粉煤灰混凝土的研究与应用

　　关键词：粉煤灰混凝土;粉煤灰;性能;作用;

　　Abstract: This article describes the formation of the fly ash and its main performance, analyzed fly ash concrete mechanism and the properties of concrete.

　　Keywords: fly ash concrete; fly ash; performance; role;

　　中图分类号：TQ178 文献标识码：A 文章编号：

　　在20世纪70年代，由于世界性能源危机、环境污染和矿物资源的枯竭等原因，强烈地激发了粉煤灰利用的研究和开发。粉煤灰的资源丰富、价格低廉已成为新兴的建材原料和化工产品的原料，受到了人们的青睐。我国是一个产煤大国，以煤炭为电力生产的基本燃料。近年来，我国电力工业的迅速发展，发电能力年增长率是7.3%，随之也带来了粉煤灰排放量的大量增加，对我国的国民经济建设及生态环境造成了巨大的压力。另一方面，我国是一个人均占有资源储量有限的国家，对于粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已经成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决我国的电力生产环境污染，资源缺乏之间矛盾的重要手段，同时也是电力生产所面临解决的任务之一。

　　目前，对粉煤灰的研究工作大都由理论研究转向了应用研究，特别是着重资源化研究和开发利用。利用粉煤灰生产的产品也在不断增加，技术在不断更新中，粉煤灰综合利用的途径从过去的路基、填方、混凝土掺和料、土壤改造等方面，发展到目前的在水泥原料、水泥混合材、大型水利枢纽工程和泵送混凝土、大体积混凝土制品及高级填料等高级化利用途径。

　　1粉煤灰的主要性能

　　粉煤灰的结构是煤粉燃烧和排出的过程中形成的，比较复杂。在显微镜下观察，粉煤灰是由晶体、玻璃体及少量未燃炭所组成的一个复合结构的混合体。混合体中这三者的比例是随着煤燃烧所选用的技术与操作手法的不同而不同。其中结晶体包括石英、莫来石、磁铁矿等;玻璃体则包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则孔隙少的小颗粒、且疏松多孔形状不规则的玻璃体球等;未燃炭多呈现疏松多孔形式。

　　粉煤灰的物理性质包含密度、堆积密度、细度、比表面积、需水量等等，这些性质是化学成分与矿物组成的宏观反映。由于粉煤灰的组成范围波动很大，这就决定了其物理性质的差异也很大。在粉煤灰的物理性质中，细度和粒度是比较重要的项目。因为它直接影响着粉煤灰的其他性质，如果粉煤灰越细，细粉占的比重越大，其活性也就越大。粉煤灰的细度影响早期水化反应，而化学成分则影响后期的反应。

　　2粉煤灰的划分

　　粉煤灰的活性主要来于活性SiO2(玻璃体SiO2)及活性A12O3 (玻璃体A12O3 )在一定的碱性条件下的水化作用。因此粉煤灰中活性SiO2与活性A12O3以及F-CaO(游离氧化钙)都是有活性的的有利成分，硫在粉煤灰中的一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，对粉煤灰早期强度的发挥具有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰的活性也是有利组成。粉煤灰中钙的含量在3%左右，它对胶凝体的形成也是有利的。国外称CaO含量超过10%的粉煤灰为C类灰，低于10%的粉煤灰称为F类灰。C类灰本身具有一定的水硬性，可作为水泥混合材，F类灰则常作为混凝土掺和料，它比C类灰使用时的水化热要低。

　　根据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB1596-2005[1]的规定和《高强高性能混凝土用矿物外加剂》GB/T18736-2002[2]的规定，使用于混凝土中的粉煤灰按其质量指标划分成三个等级，见表1-1。

　　表1-1粉煤灰质量指标的分级

　　质量指标细度(4.5μm方孔筛余量%)烧失量%需水量比%三氧化硫含量%

　　Ⅰ≤12≤5≤95≤3

　　Ⅱ≤25≤8≤105≤3

　　Ⅲ≤45≤10≤115≤3

　　Ⅰ级粉煤灰允许用于后张预应力混凝土及跨度小于6m的先张法预应力钢筋混凝土中。

　　Ⅱ级粉煤灰允许用于普通钢筋混凝土中。

　　Ⅲ级粉煤灰则主要用于C15以下无筋混凝土中。

　　3粉煤灰对混凝土的作用与影响

　　粉煤灰在混凝土中的主要作用表现在以下几方面：

　　1掺入粉煤灰可以改善新拌混凝土的和易性

　　新拌混凝土的和易性易受浆体的体积、水灰比、骨料的级配、形状、孔隙率等的影响，掺用粉煤灰对新拌混凝土的好处是增大浆体的体积，大量的浆体填充骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。而且粉煤灰的骨料颗粒可以减少浆体和骨料间的界面摩擦，在骨料的接触点起到滚珠轴承效果，从而改善混凝土拌和物的和易性。

　　②粉煤灰可以抑制新拌混凝土的泌水

　　粉煤灰的掺入可以补偿细骨料的细屑不足，中断砂浆基体中泌水的连续性，同时粉煤灰作为水泥的取代材料，在同样的稠度下会使混凝土的用水量有不同程度的降低，因此掺用粉煤灰对防止新拌混凝土的泌水是有利的。

　　③掺用了粉煤灰，可以提高混凝土的后期强度

　　有资料表明，在混凝土中掺入粉煤灰后，随粉煤灰掺量的增加，早期强度(28天以前)逐渐减少，而后期强度逐渐增加。粉煤灰对混凝土强度有三重影响：减少用水量，增大胶结料含量，通过长期火山灰反应提高强度。

　　在原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰的混凝土强度增长主要取决于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中的玻璃态的活性氧化硅、氧化铝和水泥浆体中Ca(OH)2作用生成了碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙的速度与数量。粉煤灰在混凝土中，当Ca(OH)2薄膜覆盖于粉煤灰颗粒表面上时，就开始发生火山灰效应了。但由于在Ca(OH)2薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰活性组分反应，反应产物在层内逐级聚集，水解层在未被火山灰反应产物充满到某种程度的时候，不会使强度有较大增长。随着水解层被反应产物所充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间就逐步形成牢固联系，从而导致混凝土的强度、不透水性和耐磨性的增长，这是掺粉煤灰混凝土早期强度较低、后期强度增长较高的原因。

　　④掺粉煤灰可降低混凝土的水化热

　　在混凝土中水泥的水化反应是放热反应，在混凝土中加入粉煤灰，由于减少了水泥的用量可以降低水化热，水化放热的多少和速度取决水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量。例如，若按重量计用粉煤灰取代30%的水泥时，能使因水化热导致的绝热温升降低15%左右。众所周知，在温度升高时水泥水化速率会显著加快的，研究表明：与20℃相比，在30℃时硅酸盐水泥的水化速率要加快1倍。对于一些大型、超大型混凝土结构，断面尺寸增大，混凝土设计强度等级提高，其所用水泥强度等级高，单位量增大，施行新标准后，水泥的粉磨细度加大，这些因素的叠加，导致了混凝土硬化过程温升明显的加剧，温峰升高，这是导致许多的混凝土结构物在施工期间，模板刚拆除就发现大量裂缝的原因。粉煤灰混凝土能减少水泥的水化热，减少结构物因为温度而造成的裂缝。

　　⑤掺粉煤灰可改善混凝土的耐久性

　　混凝土中掺粉煤灰对其冻融耐久性有很大影响，当粉煤灰质量较差，粗颗粒多，含碳量高对混凝土抗冻融性有不利影响。质量差的粉煤灰随着掺量的增加，其抗冻融耐久性降低。但当掺入质量较好的粉煤灰同时适当降低水灰比，就可以收到改善抗冻性的效果。

　　水泥混凝土中如使用了高碱水泥，就会与某些活性集料发生碱集料反应，就会引起混凝土产生膨胀、开裂，从而导致混凝土结构破坏，而且这种破坏会一直发展下去，难以补救。近年来我国水泥含碱量的增加，混凝土中水泥用量的提高以及含碱外加剂的普遍应用，增加了碱集料反应破坏的潜在危险。在混凝土中掺入粉煤灰，可以有效地防止碱集料反应，提高混凝土耐久性。

　　4结语

　　随着混凝土技术的不断发展，特别是在混凝土的设计强度提高以后，混凝土中的胶凝材料单独使用水泥已经不能满足要求。大量的实践工程显示，适量的掺入粉煤灰是配制良好工作性能混凝土的途径之一。

　　参考文献

　　[1] GB1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》.

　　[2] GB/T18736-2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》.

　　[3] 韩怀强,蒋挺大.粉煤灰利用技术[M].化学工业出版社,2001.

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