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粉煤灰在混凝土中的应用

作者:佚名  文章来源:来源:中华园林网 中国混凝土与水泥制品网  点击数4594  更新时间:2012/4/20 9:38:22  

粉煤灰在混凝土中的应用

一、 概述

  早在2000多年前的古罗马时期,人类就用火山灰与石灰混合作为胶凝材料,建造了许多雄伟的建筑物,例如万神殿,其直径为44m的半球形穹顶就使用了12000吨这种胶凝材料和凝灰岩轻骨料拌合而成的混凝土;还有闻名于世的圆形剧场等,这些建筑现在仍然安然无恙,2000年还有报道意大利人正在翻修圆形剧场,准备在那里面举行盛大的演出。今天在混凝土中掺用的粉煤灰,也是一种火山灰材料,大量的实践证明:掺用粉煤灰的混凝土,其长期性能得到大幅度的改善,对延长结构物的使用寿命有重要意义。

  现在作为混凝土主要胶凝材料的硅酸盐水泥,同样是以石灰石和粘土为主要原料经过煅烧生成的。它问世于19世纪的30年代,至今尚不到200年历史,因此用硅酸盐水泥配制成混凝土建造的各种建筑物最长只有100多年,而国内近些年修建的一些土木工程结构物运行不多年,就出现各种病害,甚至很快就遭到严重的破坏。例如北京的西直门立交桥,运行仅20年就不得不拆除重建;更有甚者,据某省交通科研所一位所长坦言,那里的混凝土路面运行三年不坏的很少!

  80年代初,美国佛罗里达州建造了一座非常宏伟的跨海大桥,在该桥的建设过程中,考虑到周围的侵蚀性环境,在混凝土里掺用了大量粉煤灰,工程质量有很大改善。因而在1983年修订规范时,对原来随意使用粉煤灰的规定进行了修订。新规范(S-346)规定:在中度以上侵蚀环境中的桥梁上部结构,包括预应力构件的混凝土中,必须掺用粉煤灰。其中大体积混凝土中粉煤灰的掺量为18~50%

  什么是大体积混凝土?许多人至今仍认为那就是指大坝,也有些人把高层楼房的大型基础包括在内。可是美国混凝土学会规定:任何现浇混凝土,其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题,以最大限度减少开裂影响的,即称为大体积混凝土。这个问题下面还要谈到。

  掺粉煤灰混凝土的另一典型实例,是1982年英国的Garwick机场的停机坪扩建工程,该工程在两条相邻的道面上对掺与不掺粉煤灰混凝土进行了对比。所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量达到46%。该工程经运行4年后所拍的照片清楚地显示出:与纯硅酸盐水泥混凝土相对照,掺粉煤灰混凝土道面的表面层抗滑构造仍基本完好,而前者则已坑坑点点,受到一定程度的破坏了。这个实际工程事例一方面说明:在低水胶比条件下,即使掺有大量粉煤灰,也可以获得强度和耐久性都十分优异的混凝土;另一方面,对长期以来沿用的,以28d龄期的快速实验结果评价不同类型混凝土的耐久性提出了质疑。

  粉煤灰在混凝土公路路面中的应用举一个例子。Mehta教授曾提到:在美国大约70%的低交通量公路与地方公路需要升级,考虑用大掺量粉煤灰代替水泥以降低造价,电力研究院(EPRI)出资搞了几个示范工程:在北达科他州,19881989年夏天,用20000m3粉煤灰混凝土铺筑厚为200mm的路面,其水胶比为0.43,水泥用量100Kg/m3、粉煤灰220Kg/m3

  加拿大矿产与能源技术中心(CANMET)自1985年以来,对大掺量粉煤灰混凝土进行了深入而广泛的研究,由于该国处寒带地区,因此通常在混凝土里掺有引气剂,并保持含气量在5~6%,在这种前提下,以水泥150kg/m3,粉煤灰200kg/m3通过高效减水剂将水胶比降到0.3左右,所配制的混凝土抗压强度28天为30~40MPa9040~50MPa150~60MPa。大掺量粉煤灰混凝土的成功试验,使其在哈利法克斯的帕克林购物中心施工中用于浇注巨大的柱子,拌合物含55%低钙粉煤灰、45%硅酸盐水泥,以及就地取材的砂、石和高效减水剂。这些柱子一共用去700m3大掺量粉煤灰混凝土;在哈利法克斯海边处于海洋环境的建筑物群施工中也得到应用。该建筑物位于海边,包括两幢商业大厦的公共建筑,其32根直径1.2m30根直径1.1m的框架柱沉箱,平均长度在21m。采用大掺量粉煤灰混凝土的首要原因,是其抗渗性能优异。在渥太华附近的大卫伏劳瑞达实验室,工程师们用CANMET开发的大掺量粉煤灰混凝土设计了一个重360吨的混凝土平台。为了降低水化热,以粉煤灰、型(低热)水泥、水、粗细骨料、引气剂和高效减水剂混合配制。平台的尺寸是8m,平均厚度2.25m,安放在多个充气圆柱体上,因此其震动与地面分离。由于粉煤灰混凝土特殊的品质,发射火箭产生的冲击不会引起平台共振。随着龄期增长,平台混凝土的共振频率以每年0.05Hz的速度增长,质量越来越好。在该平台上成功地发射了爱那克依火箭的事实雄辩地证明:粉煤灰混凝土可以看作是真正的太空时代的建筑材料。

  根据CANMET在第二届高强混凝土的应用国际研讨会发表的论文,以水泥150kg/m3、粉煤灰200kg/m3,不掺引气剂并掺高效减水剂将水胶比降至0.29,所配制的大掺量粉煤灰高强混凝土7天强度可达34MPa2852MPa9070MPa36598MPa

  我们用内蒙元宝山电厂1级粉煤灰、北京2级粉煤灰为原材料,同样以水泥150kg/m3、粉煤灰200kg/m3,并掺高效减水剂调节水胶比为0.30~0.38,配制的混凝土R3=30MPaR28=50MPaR1y=80MPa。根据分析,早期强度发展更快是因为所用水泥含碱量较大、活性高,并因此影响了后期强度发展幅度偏小。

  在建筑工程中,我们与北京城建集团总公司构件厂合作,在自密实混凝土中掺用30~45%粉煤灰作为增粘剂,保证了这种混凝土有足够粘聚性,不致发生离析与泌水现象,而且可在数小时里几乎没有坍落度损失,满足长途运输后仍然能够自密实的效果。该成果(大掺量粉煤灰混凝土在建筑工程中的应用)于199812月获得北京市科技进步三等奖。

  在公路工程建设中,由我们提供技术咨询服务,自1994年以来于广东深-汕等四条近100km高速公路路面混凝土中掺用粉煤灰20~40%,取得明显提高滑模摊铺机摊铺路面板的质量(提高路面宏观平整度、明显减少开裂)、减小进口设备损耗并降低水泥用量等技术与经济综合效益。

  二、 混凝土的结构与性能

  为了便于认识粉煤灰在混凝土中的作用,先来看看混凝土的结构和性能之间的关系。混凝土是由大小不同的颗粒所组成的,大颗粒粗骨料的空隙由中小颗粒的粗骨料(石子)填充;粗骨料颗粒的空隙由细骨料(砂子)填充,它的颗粒也是有粗有细,细颗粒填充粗颗粒之间的空隙;水泥浆则填充粗细骨料堆积体的大小空隙,并包裹它们形成一层润滑层,使新拌混凝土(也称拌合物)具有一定的工作性,能在外力或本身的自重作用下成型密实。硬化混凝土是一种复杂的、多相的复合材料,它的结构主要包括三个相——骨料、硬化水泥浆体以及二者之间的过渡区,说它复杂是因为它很不匀质,主要体现在以下几方面:

  第一,过渡区的存在。过渡区是围绕骨料颗粒周边的一层薄壳,厚度约1050μm。由于它的薄弱,对混凝土性能的影响十分显着;第二,三相中的任一相,本身实际上还是多相体。例如一颗花岗岩的骨料里除了有微裂缝、孔隙外,还不均匀地镶嵌着石英、长石和云母三种矿物。石英很硬,而云母就很软;第三,与其他工程材料不同,混凝土结构中的两相——硬化水泥浆体和过渡区是随时间、温度与湿度环境不断变化着的。

  先谈骨料相。通常在为混凝土选择骨料时,首先注意的是它的颗粒强度,也就是说:它越坚硬越好。事实上,由于骨料的强度通常比其他两相的高很多,因此它对混凝土的强度并没有直接的影响。但是它们的粒径和形状间接地影响混凝土强度:当骨料最大粒径越大、针片状颗粒越多时,其表面积存的水膜越厚,过渡区相就越薄弱,硬化混凝土的强度和抗渗透性也越差。所以,质量好的骨料应该是颗粒形状均匀、级配好,堆积密实度高,所需要的浆体用量少。许多路面板之所以不耐久,骨料质量差,尤其缺乏5~10mm粒径的颗粒,因此传荷能力和抗冲击与疲劳能力受到严重影响是重要的原因。

  再谈硬化水泥浆体(也称水泥石)。在配制混凝土选用水泥时,都认为标号越高的水泥就越好。事实上,高标号水泥因为通常粉磨得越细,在拌合时往往需要更多的水,硬化后生成更多薄弱的氢氧化钙,多余的水分蒸发后也会形成更多的孔隙,对混凝土的强度和耐久性不利。但是,这样的水泥水化反应快,因此用它配制的混凝土早期强度高,这是它受欢迎,售价高的原因。

  试验表明:即使所用骨料非常致密,混凝土的渗透性也要比相应的水泥浆体低一个数量级。这说明:混凝土体的渗透性并不直接取决硬化水泥浆体的渗透性,那么更主要的影响来自哪里呢?答案只能是:来自过渡区。刚浇筑成型的混凝土在其凝固硬化之前,骨料颗粒受重力作用向下沉降,含有大量水分的稀水泥浆则由于密度小的原因向上迁移,它们之间的相对运动使骨料颗粒的周壁形成一层稀浆膜,待混凝土硬化后,这里就形成了过渡区。过渡区微结构的特点为:1)富集大晶粒的氢氧化钙和钙矾石;2)孔隙率大、大孔径的孔多;3)存在大量原生微裂缝,即混凝土未承载之前出现的裂缝。

  因为过渡区的影响,使混凝土在比它两个主要相能够承受的应力低得多的时候就被破坏;由于过渡区大量孔隙和微裂缝存在,所以虽然硬化水泥浆体和骨料两相的刚性很大,但受它们之间传递应力作用的过渡区影响,混凝土的刚性和弹性模量明显地减小。

  过渡区的特性对混凝土的耐久性影响也很显着。因为硬化水泥浆体和骨料两相在弹性模量、线胀系数等参数上的差异,在反复的荷载、冷热循环与干湿循环作用下,过渡区作为薄弱环节,在较低的拉应力作用下其裂缝就会逐渐扩展,使外界水分和侵蚀性离子易于进入,对混凝土及钢筋产生侵蚀作用。

  三、 粉煤灰在混凝土中的作用

  了解混凝土的微结构的特性及其对性能的影响后,就可以更好地认识粉煤灰在混凝土中的作用。粉煤灰的主要作用可以包括以下几方面:

  1)填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层,由于粉煤灰的容重(表观密度)只有水泥的2/3左右,而且粒形好(质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠),因此能填充得更密实,在水泥用量较少的混凝土里尤其显着。

  2)对水泥颗粒起物理分散作用,使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时,水化缓慢的粉煤灰可以提供水分,使水泥水化得更充分。

  3)粉煤灰和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应,不仅生成具有胶凝性质的产物(与水泥中硅酸盐的水化产物相同),而且加强了薄弱的过渡区,对改善混凝土的各项性能有显着作用。

  4)粉煤灰延缓了水化速度,减小混凝土因水化热引起的温升,对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。

  下面对粉煤灰在混凝土中的作用及其机理做一些具体地分析。

  长期以来,国内外在混凝土中常掺有一定量粉煤灰,但作为水泥的替代材料,绝大多数情况下是以如下三种方式应用的:在早期强度要求很低,长期强度大约在25~35MPa的大体积水工混凝土中,大掺量地替代水泥使用;在结构混凝土里较少量地替代水泥(10~25%);在强度要求很低的回填或道路基层里大量掺用。

  对于粉煤灰的作用机理和应用技术,多年来进行了大量的研究工作,取得了不少进展,这些进展对粉煤灰在混凝土中的应用起了一定的推动作用。如掺用的方法从等量替代水泥,发展到超掺法、代砂法以及与化学外加剂同时使用的双掺法。对于粉煤灰的作用机理,从主要是火山灰质材料特性的作用(消耗了水泥水化时生成薄弱的,而且往往富集在过渡区的氢氧化钙片状结晶,由于水化缓慢,只在后期才生成少量C-S-H凝胶,填充于水泥水化生成物的间隙,使其更加密实),逐步发展到分析它还具有形态效应、填充效应和微集料效应等。但无论哪一方面的研究成果,似乎都改变不了这样一个事实:在混凝土中掺粉煤灰要降低混凝土的强度,包括28天龄期以后一段时间里的强度,其他性能当然也相应受到不同程度的影响,而且这些影响要随着掺量的增大而加剧。这个事实始终禁锢着粉煤灰在混凝土中,尤其是结构混凝土中的掺量,而且似乎形成了这样一种成见:掺用粉煤灰是以牺牲结构混凝土的品质为代价的。

  事实上,如前所述,由于高效减水剂的应用,使混凝土的水胶比可以大幅度降低,从而使掺用粉煤灰的效果大为改善,使大掺量粉煤灰混凝土的性能能够大幅度地提高。

  1)水胶比的影响

  水胶比的上述变化为什么影响这么大呢?在高水胶比的水泥浆里,水泥颗粒被水分隔开(水所占体积约为水泥的两倍),水化环境优异,可以迅速地生成表面积增大1000倍的水化物,有良好地填充浆体内空隙的能力。粉煤灰虽然从颗粒形状来说,易于堆积得较为密实,但是它水化缓慢,生成的凝胶量少,难以填充密实颗粒周围的空隙,所以掺粉煤灰水泥浆的强度和其他性能总是随掺量增大(水泥用量减少)呈下降趋势(当然在早龄期就更加显着)。

  在低水胶比的水泥浆里情况就不一样了。不掺粉煤灰时,高活性的水泥因水化环境较差,即缺水而不能充分水化,所以随水灰比下降,未水化水泥的内芯增大,生成产物量下降,但由于颗粒间的距离减小,要填充的空隙也同时减小,因此混凝土强度得到迅速提高。这种情况下用粉煤灰代替部分水泥,在低水胶比条件下(例如0.3左右),水泥的水化条件相对改善,因为粉煤灰水化缓慢,使混凝土实际的水灰比增大,水泥的水化因而加快,这种作用机理随着粉煤灰的掺量增大愈加明显(例如掺量为50%左右,初期实际水灰比则接近0.6),水泥水化程度的改善,则有利于粉煤灰作用的发挥,然而与此同时,需要粉煤灰水化产物填充的空隙已经大大减小,所以其水化能力差的弱点在低水胶比条件下被掩盖,而它降低温升等其它优点则依然起着有利于混凝土性能的作用。以上所述低水胶比下粉煤灰作用的变化,我们可以用一个动态堆积的概念来认识,这是相对于长期以来沿用的静态堆积而言的。即通常在选择原材料和配合比时,是以各种原材料在加水之前的堆积尽量密实为依据的,但是当加水搅拌后,特别是在低水胶比条件下,如何通过粉状颗粒水化的交叉进行,使初始水胶比尽量降低,混凝土单位用水量尽量减少,配制出的混凝土在密实成型的前提下,经过水化硬化过程,形成的微结构应该是更为密实的。上述大掺量粉煤灰混凝土的例子中,每方混凝土的用水量仅100kg左右,要比目前配制普通混凝土少几十公斤,就是明显的证据。有人曾进行过低水灰比(水胶比)掺/不掺粉煤灰净浆的结合水测定试验:掺有30%粉煤灰,水胶比为0.24的净浆,要比水灰比为0.24的纯水泥浆在28d时的结合水还多,证实上述掺粉煤灰后改善了水泥在低水灰比条件下水化程度的说法。因此低水胶比条件下,大掺量粉煤灰混凝土的强度发展与空白混凝土接近,而后期仍有一定幅度的增长,在一定范围内随掺量变化的影响不大。当然,粉煤灰代替水泥用量大了,由于起激发作用的氢氧化钙含量减少,使粉煤灰的水化条件劣化,所以在不同条件下存在一最佳粉煤灰掺量,并不是越大越好。

  2)温度的影响

  众所周知,温度升高时水泥水化的速率会显着加快。研究表明:与20相比,30时硅酸盐水泥的水化速率要加快一倍。由于近些年来大型、超大型混凝土结构物的建造,构件断面尺寸相应增大;混凝设计土强度等级的提高,使所用水泥标号提高、单位用量增大;又由于水泥生产技术的进展,使其所含水化迅速的早强矿物硅酸三钙含量提高、粉磨细度加大,这些因素的叠加,导致混凝土硬化时产生的温升明显加剧,温峰升高。举一个典型的例子:97年北京一栋建筑物底层断面为1.6m×1.6m的柱子,模板采用9层胶合板材料,施工季节为夏季,混凝土浇筑后柱芯的温峰达到110

  在达到温峰后的降温期间,混凝土产生温度收缩(也称热收缩)引起弹性拉应力;另一方面,混凝土水胶比的降低,又会使因水泥水化产生的自身收缩增大,同样产生弹性拉应力;而混凝土的水灰比(水胶比)降低,早期水化加快,混凝土的弹性模量随强度的提高而增大,进一步加剧了弹性拉应力增长;与此同时,混凝土的粘弹性,即对于弹性拉应力的松弛作用却显着地减小,这一切,都导致近些年来许多结构物在施工期间,模板刚拆除或以后不久就发现表面大量裂缝。除了凝固前的塑性裂缝以外,硬化混凝土早期出现的裂缝往往深而长(实际上不可见裂缝的长度和深度,要远比可见裂缝大得多)。为了防止可见裂缝的出现,目前常采取外包保温措施,以减小内外温差,这种做法被认为是有效措施而迅速地得到推广。但是没有注意到:由于外保温阻碍了混凝土水化热的散发,加剧了体内的温升,混凝土体温度升高,使水泥水化加速,早期强度发展更加迅速,因此也更容易出现裂缝,只是由于钢筋的约束和对应力的分散作用,使少量宽而长的可见裂缝转变为大量分散的不可见裂缝,它们将为侵蚀性介质提供通道,影响结构混凝土的耐久性。同时较大的弹性拉应力还可能引起钢筋达到屈服点而滑移,从而可能影响结构的使用功能。

  与水泥相比,粉煤灰受温度影响更为显着,即温度升高时它的水化明显加快。所以当混凝土浇注时环境温度与混凝土体温度较高时,对纯水泥混凝土来说,由于温升带来不利的影响,而对掺粉煤灰混凝土来说,则不仅温升下降,减小了混凝土因温度开裂的危险,同时由于加快火山灰反应,还提高了28天强度。举一个很有意思的例子:德国在修建一条新铁路时,其隧道衬砌曾严重地开裂,当时要求混凝土10h强度不低于12MPa;后来修改了规定:以隔热的立方模型浇注的试件12h最高强度为6MPa;如果超过了,就要增加粉煤灰的掺量来更多地代替水泥。

  以上说明:由于混凝土技术的进展,使混凝土可以在比较低的水胶比条件下制备,这就使粉煤灰在混凝土中的作用出现显着地变化。而近些年来水泥活性增大、混凝土设计等级提高促使水泥用量增大,以及构件断面尺寸加大,在混凝土体温度上升的前提下,进一步促进了粉煤灰在混凝土中作用的发挥,以至可以说:粉煤灰在许多情况下可以起到水泥所起不到的作用,成为优质混凝土必不可少的组分之一。

  3)室内试验与现场浇注

  长期以来,人们对于混凝土强度——其质量控制主要指标(通常也就是唯一指标)的评价,一直是根据在实验室里制备的小试件(由于骨料最大粒径的减小,试件尺寸从200×200×200mm减小到现在的100×100×100mm),经规定龄期的标准养护(20±3RH≥90%),然后在试验机上破型得到的数据进行。Idorn91年曾拟文指出:在特定实验室条件下取样制备试件进行试验作为控制质量的方法,而不去开发以物理化学为科学依据的控制方法,是不合乎当今时代的错误。

  试验室制备的试件与工程中浇筑构件的实际情况存在着明显的差异:

  1)制备试件时的成型条件与工程实际振捣密实的情况不相符,因此不能反映实际结构物中混凝土的振实程度(孔隙率)、沉降程度(离析、泌水)等;

  2)试件养护时的温、湿度与实际构件的情况不同,而这种差异随着现代工程结构断面尺寸明显增大、施工中忽视养护的情况使反差更加剧。如前所述,混凝土构件体内的温升及其对

  3)室内试验与现场浇注 室内试验结果要反映工程施工中混凝土浇筑的实际情况。

  长期以来,人们对于混凝土强度——其质量控制主要指标(通常也就是唯一指标)的评价,一直是根据在实验室里制备的小试件(由于骨料最大粒径的减小,试件尺寸从200×200×200mm减小到现在的100×100×100mm),经规定龄期的标准养护(20±3RH≥90%),然后在试验机上破型得到的数据进行。Idorn[6]91年曾拟文指出:在特定实验室条件下取样制备试件进行试验作为控制质量的方法,而不去开发以物理化学为科学依据的控制方法,是不合乎当今时代的错误。

  试验室制备的试件与工程中浇筑构件的实际情况存在着明显的差异:

  1)制备试件时的成型条件与工程实际振捣密实的情况不相符,因此不能反映实际结构物中混凝土的振实程度(孔隙率)、沉降程度(离析、泌水)等;

  2)试件养护时的温、湿度与实际构件的情况不同,而这种差异随着现代工程结构断面尺寸明显增大、施工中忽视养护的情况使反差更加剧。如前所述,混凝土构件体内的温升及其对混凝土水化过程的不利影响、随后降温时的变形以及产生的内应力,小试件是反映不出来的,更无法反映上述普通混凝土与大掺量粉煤灰混凝土在温升影响下的反差(纯水泥混凝土后期强度比小试件偏低,而大掺量粉煤灰混凝土强度发展加速和提高)。

  3)自由变形的试件和受配筋及其他条件约束的实际构件,在现代结构配筋日益密集、混凝土水胶比明显降低的情况下,对结构混凝土性能产生的影响差异加大:试件在初龄期自身收缩增大时,强度会呈提高趋势;而实际结构中混凝土早期强度提高(弹性模量增大)、自身收缩加剧时,则因变形受约束,引起很大的拉应力从而导致开裂,强度与耐久性降低。

  以上说明:室内试验结果难以完全反映工程施工中混凝土浇筑的实际情况。正是从这个角度出发,许多国家从事混凝土技术研究时,越来越重视足尺试验(与实际结构物尺寸相同或者成比例缩小)和对于实际结构物的现场检测。如上所述,其结果正和小试件的相反。对于大掺量粉煤灰混凝土,或者从更广泛的意义上来说,在混凝土技术领域里的研究方面,我们与先进国家的差距,可能更突出地反映在这些问题上(当然还有其他方面的,例如配制混凝土时所用骨料的变异性大,因此试验结果的重现性差;室内试验混凝土的搅拌、成型和养护条件有待改善等等),而不是如有些人误认为的:因为国内粉煤灰、水泥、外加剂等原材料的质量存在着很大差距,因此得不出类似结果。

  四、 大掺量粉煤灰混凝土

  既然粉煤灰在混凝土中的作用如此重要,为什么粉煤灰混凝土,主要是大掺量粉煤灰混凝土长时间得不到推广呢?在这里提出一个新的看法:目前许多规范中规定的钢筋混凝土中的掺量限制(例如25%),对配制中低强度的混凝土来说,恰恰是最不利于发挥粉煤灰作用的掺量。换句话说,粉煤灰必须用大掺量,才能发挥良好的效果。这是为什么呢?

  如上所述,掺用粉煤灰要想取得良好效果,水胶比必须低,而中低强度混凝土的水泥用量通常在350kg/m3以下。这种条件下,即使掺用再好的减水剂,水灰比(水胶比)也只能在0.50左右。因为再减小时,浆体体积就满足不了填充骨料空隙并形成足够厚度润滑层的需要。当掺加粉煤灰时,由于它比水泥轻,等重量替代水泥时可以增大胶凝材料的体积,所以可以使混凝土的水胶比降低。但是当其掺量较小时(如规定的25%以内),增大胶凝材料的体积有限,降低水胶比的作用也就有限。前面谈到的加拿大CANMET进行的大掺量粉煤灰混凝土性能之所以优异,正是因为它在胶凝材料用量为350kg/m3的条件下,粉煤灰占到57%以上,从而将水胶比降低到0.30左右获得的结果。我们重复了它的胶凝材料比例进行试验,因此也得到了类似的效果。

  大掺量粉煤灰混凝土不仅强度发展效果良好,而且各种耐久性能也十分优异。由于能够明显降低水化温升,也大大减小了混凝土早期出现开裂的危险,可以说是一种适用于除了早期强度要求非常高以外,能够满足各种工程条件,尤其是侵蚀性严酷环境要求的高性能混凝土。例如公路路面板、桥面板就是这样一类结构,不仅工作环境严酷,而且需要耐磨性良好。大掺量粉煤灰混凝土的后期强度增长幅度大,恰好满足了这样的要求——强度和耐磨性随着时间不断增长。但是目前的耐磨性试验不适宜于判断这种混凝土的耐磨性,因为通常就在28天龄期进行快速试验——用钢球在试件上快速旋转产生的磨耗量来评价。这也说明:推广新材料、新技术需要伴随试验评价方法的改进。

  当然,任何事物都有它的两面性,大掺量粉煤灰混凝土也存在局限性。其中,粉煤灰水泥化学外加剂之间的相容性,表现为混凝土水胶比能否有效地降低,使粉煤灰能充分发挥作用,自然是应用这种混凝土首先要检验的问题。一般来说,当水胶比只能在0.40以上时,在中等强度要求的混凝土中使用的效果就可能成问题了。其次,由于大掺量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度减少,因此对于水泥质量的稳定性和粉煤灰品质的稳定性就比较高,当两者的质量产生波动时,会给使用效果带来明显的影响。不过大掺量粉煤灰混凝土的水胶比较低这一特性,也有减小混凝土性能波动的益处。同时,从拌合物的工作度检验中,操作人员比较易于获得粉煤灰质量发生了波动的信息,便于及时采取措施减小或避免损失。此外,工程所在地附近一定半径范围里,有可以适用的粉煤灰来源也十分重要,过长的运输距离不仅使粉煤灰使用费用增加,也给及时满足工程对粉煤灰货源的需求带来困难。

  另外,在使用大掺量粉煤灰混凝土时,需要注意以下施工条件和事项:

  1 配制混凝土的骨料级配良好,以减小空隙率,利于水胶比降低,保证使用效果;

  2 必须采用强制性搅拌机拌合这种混凝土,以保证其均匀性,由于它比较粘稠,在出机口、罐车进料口、入泵口以及摊铺过程要采取相应措施;

  3 混凝土坍落度应控制比普通混凝土减小(不影响泵送与震捣);浇注后,要及早喷洒养护剂或覆盖外露表面,但一般情况下无需喷雾或浇水养护;

  4 气温过低时,要采用保温养护措施,且适当延缓拆模时间,使混凝土硬化和强度发展满足施工需要。

  五、混凝土材料的可持续发展

  混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料,据统计,每年全世界的耗用量接近100亿吨。如此巨大的用量,伴随着生产、使用过程带来矿石资源、能源的消耗,以及对大气和环境造成的污染,已引起全世界业内的关注。

  我国的水泥产量多年来居世界首位,占1/3以上。同时我国粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于发展基础设施建设的需要,有关部门仍在计划投资建设更多水泥厂。过去在混凝土里掺用粉煤灰,是为了节约水泥、降低工程材料费用,今天对混凝土掺用粉煤灰的认识,应该提高到保护环境、保护资源,使混凝土材料可长久地持续应用于基础设施建设中的高度上来认识。

  大掺量粉煤灰混凝土不仅可以改善混凝土的各项性能,延长混凝土结构的使用寿命,同时可以大幅度减小耗费能源多、污染环境严重的硅酸盐水泥用量,因此也是一种绿色混凝土。从这个角度出发,推广大掺量粉煤灰混凝土在我国土木建筑工程中的应用,是一件于国于民有显着效益的事业,必定有强大的生命力,有广阔的发展前景。

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