粉煤灰混凝土应用技术研究
简介： 本文研究了不同产地的粉煤灰物理性能、化学性能 、微观分析和作用机理，粉煤灰混凝土的超量系数(δc)和取代水泥百分率(Bc)的选择。粉煤灰混凝和基准混凝土对比的物理性能、力学性能、长期性能及应用情况等方面的试验成果。
关键字：粉煤灰 粉煤灰混凝土 基准混凝土
1前言
粉煤灰是从煤粉炉排出的烟气中收集到的细颗粒粉末，是工业“三废”之一，目前，我国年 排放粉煤灰约11000万吨，利用率为42%，主要应用在建材、建工、筑路、回填方面。粉煤灰 也是福建省数量最大，分布较广的工业废渣之一，随着工业的发展，粉煤灰排放量将逐年增加，合理地推广和应用粉煤灰不仅能节约土地和能源，而且能保护和治理环境。粉煤灰作为一种人工 火山灰质材料，在混凝土中作为掺和料，可以改善性能，节约水泥，提高工程质量和降低成本，为了更好地应用粉煤灰混凝土，现将粉煤灰混凝土的性能及应用试 验研究成果综述如下。
2 粉煤灰在混凝土中作用机理
粉煤灰是人工火山灰质材料，本身并无胶凝性能，在常温下，当有水存在时，能与石灰起化学反应，生成具有胶凝性能的水化产物，这些水化产物，一般能在空 气中立即硬化，而后渐渐具有水硬性。粉煤灰掺入混凝土中，水泥水化析出的 Ca(OH)2形成的钙离子，吸附在微珠玻璃表面上，能够侵蚀玻璃的表面，而粉煤灰表层的 玻璃与水作用也能析出碱。
3 原材料
3.1粉煤灰 采用邵武电厂、三明电厂和南平造纸厂的原状粉煤灰。
3.1化学成份 试验用的原状粉煤灰的化学成份见表一
表一 粉煤灰的化学成份
名称 | 烧失量% | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | K2O | NaO |
邵武电厂 | 7.18 | 55.3 | 22.9 | 3.18 | 1.46 | 1.22 | 0.27 | 2.73 | 0.72 |
三明电厂
| 5.27 | 56.5 | 27.1 | 4.41 | 1.69 | 1.76 | 0.11 | 2.15 | 0.59 |
南平造纸厂 | 6.41 | 48.10 | 29.2 | 4.89 | 2.35 | 0.84 | 0.31 | 1.17 | 0.86 |
3.1.2 物理性能试验用的原状粉煤灰的物理性能见表二
表二 粉煤灰的物理性能
名称 | 细度 | 含水率 | 视比重 | 容量kg/m3 | 比表面积cm/g | 标准稠度% | 需水量比% | |
80μm筛余(%) | 45μm 筛余(%) | |||||||
邵武电厂 | 1.00 | 0.6 | 2.12 | 643 | 3518 | 39.5 | 96 | |
三明电厂 | 2.42 | 7.20 | 0.2 | 2.11 | 608 | 2370 | 57.5 | 106 |
南平造纸厂 | 8.00 | 17.30 | 0.2 | 2.01 | 493 | 3288 | 39.7 | 107 |
3.1.3微观分析通过X射线、扫描电镜对邵武、三明和南平粉煤灰的矿物
组成及颗粒形态特征进行分析表明 ，上述电厂粉煤灰矿物组成基本相同，
是由大量的硅铝成分为主的玻璃相和结晶相矿物组成。结晶相矿物主要是
莫来石A3S2,石英α-SiO2，其次是少量的磷铁矿Fe3O4，赤铁矿Fe2O3和极少
量的长石和未燃尽的碳粒。非晶体物质——玻璃体是由大小不均匀的玻璃
球颗粒和无定形颗粒组成。
3.2粗骨料
采用5-20mm碎石，物理性质见表三
3.3细骨料
采用闽江流域的中砂，物理性质见表三
3.4水泥
采用健福牌PO425普通水泥
表三 粗、细骨料的物理性能
名称 | 品种规格 | 视比重 | 容量kg/m3 | 细度模数 | 颗粒级配（累计筛余%) | |||||||||
25mm | 20mm | 15mm | 10mm | 5mm | 2.5mm | 1.25mm | 0.63mm | 0.315mm | 0.16mm | |||||
细骨料 | 中砂 | 2.56 | 1391 | 2.72 | / | / | / | / | 0.2 | 2.6 | 13.9 | 57.7 | 98.8 | 99.7 |
粗骨料 | 5-20 mm碎石 | 2.55 | 1486 | / | 2.47 | 14.58 | 32.25 | 57.89 | 90.16 | 99.95 | / | / | / | / |
4 粉煤灰超量系数(δc)和取代水泥百分率(Bc)
粉煤灰混凝土的配合比设计是以基准混凝土配合比为基准，按等稠度，等强度等级原则，用 超量取代法进行调整，选定粉煤灰超量系数(δc)为1.2、1.3、1.4，取代水泥百分率(Bc)为 0.5%、10%、15%、20%、25%、30%配制C30和C20混凝土，根据混凝土强度情况，结合混凝土和易性，选取粉煤灰超量系数(δc)和取代水泥百分率(Bc)见表四
表四 粉煤灰超量系数(δc)和取代水泥百分率(Bc)
水泥品种 | 混凝土等级 | 粉煤灰 | ||
产地 | δc | Bc | ||
425＃普通水泥 | C30 | 邵武 | 1.2 | 10 |
三明 | 1.2 | 10 | ||
南平 | 1.3 | 15 | ||
C20 | 邵武 | 1.4 | 15 | |
三明 | 1.2 | 10 | ||
南平 | 1.2 | 15 | ||
确定了在不同标号的混凝土中掺入不同产地的粉煤灰的超量系数和取代水泥百分率后，进行了粉煤灰混凝土有关性能试验。
5 粉煤灰混凝土物理性能
5.1坍落度损失情况
粉煤灰混凝土比基准混凝土坍落度损失可明显减少，这样有利于热天施工，特别是商品混凝 土输送及泵送凝土施工。
5.2凝结时间
粉煤灰混凝土比基准混凝土凝结时间慢，初终凝均比基准混凝土推迟约1-3小时，这是由于粉煤灰在形成的过程中，其表面吸附了一定量的Na2O及SO3，这些化合物延长了混凝土的凝结时间。
5.3水化热
水泥水化作用是放热作用，用粉煤灰取代水泥后，能使温升降低约20%左右，对混凝土温升起到缓解作用，很适用于大体积混凝土工程。
6 粉煤灰混凝土的基本力学性能(见表五)
6.1抗压强度
粉煤灰混凝土比基准混凝土早期强度低，但后期强度高于基准混凝土。
6.2粉煤灰混凝土的抗折、抗拉、轴压强度。
粉煤灰混凝土抗拉强度基本上与基准混凝土相近，但其抗折轴压强度比基准混凝土有所下降。
6.3弹性模量 粉煤灰混凝土比基准混凝土弹性模量在C30混凝土中有所下降，但在C20混凝土中弹性模量有所改善。
粉煤灰混凝土的基本力学性能 表五
混凝土等级 | 粉煤灰产地 | 抗压强度(MPa) | 抗折强度MPa | 抗拉强度MPa | 轴压 强度MPa | 弹性模量×104MPa | ||||||
3天 | 7天 | 28天 | 60天 | 90天 | 180天 | 360天 | ||||||
C30 | 基准 | 12.4 | 23.0 | 35.5 | 36.9 | 39.6 | 43.6 | 54.6 | 3.88 | 1.95 | 31.6 | 2.36 |
邵武 | 11.6 | 22.7 | 36.0 | 40.1 | 43.2 | 46.7 | 59.5 | 3.45 | 1.91 | 27.7 | 2.57 | |
三明 | 11.4 | 21.2 | 35.2 | 37.7 | 43.5 | 45.3 | 55.1 | 3.61 | 2.00 | 29.9 | 2.46 | |
南平 | 10.3 | 21.0 | 35.0 | 37.2 | 41.0 | 46.1 | 57.8 | 3.26 | 1.91 | 24.3 | 2.58 | |
C20 | 基准 | 10.8 | 15.7 | 21.9 | 24.8 | 29.0 | 32.6 | 34.9 | 3.61 | 1.35 | 24.5 | 2.31 |
邵武 | 10.1 | 13.6 | 23.2 | 25.4 | 29.8 | 36.9 | 38.3 | 3.54 | 1.33 | 23.3 | 2.48 | |
三明 | 9.6 | 12.7 | 23.8 | 28.2 | 32.1 | 34.4 | 38.5 | 3.48 | 1.34 | 22.0 | 2.54 | |
南平 | 10.0 | 13.6 | 23.2 | 25.1 | 29.0 | 33.0 | 37.1 | 3.57 | 1.31 | 20.4 | 2.53 | |
7 粉煤灰混凝土的长期性能和耐久性能
7.1抗冻性能
粉煤灰混凝土比基准混凝土，28天龄期的抗冻性能有所降低。
7.2抗渗性能
粉煤灰混凝土比基准混凝土，抗渗性能有所提高，这在于火山灰反应，使普通混凝土内性能不稳定的氢氧化钙转为结构上致密，性能上稳定的胶凝物质，使其提高了混凝土的抗渗性。
7.3干缩性
粉煤灰混凝土比基准混凝土的收缩值小，两者收缩发展情况基本相近。
7.4钢筋粘结力
粉煤灰混凝土比基准混凝土钢筋粘结力有所提高。这是由于粉煤灰混凝土比基准混凝土胶结 料明显增多，均匀性较好，因而增强了其粘结强度。
7.5碳化性能
粉煤灰混凝土的碳化深度比基准混凝土大，但粉煤灰混凝土在50年碳化深度一般均小于钢筋混凝土的保护层厚度。
8粉煤灰混凝土在工程上应用
为了进一步了解在混凝土中掺入粉煤灰后，对混凝土强度情况及验证试验结果的可行性，我们在福州有关工程上进行了应用，混凝土工程量约为1000m3混凝土强度为C30和C20，共节约水泥47T，每立方可降低成本约8%，现场施工人员普通反映，粉煤灰混凝土和易性好，振捣方便，脱模后，混凝土表面光滑，效果良好。 9结语 9.1不同产地的粉煤灰配制的粉煤灰混凝土，经试验所选取的粉煤灰超量系数(δc)和取代水泥百分率(Bc)是可行的。其28天强度与基准混凝土基本相近，但不同品种的粉煤灰配制的混凝土，其(δc)和(Bc)值，需根据原材料和配合比的实际情况，经试验确定，才能保证粉煤灰混凝土的质量。
9.2粉煤灰混凝土比基准混凝土凝结时间慢，水化热低，坍落度损失少，后期强度高，抗渗性能和干缩性等方面都有所改善，抗冻，碳化性能有所下降。
9.3粉煤灰混凝土不仅能节约水泥，还减少了细骨料，从而降低了混凝土成本，具有一定经济效益，同时利用粉煤灰，可减少占地面积，可改善环境污染，因此，具有一定社会效益。
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