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:TU201.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號:1673-0534(2007)12(a)-0045-02
在高等級路面混凝土路面內(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。本文對摻粉煤灰高等級混凝土路面技術(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,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),一級燃燒煙煤和無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)我國現(xiàn)行國標(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,如表1 所示。對于鋼筋混凝土和設(shè)計(jì)強(qiáng)度大于C30及以上的無筋混凝土,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,對促進(jìn)混凝土強(qiáng)度增長(尤其是抗拉強(qiáng)度的增長)起了主要的作用。
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級灰?；炷林袚饺敕勖夯业呐浜媳仍O(shè)計(jì)方法,按國標(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 號普通硅酸鹽水泥拌制混凝土,水灰比為0.28,測定混凝土的塌落度值變化情況,從表2 中可以看出:1 號未摻粉煤灰的基準(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?？蓽p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,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βc與σc超量系數(shù)是兩個(gè)不定的因素, 水泥取代率βc,決定粉煤灰取代水泥的量,超量系數(shù)σc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)σc固定為1.5,通過變動(dòng)水泥取代率βc ( 為0% 、1 0 %、1 5 %、20%)。來觀察βc對抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的影響。從表3 中可以看出粉煤灰在βc≥ 15% 時(shí),早期強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土高,當(dāng)βc＞ 15% 以后,強(qiáng)度明顯降低;后期強(qiáng)度隨βc增大而下降;抗折強(qiáng)度隨βc增大上升極為顯著, 這說明加大粉煤灰摻量,對混凝土的抗折強(qiáng)度有明顯提高。
把水泥取代率βc固定為15%,通過變動(dòng)超量系數(shù)σc (分別為1.0、1.5、2.0),觀察一下對抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響, 當(dāng)固定βc=15%,σc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σc =1.0～2.0 范圍內(nèi),也超過了基準(zhǔn)混凝土,且σc =1.5 時(shí)尤為突出。這說明粉煤灰的填充,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
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,某機(jī)場鋪筑兩條對比試驗(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 萬噸。
(3)利用粉煤灰修筑高等級混凝土路面,對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;
(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
利用粉煤灰修筑高等級混凝土路面,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,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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