造福社會(huì)、造福人類的綜合利用項(xiàng)目。
5 結(jié)語(yǔ)
高摻量粉煤灰砼是一種既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)的建筑材料, 隨著高摻量粉煤灰砼應(yīng)用范圍的擴(kuò)大, 進(jìn)一步研究和開發(fā)高摻量粉煤灰砼的配制技術(shù), 配制更優(yōu)性能的高摻量粉煤灰砼, 其應(yīng)用前景是相當(dāng)誘人的。
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