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大掺量粉煤灰商品混凝土的实际应用意义及实例 2005年4月9日点击数：3483南京友西科技有限责任公司鹿立云（高级工程师）一、大掺量粉煤灰商品混凝土（HFCC）的定义HFCC以满足不同工程的设计要求为目标，强度等级范围宽，但在特定的工作环境中有良好的耐久性；必须使用高性能外加剂（尤其具有激发粉煤灰活性的外加剂为佳），使HFCC的早、中期强度和普通混凝土相当或接近；HFCC的粉煤灰掺量一般不低于总胶凝材料重量的50%（至少不应小于40%）。并且应将掺量与品质指标结合起来考虑；HFCC应具有良好的工作性、体积稳定性与经济性。二、国内外（HFCC）发展的趋势国外30年代、国内50年代开始在混凝土中应用粉煤灰-目的：经济性考虑（节约一点水泥或弥补细集料的不足等）； 从70年代开始，有三个因素大大促进了粉煤灰应用技术的发展： 1、水工大坝大体积混凝土-掺入比例高达50 %70%，目的主要是降低水泥水化热，提高其热学性能； 2、高效减水剂的逐渐普及，使粉煤灰的潜能得到了淋漓尽致的发挥减少水胶比； 3、随着高层建筑、大跨度桥梁以及海工混凝土的发展，强度等级的提高，高水泥用量带来的热裂危险和体积不稳定性等副作用，促进了HFCC的发展； 80年代后期，以加拿大CANMET（非碾压混凝土）研究小组，对HFCC进行系列研究，其中FA/（C+FA）=55%以上。研究结果表明，试验优化的HFCC，其早中期强度、工作性、热学性、体积稳定性、绝大多数耐久性均较普通混凝土有不同程度的改善或提高；三、我国现行技术规范中根据不同工程部位、水泥品种、技术要求允许取代的最大量值 粉煤灰混凝土应用技术规范-GBJ146-90； 粉煤灰用于不同混凝土技术要求的规定： 1、I级灰适用于钢筋混凝土和跨度小于6m的预应力钢筋混凝土； 2、II级灰适用于钢筋混凝土和无筋混凝土； 3、III级灰适用于C30以下无筋混凝土，对于C30（含C30）无筋 混凝 土，宜采用I、II级粉煤灰。 粉煤灰取代水泥的最大限量（见下表）混凝土种类 粉煤灰取代水泥的最大限量（%） PII PO PS 火山灰预应力钢筋混凝土 25 15 10 钢筋混凝土高强度混凝土 30 25 20 15高抗冻融性混凝土蒸养混凝土中、低强度混凝土泵送混凝土大体积混凝土 50 40 30 20水下混凝土地下混凝土压浆混凝土碾压混凝土 65554535 国内外诸多文献资料显示，对于占总胶凝材料用51%56%HFCC的工程结构使用十年后的现场混凝土性能调查，结果表明这种混凝土比普通混凝土有更好的现场长期性能，因此认为某些规范中对粉煤灰用量所设的限制是偏于保守的。根据我们多年HFCC研究及应用经验，认为除高强（C50）预应力混凝土、蒸养混凝土和道路混凝土需慎重外，其他混凝土均可应用HFCC（30%60%）。四、粉煤灰的主要技术指标及其在混凝土中作用机理 粉煤灰的等级及其主要技术指标 1、美国的ASTM618标准-F级和C级（见表2）：表2：美国的粉煤灰的等级及其主要技术指标等级CaO含量（%）SiO2+Al2O3+Fe2O3（%）低钙（F级）1050 2、中国的GBJ146-90标准-I级、II级和III级（见表3）：表3：中国的粉煤灰的等级及其主要技术指标等级 烧失量（%）SO3（%）含水量（%）细度（%）需水量比（%）SiO2+Al2O3+Fe2O3 %I级 5 3 1 12 95 -II级 8 3 1 20 105 -III级153 1 45 115 - 粉煤灰在混凝土的作用机理主要通过四种效应来体现：1、形态效应因含有较多粒形完整、表面光滑、粒度较细、质地致密的玻璃微珠，从而直接可以提高拌合混凝土的流变形，提高其施工性；2、微集料效应（或充填效应）-因颗粒较细、在水泥浆体中分散良好，充分充填混凝土中微空隙和毛细孔，使混凝土更加密实和均匀，提高混凝土的耐久性和体积稳定性；3、低热效应水泥中熟料水化反应在先，粉煤灰二次反应在后，导致HFCC早期水泥水化热比较低，避免了混凝土的热裂危险。4、活性效应（或火山灰效应）（最关键因素）-由于粉煤灰中的活性成分是玻璃体（SiO2），在潮湿环境中，能与水泥水化析出的氢氧化钙起作用，生产CSH凝胶，对硬化水泥浆体起增强作用。因此，通过适当的方法和途径，激活粉煤灰的早期活性，保证HFCC的早、中期强度是关键。五、HFCC（取代量在30% 60%） 的配合比设计及注意要点 原材料技术要求1、 水泥-纯硅或42。5以上的普通水泥；2、粉煤灰-I级或II级以上优质等级灰（高钙或低钙都可），选择粉煤 灰品质以细度*烧失量150%最佳；3、 石子-商品混凝土所用正常石子即可；4、 砂子-商品混凝土所用正常砂子即可，注意细度模数以中偏粗为宜；5、 外加剂-减水率大于20%以上（以当地所用水泥品种为准），并 且具有激活粉煤灰早期活性的功能，如UC-II（F） 、 UC-1A等；6、 水-自来水或饮用水。HFCC配合比设计要点1、由于水泥和粉煤灰比重不同，因此混凝土配合比设计按绝对体积法设计；2、 不同强度等级混凝土中粉煤灰的取代量 C10C30：FA/（C+FA）=40% 60%； C35 C45：FA/（C+FA）=25% 40%； C50：FA/（C+FA）=15% 25%。 3、在满足可施工性情况下，水胶比尽量小； 4、注重激活粉煤灰的早期活性，便于提高混凝土的早、中强度； 5、随着粉煤灰掺量的增大，注重混凝土的流变性能的变化； 6、尽量减少混凝土的屈剪阻力。六、HFCC的性能优越性可施工性（见下图）HFCC力学性能（见下表）编号混凝土种类C（kg/m3)FA （kg/m3)FA/(FA+C)(%)水胶比外加剂品种坍落度（mm）抗压强度（MPa）1d3d7d28d60d90d180d365dC普通1混凝土222000。55FDN504。012。218。322。125。928。132。235。1F1HFCC100122550。45SA-1654。110。016。823。426。229。340。642。0C2 普通混凝土333000。45FDN608。117。524。828。532。336。542。345。1F2HFCC150183550。37SA-1807。714。722。029。539。140。449。951。3实例2：杭州湾跨海大桥C40HFCC配合比及强度标号总胶材 外加剂水胶比砂率 含气量 坍落度 扩展度 抗压强度 3d 7d 28dC40 450UC-1A0.36402.5 210 60035 4251注：水泥为海螺PII42。5，粉煤灰为I级灰，矿粉为S95； UC-1A为南京友西科技公司研制生产的高性能外加剂。体积稳定性1、干缩变形：由于HFCC内部骨料分布较均匀，所测试的HFCC的收 缩应变值与强度相近的普通混凝土相近或偏低；2、长期徐变-见下图HFCC的耐久性1、抗渗性试验结果表明，HFCC除个别试件的渗透系数为10 -12 m/s量级外，多数试件渗透系数为10-14 m/s量级外，说明这种HFCC具有极低的渗透性，也可以认为是不可渗透的混凝土；2、抗冻融性-见下图3、抗氯离子渗透上述举例说明杭州湾跨海大桥C40HFCC，经上海建科院、建桥指挥部等多家检测结构检验表明其84d氯离子渗透小于1。0* 10-12 m/s，远小于该桥技术标准要求的84d氯离子渗透要小于1。5* 10-12 m/s的规定；4、抗碳化性对大体积混凝土、水下和地下混凝土，可不必考虑碳化的影响，但对钢筋混凝土薄型构件，粉煤灰取代量不宜大于55%。见下图HFCC的热学性能1、早期水泥水化热；2、混凝土的绝热温升；3、混凝土比热和导热系数。HFCC的外观HFCC由于具有良好的施工性能和较低的屈剪阻力，只要使用合适的模板，采用合理的施工工艺，HFCC完全和普通混凝土一样可以制造出高外观质量的混凝土下图是长江口和杭州湾跨海大桥HFCC拆模后的外观图片。七、HFCC应用注意事项HFCC的施工工艺与普通混凝土没有本质的区别，但HFCC中粉煤灰用量较大，且掺有高性能外加剂，其对用水量的敏感性与HPC类似。在施工工艺与质量控制方面，宜按HPC要求进行。根据HFCC的特点，应注意以下几方面的问题： 1、粉煤灰品质变异性问题加强对粉煤灰的检测与监控，及时对 配合比作出相应调整； 2、养护问题由于HFCC表面基本不泌水，需特别重视早期覆盖 与潮湿养护，防持产生早期塑性裂缝。 根据我公司科研人员多年从事研究及应用大掺量粉煤灰水工、海工高性能混凝土的实际经验，结合国内外当前HFCC研究结果和应用经验。现就大掺量粉煤灰商品混凝土的实际应用意义给混凝土生产及施工单位提出几点建议，供参考。一、 技术上的可行性粉煤灰（II级以上等级灰）是大家公认的理想掺合料，在商品混凝土中掺部分粉煤灰取代水泥是改善混凝土性能常用手段之一。但是由于掺粉煤灰混凝土早期强度低、人们对粉煤灰认识不足等原因，致使取代量一般均在10%30%范围 内。随着高性能外加剂的出现、对粉煤灰更深层次的认识，开始研究大掺量粉煤灰高性能混凝土-HFCC（取代量在30%70%），从研究的结果来看，配合比的合理设计、选择高性能外加剂、如何激活粉煤灰的早期活性，提高混凝土的早、中期强度是关键。研究表明大掺量粉煤灰高性能混凝土（HFCC）和普通混凝土相比，它的可施工性、力学性能、耐久性能、热学性能、抗裂性能等各项技术参数均比较优异，近二年，这种HFCC已在我国重点工程中开始应用。二、 应用上的可行性实例1：南京赛虹桥双桥门枢纽立交工程（2004年5月竣工通车）是亚洲第一市政工程，投资16亿人民币。其中主箱梁由于钢筋过密，工期较紧，需采用自流平商品混凝土。后我公司建议此部位采用大掺量粉煤灰自流平高性能混凝土（SCC），混凝土技术参数具体见表1所示。表1：C50大掺量粉煤灰自流平混凝土（SCC）标号总胶材（kg/m3）粉煤灰取代量(%)外加剂水胶比砂率(%)含气量(%)坍落度(cm)扩展度(cm)强度（Mpa）3d7d28dC5051632UC-VIII0.32402.522604551.562.3实例2：杭州湾跨海大桥工程（在建中）是同类桥梁世界第一，设计寿命120年，是典型的海工高性能混凝土应用实例，我公司于2004年中二个标，其中标段之一HZW-V墩身混凝土技术参数见表2所示。表1：C40大掺量粉煤灰海工高性能混凝土标号总胶材（kg/m3）粉煤灰取代量(%)外加剂水胶比砂率(%)含气量(%)坍落度(cm)扩展度(cm)强度（Mpa）3d7d28dC4045060UC-1A0.36402.52160354251三、 经济上的可行性由于优质等级粉煤灰价格上的优势（与P。O42。5水泥相差近200元/吨），使得大掺量粉煤灰商品混凝土（HFCC）具有经济上的实际意义，也使这种混凝土更具有竞争力。现就上述C40大掺量粉煤灰海工高性能混凝土与普通混凝土价格分析对比，见表3所示。表3：C40大掺量粉煤灰海工高性能混凝土与普通C40商品混凝土价格分析对比C40大掺量粉煤灰海工高性能混凝土普通C40商品混凝土材料名称用量(kg/m3)单价(元/吨)成本（元/方）材料名称用量(kg/m3)单价(元/吨)成本（元/方）水泥1802875166水泥3602871033粉煤灰270952565粉煤灰609557骨料179036644骨料181836654UC-1A548000432UC-II5883350197水162/水162/合计1849合计1941差价92元/方注：除UC-IA外，其他材料单价均是合肥瑞特混凝土公司提供。从表3中可