高掺量粉煤灰混凝土的性能及环保节能效应论.doc

高掺量粉煤灰混凝土的性能及环保节能效应设计者：刘超 关豆豆 何秋 雷杨 夏红亮指导老师：肖莲珍材料学院，无机非专业试验和研究内容简介本实验设计了不同掺量粉煤灰在混凝土等量替代水泥的应用效果，测试了混凝土在不同龄期的抗压强。与空白样品相比，早龄期抗压强度偏低，但后期强度发展较快，赶上空白样品，这关系到混凝土的使用性能。 因此用粉煤灰替代部分水泥用于混凝土中在需要的性能上是可行的，在经济上可节省混凝土成本，还有废物利用，环保节能的社会及环境效益。关键词 粉煤灰，混凝土，抗压强度，环保节能联系人：刘超 联系电话EMAIL：13539392891 研制背景及意义 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。而水泥作为混凝土的重要组分,在生产过程中能耗大，且会向大气中排放大量的CO2,目前全世界每年C02排放量约为100亿吨,造成环境污染、温室效应和全球变暖等不利影响。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一2010年我国粉煤灰和煤矸石产生量约 10.7亿t,预计到2015年产生量将继续增加,有望达到13亿t。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。目前，国内对粉煤灰的大批量处理主要是回填，而回填带来的主要问题是粉 煤灰潜在的毒性对环境的长期影响，从而对地下水、土壤造成污染。粉煤灰浸出的一些微量重金属元素也会对环境造成影响。正是基于粉煤灰的环境问题，本文重点研究了不同量粉煤灰掺入混凝土，对混凝土抗压及其它性能影响，在满足混凝土性能的前提下，提高混凝土中粉煤灰掺量，促进粉煤灰废渣在混凝土中的大规模应用，不仅有利于固体废弃物再利用，变废为宝，而且可以保护环境，节约资源，对社会和经济两方面有着重要的意义，亦对粉煤灰高价值利用开辟了广阔的途径，因此具有很好的发展前景。 2 实验方案2.1 实验主要原材料 本试验用水泥为P.O42.5的普通硅酸盐水泥，粉煤灰为二级粉煤灰，水泥和粉煤灰的化学组成如下表1，水为普通自来水。表1 水泥与粉煤灰的化学组成化学成分SiOAlOFe2O3CaO MgO SO2 Na2Omf-CaO水泥/%21.57 4.44 2.78 62.83 2.32 3.14 0.60 0.79粉煤灰/%57.60 21.90 2.70 3.87 1.68 0.61 1.05 2.1.1 粉煤灰概述煤粉中的无机物在燃烧过程中先分解然后经烧结熔融，最后冷却形成粉煤灰，其化学组成主要为Si02、A1203、Fe203矿物组成主要包括玻璃体和晶体矿物。粉煤灰活性粉煤灰的活性是衡量粉煤灰再利用价值的重要参数，其活性大小与细度、烧失量、化学成分披玻璃体含量相关粉煤灰的的活性在水泥生产中主要体现在化学活性，粉煤灰化学活性则与粉煤灰自身化学组成密切相关，粉煤灰的化学活性主要表现为火山灰活性，掺有粉煤灰的水泥水化过程中，首先是水泥熟料矿物水化，此过程中释放Ca(OH)2，Ca(OH)2与粉煤灰中的活性组分发生的火山灰反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。由于火山灰反应减少了系统中氢氧化钙的含量，又可加速水泥熟料的水化。粉煤灰的物理活性在水泥生产宏观机理有着重要作用。粉煤灰的物理活性主要是指粉煤灰形态效应、微集料效应等的总和，是与自身化学性质无关，又能促进制品胶凝活性和改善制品性能（如强度、抗渗性、耐磨性等）的各种物理效应的总称它是粉煤灰能够直接被充分利用、最有实用价值的活性，是粉煤灰早期活性的主要来源粉煤灰的形态效应，主要表现为粉煤灰的颗粒形貌、粒度分布等特性所引起的可改善水泥基材料性能的填充作用、润滑作用等2.1.2 水泥概述 细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材水泥样本料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料 2.2 实验研究 2.2.1 实验配料本实验对于实验原料的处理采用等量替换法，即保持每组水泥、水和粉煤灰的质量为一定值（本实验为990g），通过改变添加粉煤灰的质量，从而改变胶凝材料的配合比（ 本实验采用改变粉煤灰占总的胶凝材料的质量百分数为10%、20%、30%、40%、50%和一组不加粉煤灰的空白对照组）。依次对其编号 FA10 FA20 FA30 FA40 FA50 FA0。原料配合比如下表2所示 表2 粉煤灰等量替换水泥与其强度的关系编号等量替换比（%）配合比水泥(g)粉煤灰(g)水(g)FA00990396FA 101089199396FA 2020792198396FA 3030693297396FA 4040594396396FA 50504954953962.2.2 实验设计 本试验采用上述材料，设计配制不同添加粉煤灰量的胶凝材料并采用配制了3d、28 d 不同龄期的普通水泥和添加同量的粉煤灰的混凝土进行对比试验。2.2.3 实验步骤 1）实验样品的称取 按照实验设计的要求，在天平上称取每一组实验所需要的水泥， 粉煤灰，水的质量。共6组 2）水泥成型 将试模擦净，四周模板与底板接触面上应涂黄油，紧密装配，防止漏浆。内壁均匀刷一薄层机油。 先使搅拌机处于待工作状态，然后再按以下的程序进行操作。把量好的水(精确lmL)加入锅里，再加入称好的水泥(精确1g)，把锅放在固定架上，上升至固定位置。然后立即开动搅拌机，低速搅拌30s后，把机器转至高速再拌30s，停拌90s，在第1个15s内用一胶皮刮具将叶片和锅壁上的水泥浆刮人锅中间，在高速下继续搅拌60s。各个搅拌阶段，时间误差应在1s以内。 制备后应立即进行成型。预先将空试模和模套固定在振实台上，用一个适当勺子直接从搅拌锅里将水泥浆分二层装人试模，装第一层时，每个槽里约放500g胶砂，用大播料器垂直架在模套顶部沿每个模槽来回一次将料层播平，再振实60次。再装入第二层水泥浆，用小播料器播平，再振实60次。移走模套，从振实台上取下试模，用一金属直尺以近似90的角度架在试模模顶的一端，然后沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动，一次将超过试模部分的胶砂刮去，并用一直尺以近乎水平的情况下将试体表面抹平。最后在试模上标记。3） 试体养护 脱模前的养护：将试模放人养护箱养护温度(203)，相对湿度大于 90L一直养护到规定的脱模时间时取出脱模。脱模前，用防水墨汁或颜料笔对试体进行编号，对二个龄期以上的试体，在编号时应将同一试模中的3条试体分在二个以上龄期内。 脱模：对于24h龄期的，应在破型试验前20min内脱模；对于24h以上龄期 的， 应在成型后2024h之间脱模。脱模应小心，以免损伤试体。对于已确定作为 24h龄期试验的已脱模试体，应用湿布覆盖至做试验时为止。 4） 抗压强度的测定 由于100 mm 100 mm 100 mm ，试件和标准试件相比有小尺寸效应，即环效 应，因此，在所得强度的水泥浆基础上，乘以0 95换算成150 mm 150 mm 150 mm 标准试件的强度。2.2.4 实验结果 表3 抗压强度记录表编号等量替换比（%）龄期(d)强度平均值(MPa)FA0-103292848FA10-1103272845FA20-1203212848FA30-1303192837P40-1403142837P50-1503728/ 图1 2.2.5 实验分析 通过表3和图1的数据我们可以发现：1 用粉煤灰掺杂的水泥，会使3天水泥块抗压强度偏低 ，并且，随着粉煤灰量的逐渐加多，水泥3天的抗压强度不断下降。2 用粉煤灰掺杂的水泥，水泥的28天抗压强度基本符合实际需求，并且再添加粉煤灰合适的范围，掺杂粉煤灰水泥的28天抗压强度比同等量水泥的强度没有差别：不仅如此，基本上本实验做得粉煤灰掺杂水泥的抗压强度均符合国家标准，适用于不同的水泥质量需求。3 掺杂粉煤灰等量替换为10%，3天抗压强度效果好，28天抗压强度也差别很小（小3MPa);掺杂粉煤灰等量替换为20%，28天的抗压强度效果好(与未掺杂的水泥强度一样）；掺杂粉煤灰等量替换为40%，水泥的28天抗压强度也是符合国家标准，由于掺杂的粉煤灰多，实际效益最高。4 对不同的质量的水泥需求，实际生产选择不同的组的粉煤灰水泥，但是均比不添加粉煤灰的水泥综合效益高3 实验分析 3.1粉煤灰在混凝土中的作用机理 3.1.1活性效应 在常温下，由于粉煤灰的水化反应比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期强度得不到补偿，所以混凝土早期强度随粉煤灰掺量的增加而降低。随着时间的推移，粉煤灰中活性部分SiO2和AlO与水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，生成大量水化硅酸凝胶。粉煤灰外部的一些水化产物在成长过程中也会象树根一并伸入颗粒空隙中，填充空隙，破坏界面区Ca(OH)2的择优取向排列，大大改善了界面区，促进了混凝土后期强度的增长。3.1.2微集料密实填充及颗粒形态效应 均匀分散在混凝土中的粉煤灰颗粒不会大量吸水，不但起着滚珠作用，而且与水泥粒子组成了合理的微级配，减少填充水数量，影响系统的堆积状态，提高堆积密度，具有减水作用，使新拌混凝土工作性优良，硬化混凝土微结构更加均匀密实。而且，不会发生泌水离析现象，可施工性和抹面性好，抗渗性、抗冻性好。3.1.3交互作用 水泥、粉煤灰、外加剂等不同粉料间会产生物理、化学的交互作用。粉煤灰的使用大大节约水泥熟料，抑制碱一骨料反应：水泥中含量少，水化产生的热量少，减少了混凝土构件由于内外温差过大而引起其表面开裂的危险；粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2，混凝土不耐蚀成分减少，因而耐化学侵蚀性比普通混凝土强得多。3.1.4 物相效应 粉煤灰的主要矿物组成是海绵状玻璃体、铝硅酸盐玻璃微珠。这些球状玻璃体表面光滑，粒度细，质地致密，内比表面积小，不仅使水泥浆需水量小，而且能填充到水泥浆体的孔隙中，使混凝土密实性大大提高。并可在相同用水量的情况下，增大其流动性，改善其和易性和可泵性4 优点与创新点 4.1 优点 1）水泥在水化反应过程中，放出的热量称为水化热- 对于尺寸小的混凝土构件，水化 热会很快散失；但对于大尺寸的混凝土结构构件，如大坝、地坪、道路等，水化热会在混凝土内部积聚，引起混凝土内外产生较大的温差，导致混凝土开裂- 粉煤灰的取代效应使水泥熟料用量减少，水化热降低；火山灰效应拉长了水化反应过程，降低了水化温升的峰值- 对于大体积混凝土，如大坝混凝土，粉煤灰可以有效地降低水化温度，防止温度应力引起的裂缝。 2）粉煤灰混凝土耐溶出性侵蚀、酸性侵蚀和盐类侵蚀的能力增强- 效应有三：粉煤灰使混凝 土的密实度提高，阻止了软水和腐蚀介质的渗透；粉煤灰混凝土中水泥水化产物的量少；粉煤灰使高盐基的水化铝酸钙水解成为极 限石灰浓度较低的低盐基水化铝酸钙，因而消除或减少了高硫型水化硫铝酸钙形成的可能性，更易形成低硫型水化硫铝酸钙- 低硫型水化硫铝酸钙在远离含铝固相表面的液相中以分散状析出结晶，填充原来的充水空间，不仅不会产生有害的内应力，而且还可作为水泥石的有效组织结构，增强水泥石的密实性和强度 3）煤灰混凝土因密实性提高，孔隙结构改善和水化产物的变化，具有较高的抗氯离子渗 透能力和较高的电阻抗，从而有效地抑制氯离子对钢筋的电化学锈蚀及杂散电流对钢筋的腐蚀，使混凝土对钢筋的保护能力提高4.2 创新点：1） 巧妙得将目前被视作废料的粉煤灰替代高能耗产品水泥，达到节能减排的目的。 2） 对普通混凝土的配方进行了完善，使得普通混凝土的性能得以大幅度提高。 3） 本实验在实验室操作步骤简洁，容易将技术推广，从实验室的到工厂的大规模的运 用，容易实现5 实际效益 5.1 环保效益 据国家统计局数据，2013年全国煤炭消费量约为36.2亿吨，同比增加0.7亿吨，增长1.97%。粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰。我国1995年粉煤灰排放量约125亿t，2000年粉煤灰排放量约15亿t，2009年粉煤灰排放量约375亿t。与此相应的，在我国大部分的城市，大气中悬浮颗粒物的主要来源是燃煤飞灰，污染程度严重的话，形雾霾，人吸入体内，甚至被血液吸收，送到人体各个器官，也可能与细胞发生各种化学反应，同时飞灰沉降落地或堆放在储灰污池中的粉煤灰，因雨水淋滤，会污染地表水及地下水。凡此种种，如果不对粉煤灰加以处理，一旦排放到环境中，将对我们的健康造成危害，对生存的生态环境造成破坏。水泥工业作为典型的大气污染行业，是危害我国大气安全的重要因素。水泥工业的环境污染主要是粉尘、废气和噪音。据统计，在2002年我国水泥工业烟尘和粉尘排放总量是809万吨，占我国全年烟尘粉尘排放总量的近40%。水泥成本的大部分是回转窑煅烧水泥过程中煤炭能源的消耗费用，水泥工业高耗能显而易见。另外，据新华网最新报道，我国人均排放量CO2已经超过世界平均水平，世界平均水平是6.4t，我们现在的是7tCO2。 因此，用粉煤灰部分替代水泥或掺合进混凝土，不仅可以减少火力发电厂粉煤灰固体废弃物的堆积，节约灰场的土地占用面积，也可以减少对大气和水资源的污染。.而且，还可以减少的水泥的部分产量，节约资源，降低生产水泥过程的污染和能耗。减少温室气体CO2的排放量，缓解全球气温上升的压力。最后，形成以“资源一产品一废弃一再生资源”为表现形式的循环经济模式，使固体废弃物粉煤灰成为再生与环保资源，达到节能减排、生态环保的作用。5.2 经济效应用粉煤灰等量替换水泥，减少一定比例的水泥用量，用便宜许多的等量的粉煤灰代替，毫无疑问，可以减少混凝土的生产成本。以普通C30 混凝土为例，一立方混凝土需要P.O42.5水泥361 kg 、砂子 613.7kg 、 石子1249.06kg 、 水 176.89kg，即配比为1 : 1.7 : 3.46 : 0.49 。粉煤灰替代20%的水泥时，混凝土强度减少量很小，而此时可以减少使用水泥72.2kg，全国各地PO42.5水泥价格200500元/吨，由于地域不同和产品质量不同而有差异。而粉煤灰价格相对低得多，混凝土用粉煤灰通常50150元/吨，如目前灵寿县清逸矿产品加工厂生产的国际一级粉煤灰价格90100元/吨、国际二级粉煤灰价格6070元/吨、国际三级粉煤灰价格3850元/吨。若取水泥和粉煤灰差价为150元/吨，那么一立方的混凝土成本可以减少多余10元。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，其主要来源是以煤粉为燃料