（交通运输工程专业论文）桥用粉煤灰高性能混凝土的应用研究.pdf

摘要 随着技术的进步和时代的发展需要，采用粉煤灰配制高性能混凝土必将成为今后 混凝土技术发展的方向。本文对于粉煤灰高性能混凝土进行了多方面的试验研究，结合 五河口斜拉桥箱梁施工过程，重点研究了粉煤灰高性能混凝土物理力学性能和耐久性能 的影响。从试验数据和相应的理论研究出发，试图掌握粉煤灰对混凝土性能，特别是耐 久性的影响规律，从中总结出粉煤灰对混凝土耐久性的贡献，建立基于耐久性的混凝土 配合比设计方法，研制出高性能混凝土，实现粉煤灰高性能混凝土在桥梁工程中的应用。 研究结果表明：1 水泥、粗细集料等的品质，以及砂率对新拌混凝土的性能和硬化混凝土 的力学性能影响较大，而粉煤灰及外加剂，特别是水泥和外加剂的适应性对混凝土性能 影响更为显著。2 粉煤灰高性能混凝土，有利于提高混凝土的变形性能，尤其是具有较 小的干缩变形。3 高效减水剂和粉煤灰的共同作用能明显降低水泥的水化热，延缓混凝 土的内部温升，避免混凝土由于温差应力而产生裂缝。4 采用粉煤灰有利于提高混凝土 抵抗外界介质侵蚀的能力，能明显提高混凝土耐久性能。5 采用粉煤灰和高效减水剂的 双掺技术，配制的c 6 0 高性能混凝土具有良好的工作性能、力学性能和耐久性能，能满足 工程进度要求的3 d 张拉预应力束和大体积混凝土的温控要求，完全可以应用于道路桥梁 等重要工程。依据以上研究结果，粉煤灰高性能混凝土在五河口斜拉桥箱梁上得到了成 功应用。 关键词：粉煤灰，高性能混凝土，双掺技术，工作性，耐久性，工程应用 a b s t r a c t a st e c h n o l o g ya d v a n c e sa n dt h ed e v e l o p m e n tn e e d so ft h et i m e s ，u s eo ff l ya s hc o n c r e t e p r e p a r a t i o no fh i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t et e c h n o l o g yw i l lb e c o m et h ef u t u r ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ep e r f o r m a n c eo ff l ya s hc o n c r e t ei nv a r i o u sa s p e c t so f t h et e s t ，i n c o m b i n a t i o nw i t hw u h e k o u c a b l e s t a y e db r i d g eb o xg i r d e r ，f o c u s e do nt h ep e r f o r m a n c eo ff l y a s hc o n c r e t ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t yo ft h ei m p a c t f r o mt h et e s t d a t aa n dt h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a ls t u d yo fa na t t e m p tt oc o n t r o lt h ef l ya s hc o n c r e t e p r o p e r t i e s ，i np a r t i c u l a rt h ei n f l u e n c eo fd u r a b i l i t y ，w h i c hs u m m e du pt h ed u r a b i l i t yo ff l ya s h i nc o n c r e t ec o n t r i b u t i o nt ot h ee s t a b l i s h m e n tb a s e do nt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t em i xd e s i g n m e t h o dh a sd e v e l o p e dah i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，h i g h p e r f o r m a n c ea n dt h ea c h i e v e m e n t o ff l ya s hc o n c r e t ei nb r i d g ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a t ：1 c e m e n t ， a g g r e g a t et h i c k n e s ss u c ha sq u a l i t y ，a n dt h er a t eo fn e ws a n dm i xc o n c r e t ep e r f o r m a n c ea n d h a r d e n e dc o n c r e t eg r e a t e ri m p a c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n df l ya s ha n da d d i t i v e s ， e s p e c i a l l yc e m e n ta n da d m i x t u r ea d a p t a t i o n o nt h e d u r a b i l i t yo fc o n c r e t ec a na f f e c t s i g n i f i c a n t l y 2 f l y - a s hh i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，c o n c r e t ei sc o n d u c i v et or a i s i n gt h e d e f o r m a t i o n p r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l y t h o s ew i t hs m a l l e r s h r i n k a g e d e f o r m a t i o n 3 s u p e r p l a s t i c i z e ra n dt h ec o m m o nr o l eo ff l ya s hc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c et h eh y d r a t i o no f c e m e n t ，c o n c r e t ed e l a y i n gt h ei n t e r n a lt e m p e r a t u r er i s e ，d u et ot e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e st o a v o i ds t r e s sa n dc o n c r e t ec r a c k s 4 u s i n gf l ya s ht oi m p r o v et h er e s i s t a n c eo fc o n c r e t ee r o s i o n o ft h ea b i l i t yo fo u t s i d em e d i a , c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e 5 u s i n g f l ya s ha n ds u p e r p l a s t i c i z e rd o u b l e d o p e dt e c h n o l o g y ，t h ec 6 0h i g h - p e r f o r m a n c ec o n c r e t e p r e p a r a t i o nw i t hag o o dw o r kp e r f o r m a n c e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd u r a b i l i t y ，a n dt h e p r o g r e s so ft h ep r o j e c tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e3d - p r e s t r e s s e db e a m sa n dl a r g e v o l u m ec o n c r e t et e m p e r a t u r ec o n t r o lr e q u i r e m e n t sc a nb ea p p l i e dt oa l lm a j o rp r o j e c t s ，s u c h a sb r i d g e s b a s e do nt h ea b o v ef i n d i n g s ，t h ep e r f o r m a n c eo ff l ya s h h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t ei nw u h e k o uc a b l e s t a y e db r i d g ep e r - s t r e s sb o x b e a mo nt h ee s t u a r yh a v eb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e d k e yw o r d s ：f l ya s h ，h i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，d u a l d o p e dt e c h n o l o g y ，w o r k s ，d u r a b i l i t y , p r o j e c ta p p l i c a t i o n 1 1 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由 论文作者签名： 孱尹月产日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此般) 论文作者签名：“荔幻伊善年年月o e t vr 文、 导师签名：拜纵p 挣够月如日 瓷 罗 长安大学硕士论文 第一章绪论帚一早珀t 匕 1 1 粉煤灰混凝土技术 2 1 世纪是人类从传统工业社会向高新技术为主的新型经济社会迈进的时代，是从资 源推动型增长方式向可持续发展转化的时代，合理利用资源，重视生态环境，发展绿色 产品，是这一时代的主流。近年来，混凝土的高性能问题已引起工程界的重视，成为材 料科学领域的重大研究课题。在高性能混凝土的制备中，掺合料作为混凝土的第六组分， 已成为必不可少的组分之一，掺加适量矿物掺合料也已成为改善混凝土耐久性的重要手 段。在房建、公路、桥梁、机场、大坝、隧道、港口码头等工程的建设中应用最广、使 用量最大的建筑材料就是水泥混凝土。要实现可持续发展，节约资源和能源、保护环境， 发展粉煤灰高性能混凝土在我国土木建筑工程中的应用，是一件利国利民有显著效益的 事业、有强大生命力的事业，是发展循环经济的典范。对粉煤灰高性能混凝土的认识， 应该提高到节约资源、保护环境的战略高度，使它能够长久持续地应用于基础设施建设 项目上，这是发展循环经济与实现可持续发展的必由之路。 人与自然的和谐，是构建和谐社会的重要组成部分。随着现代科学技术和社会生产 力的飞速发展，人们的生活发生了巨大的变化，与此同时，自然资源及能源过度消耗、气 候变异、环境污染和生态破坏等一系列重大问题严重威胁着人类的生存和发展。建筑业 是我国的支柱性产业，要得以可持续发展，必须调整结构、节能节地以及减少污染。混 凝土作为建筑业物质性基础材料只有是减少环境污染，节约资源和能源的绿色建材，才 能够满足可持续发展的需要，达到发展与环境保护的统一。世界人口目前达到了6 0 亿， 随着人口的急剧增长、城市化高速推进，使得建筑业呈现蓬勃发展的景象，水泥年产量 从上世纪初的1 0 0 0 万吨发展到目前的2 0 亿吨，这是其它材料望尘莫及的。但是，由水 泥工业产生的二氧化碳排放量达1 7 亿吨，占全球总排放量的7 ，对环境的影响应该予 以充分重视。2 0 0 2 年中国水泥产量已达7 2 5 亿吨，远远超过西方发达国家。十六大提 出我国到2 0 2 0 年将全面实现小康化，国民生产总值要翻两番，这就必然要大力发展基 础设施的建设，胶凝材料的需求量必将仍然保持高速发展的势头。我国的基础设施建设 正从蓬勃发展走向顶峰，预计高速公路到2 0 2 0 年将达到6 5 万公里，公路通车总里程要 达到2 7 5 万公里；铁路、隧道、海工等项目的建设突飞猛进，这些都必需大力增加胶凝 材料的数量，以满足国民经济高速发展的需要。然而建筑业每生产一吨硅酸盐水泥熟科， 就会排放出一吨二氧化碳吨气体，耗煤量达n - - 千公斤；另一方面，许多国家已经提出 第一章绪论 温室气体排放量的限制计划，硅酸盐水泥和常规混凝土生产必将受到越来越严格的限 制。水泥混凝土作为当今最大宗的人造建筑材料，在众多建筑工程领域都发挥着其它材 料所无法替代的功能和作用，大力推进资源的节约回收和再利用是实现可持续发展的重 要内容和必然选择。目前，我国电厂粉煤灰的年排放量达9 0 0 0 多万吨，占地3 0 多万亩， 毫无疑问已成为社会一大公害。今后我国的煤产量将达到2 0 亿吨，届时粉煤灰排放量 将达2 6 亿吨，将粉煤灰混凝土应用于工程建设中对于我国非常具有现实意义。发展粉 煤灰混凝土，减少水泥用量，降低混凝土生产成本，变废为宝，化害为利，节约堆放粉 煤灰的大量宝贵土地，对节约资源、保护环境具有重大的社会效益。 众所周知，在混凝土中掺入一定量的粉煤灰会对混凝土的许多性能有显著的改善， 然而多年来人们在粉煤灰混凝土的工程应用问题上一直持比较保守的态度。粉煤灰高性 能混凝土着眼于更充分地利用粉煤灰的潜在活性，改善混凝土工作性和耐久性，更加充 分地发挥高性能优势。近年来，随着对粉煤灰混凝土的不断深入研究，扩大绿色高性能 混凝土的应用范围，必定能取得更大的循环经济效益。生态环保型混凝土是当代建材工 业发展的主要方向之一，粉煤灰高性能混凝土具有大宗材源性和广阔的社会经济效益等 方面的优势，推广应用势在必行。 1 2 粉煤灰在混凝土中的应用和研究概况 1 2 1 粉煤灰在混凝土中的应用 我国是世界上硅酸盐水泥生产大国，水泥年产量占世界总产量的一半以上，同时 也是粉煤灰、高炉矿渣等工业废料排放量最大的国家。因此我们在推进混凝土材料生产 和工程应用技术的同时，应该更加关注研究开发能有效利用工业废料、减少硅酸盐水泥 熟料生产的技术；关注降低单位混凝土水泥用量、利用粉煤灰提高混凝土结构物耐久性 延长使用寿命的技术，以减小地球的自然资源负荷、能源负荷和生态负荷，做到混凝土 建筑材料的发展和经济可持续发展的方向相一致，和人类与大自然的和谐发展趋势相一 致。将粉煤灰应用于混凝土中不仅用量巨大，而且对混凝土的性能改善大有益处，已成为 混凝土材料必不可少的一个组分。掺粉煤灰的水泥混凝土凝结时间较为缓慢，和易性好， 能够减少离析和泌水现象，可泵性能优良，有利于远距离运输和泵送施工。高性能混凝土 的基本特征是保证拌合物易于浇注和密实成型，不发生或少发生由温度收缩产生的裂 缝，硬化后有足够的强度，有低渗透性和高抗化学侵蚀性。粉煤灰高性能混凝土具有高 工作性、高耐久性、高强度等特性，用其替代传统的混凝土应用在在严酷环境下的特殊 结构物中具有显著的经济效益和技术先进性。因此，粉煤灰高性能混凝土的开发和应用 2 长安人学硕士论文 得到了各国的重视，并取得了一定的成果。美、日、法、加、英、德和挪威等国，已将 粉煤灰高性能混凝土作为本世纪的新材料，投入了大量的人力、物力和财力进行研究和 开发，至今己在不少重要工程中应用。粉煤灰高性能混凝土适应了当今科技和生产发展 的要求，可以提高混凝土结构的使用寿命、大量利用工业废渣、减少资源耗费和环境污 染、节约能源、便于施工，已被各国普遍认为是今后混凝土技术的发展方向和实现可持 续发展的必然选择。 1 2 2 粉煤灰混凝土的研究现状 近几十年来，混凝土的发展趋势是不断提高强度。上世纪五六十年代混凝土的平均 强度约为2 0 , - 一3 0 m p a ，七十年代上升到4 0 m p a ，发达国家越来越多地使用5 0 m p a 以上的 高强混凝土，特别是近5 0 年来，片面提高强度尤其是早期强度，而忽视其它性能，造 成水泥生产向大幅度提高磨细程度和增加硅酸三钙、铝酸三钙的含量发展，水泥2 8 d 胶 砂抗压强度从3 0 m p a 猛增到6 0 m p a ，大大增加了水化热，降低了抗化学侵蚀的能力， 使混凝土的流变性能变差，加上施工能耗、环境保护等问题，传统的混凝土己显示出无 法回避的发展缺陷。现代工程建筑物及施工技术对混凝土的要求越来越多，质量也越来 越高，不仅要求混凝土具有较高的抗压、抗拉、抗折、抗弯等强度要求，而且要求具有 高抗冻性、高抗渗性、耐腐蚀性、抗碱一骨料反应性、致密性和耐久性等，以抵抗各种 来自内部或外部因素的破坏，并且还要有合适的流动性、成型性和水化性，以满足各种 施工环境和施工条件的要求。粉煤灰高性能混凝土不仅满足易于浇筑、密实不离析、强 度高、韧性大和体积稳定性好等特点，更重要的是能够满足结构物耐久性的要求，可以 在恶劣条件下使用更长的寿命。粉煤灰高性能混凝土在工程应用方面，许多项目建设业 主和工程技术人员尚存在一些误区，对于粉煤灰性状的研究及工程当中的应用还没有一 个完整的认识和严格的技术控制措施，对粉煤灰的特性和粉煤灰混凝土的了解甚少，大 多是随机掌握，不少情况下粉煤灰在混凝土中的应用非但没有发挥其应有的技术优势， 反而引起了一些施工误解，认为是偷工减料行为，认为水泥用量越大强度越高，使掺加 粉煤灰、矿渣等掺和料的混凝土受到很大的阻碍。用粉煤灰作为混凝土的掺和料，要求 粉煤灰有较高的质量，如细度要大、活性要高，含碳量要低；片面地以2 8 d 强度作为混凝 土的强度指标，甚至过分追求混凝土早强，要求2 8 d 强度达到1 0 0 等指标。经验证明： 水泥用量较低的粉煤灰混凝土( 如水泥用量在3 5 0 k g m 3 以下的c 4 0 混凝土) 不仅工作性 好，而且混凝土一般不开裂，后期强度持续增长，耐久性能良好。目前阻碍粉煤灰在混 凝土中应用的因素很多，然而受限于目前研究与技术水平，国内外对作为结构混凝土掺 3 第一章绪论 合料的粉煤灰质量上有较高的要求，同时对掺量也有一定限制，只有部分品质优良的i 级粉煤灰才被允许用于混凝土结构工程中。现阶段我国许多标准中对粉煤灰的掺量有各 种限制，也是一种不利因素；另外，为克服目前在认识上存在的一些误区，还应把粉煤灰 看作是混凝土的组分，而不是简单地当作一种取代水泥的掺合料。实际上，粉煤灰作为 大宗原材料只要选材正确，配比合理，h 级粉煤灰也同样可以应用在混凝土当中。 1 3 课题研究的意义及主要研究内容 1 3 1 课题研究的意义 粉煤灰是燃煤火电厂燃烧煤粉的锅炉排放出的副产品，是一种粘土类火山灰质材 料，具有较大的吸附作用，能与水泥熟料矿物共同反应形成水硬性化合物，通常作为活性 细掺合料掺入混凝土中，是一种有效的再生资源，不加以利用是工业废料，科学地用于混 凝土中却是一种能够显著提高混凝土物理力学性能的材料组分。随着我国电力工业的迅 速发展，粉煤灰的年排放量将很快突破1 亿吨左右，但目前所收集到的符合i 级标准的粉 煤灰，通常只占排灰量的5 。我国现行的粉煤灰标准对粉煤灰的品质要求不高，但对使 用范围以及用量要求却过于严格，现行标准粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程 j g j 2 8 8 6 规定“在普通钢筋混凝土中粉煤灰掺量不宜超过基准混凝土水泥用量的3 5 ， 且粉煤灰取代率不宜超过2 0 ，显然对掺量限制过于严格，不利于粉煤灰在混凝土中的 大规模应用。根据粉煤灰品质分级的结果电厂排放的粉煤灰大部分不能用于结构混凝土 中，而只能应用在早期强度要求低的混凝土当中。如何突破瓶颈、高效挖掘粉煤灰在混 凝土中的应用潜力，充分利用资源、减轻环境污染，并在降低工程造价的同时、满足较高 的工程质量要求，成为亟待解决的问题。 1 3 2 主要研究内容 预应力混凝土连续箱梁是桥梁的主要受力构件，也是结构工程质量控制的重点和 难点。箱梁混凝土在施工中大多采用泵送技术，要求混凝土有良好的和易性，同时对抗 压强度要求也高，混凝土强度等级一般不低于c 5 0 ，且早期强度发展要快，并具有优异 的耐久性能。采用优质粉煤灰配制高性能混凝土在国内外进行了不少研究和工程应用， 但能否在预应力箱梁混凝土中掺入粉煤灰是个颇有争议的问题。本文的研究思路是通过 粉煤灰高性能混凝土正交试验研究，科学安排试验方案，有效分析试验结果，初步探讨 粉煤灰在高性能混凝土中诸多物理性能影响因素的显著性程度，并采用数理统计原理对 其影响进行评估；分析粉煤灰效应对混凝土结构及混凝土性能改善的机理，通过相关试 4 长安大学硕士论文 验数据加以验证，在粉煤灰混凝土试验测定结果的基础上，较系统地测试其主要物理、 力学性能，分析各组分对混凝土性能的影响机理，探讨其内在规律，从大量的试验数据 中确定出试验最优方案作为工程推荐的最佳配合比。本研究旨在消除人们对采用粉煤灰 混凝土的顾虑，加快粉煤灰高性能混凝土在结构工程中的应用步伐。 本文依托江苏省交通厅“掺粉煤灰配制高性能混凝土在预应力箱梁中的应用 研究 成果，该成果已被成功应用于宿淮高速公路五河口斜拉桥的主梁工程建设中。在总结国 内外粉煤灰混凝土研究成果的基础上，结合该项目工程建设实际，重点研究掺粉煤灰配 制高性能混凝土在桥梁预应力结构中应用的可行性。主要研究内容有： ( 1 ) 原材料创新研究：探索使用i i 级粉煤灰配制高性能混凝土的可能性，扩大利用不同 品种高效减水剂的双掺技术配制粉煤灰高性能混凝土并进行配合比优化设计。 ( 2 ) 研究粉煤灰混凝土的性能、确定粉煤灰的技术要求，分析粉煤灰混凝土的各项性 能得以改善的机理。 ( 3 ) 粉煤灰高性能混凝土干缩性能研究：混凝土干缩性的大小，是防止混凝土开裂的一 项重要指标，对掺粉煤灰后混凝土干缩性能研究。 ( 4 ) 研究粉煤灰高性能混凝土在现有生产工艺条件下应用的可行性：能否改善施工性 能，提高施工生产效率；能否满足簿壁箱梁的工程技术要求。 ( 5 ) 强度龄期创新研究：探索粉煤灰高性能混凝土强度的增长规律，研究对于粉煤灰高 性能混凝土强度以9 0 d 或更长龄期为评价基准的可能性。 ( 6 ) 经济技术分析研究：分析论证掺加粉煤灰对降低工程成本造价的积极作用。 5 第二章粉煤灰混凝土性能分析 第二章粉煤灰混凝土性能分析 2 1 粉煤灰的化学成分和矿物组成 粉煤灰又称飞灰，是一种人工火山灰，其颗粒本身非常细微，比水泥还细，是能在 空气中流动并能被特殊设备收集的粉状灰粒，且含有大量的球状玻璃珠。我们通常所说 的粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤灰在锅炉中燃烧后从烟道中排出、被收尘器收集的物 质。粉煤灰呈灰褐色球状颗粒，通常呈酸性。虽然粉煤灰绝大多数颗粒形状为球形，而 煤粉颗粒形状则不是这样规则，在很高温度下，煤粉颗粒将发生一系列的物理化学变化。 由于煤粉高温燃烧，其主要成分铝、硅形成了活性成分，另外，由于粉煤灰的比表面积 大，具有很高的表面能，且粉煤灰的密度小，这就是我们在土建工程中利用的内在基础。 在光学显微镜和电子显微镜下可以看到，粉煤灰是由结晶体、玻璃体及少量未燃烧 炭粒组成。粉煤灰的活性主要来自于低铁玻璃体，其含量高则活性高。而粉煤灰胶凝的 水化产物是含碱类沸石结构的物质，这种结构材料具有更好的耐久性。粉煤灰的化学成 分以s i 0 2 和毗0 3 为主，次要成分为c a o 以及少量的m g o 和s 0 3 等，主要氧化物也0 3 、 s i 0 2 和f e 2 0 3 ，这三者的总和通常大于7 0 。一般地说粉煤灰的性能变化很大，而且与 许多因素有关。例如煤的品种和质量、煤粉细度、燃点、氧化条件、预处理及燃烧前的 脱硫、粉煤灰的收集和存贮方法等。粉煤灰用作水泥混凝土的矿物质掺合料，各国都有 自己的标准。我国的国家标准用于水泥和混凝土中的粉煤灰g b l 5 9 6 9 1 也主要是根 据粉煤灰的细度指标和烧失量等，将用于混凝土和砂浆掺合料中的粉煤灰划分为如下三 个等级： 表2 1 粉煤灰的品质指标 细度指标( )烧失量需水比 s 0 3 含量 品质等级 ( o 0 4 5 m m 筛余) ( )( )( ) i1 259 53 i i2 081 0 53 4 51 51 1 53 粉煤灰的比重在1 9 5 2 3 6g e m 3 之间，松干密度在4 5 0 , - , 7 0 0 k g m 3 范围内，比表面 积在2 5 0 0 7 0 0 0c m 2 g ，主要直径为l 5 1 a m 的玻璃球和一部分形状不规则的晶体颗粒。 由于粉煤灰的多孔结构、球形粒径的特性，在松散状态下具有良好的渗透性，粉煤灰在 外荷载作用下，具有一定的压缩性；由于粉煤灰是含有少量碳、晶体( 石英、莫来石) 和 6 长安大学硕士论文 大量铝硅酸盐玻璃体的粉状工业废渣，碳和晶体( 石英、莫来石) 在常温下没有活性，粉 煤灰中也不含纳米粒子，因此，粉煤灰的火山灰活性主要取决于玻璃体的化学活性，包 括玻璃体中可溶性s i 0 2 和a l 2 0 3 的含量和玻璃网络聚集体的解聚能力。在粉煤灰玻璃 体中，由于保护层的阻碍作用，使颗粒内部的本来活性难以发挥作用，所以粉煤灰早期 活性是以物理活性( 颗粒效应、微集料效应等) 为主，经过3 个月或更长时间，粉煤灰的 火山灰化学活性才能逐渐表现出来，并赋予其良好的性能( 后期强度高、抗渗性能好、 坚固耐磨等) 。 2 2 粉煤灰的功能效应 粉煤灰的功能效应是所有粉煤灰材料技术和工程技术的应用基础。在混凝土中使 用粉煤灰，应对粉煤灰的功能作全面的认识，由原来对粉煤灰的“火山灰反应 及“经 济组分 的概念，拓展到“粉煤灰综合效应”的技术意识，使得粉煤灰的功能特性能够 更好地服务于混凝土的性能，改善提高混凝土的应用质量。粉煤灰在混凝土中的作用有 以下几点： 2 2 1 形态效应 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，这些球形玻璃体表 面光滑、粒度细微、质地致密、内比表面积小、对水的吸附力弱等等，这一系列的物理 特性，不仅减小了混凝土的内摩擦阻力，而且有利于混凝土流动性的提高，同时粉煤灰 等量置换混凝土中的水泥，可以降低砂率，增加粗骨料的含量，实际降低了胶凝材料所包 裹的骨料比表面积，在相同的用水量下，能提高混凝土拌合料的流动性；在相同流动性条 件下，对混凝土有不同程度的“减水 作用，有利于减少混凝土泌水与分层离析，改善混 凝土拌合物的和易性和可泵性。 2 2 2 活性效应 粉煤灰属于活性矿物掺合料。粉煤灰中含有玻璃态的氧化硅和氧化铝属于活性氧 化硅和活性氧化铝。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 泥早期强度得不到补偿，所以早期强度随着粉煤灰掺量的增加而降低；但随着时间的推 移，粉煤灰中的活性成分s i 0 2 和a l 2 0 3 与水泥的水化产物在有水的情况下发生反应， 生成水化硅酸钙( c s h ) 和水化硫铝酸钙( c a s h ) ：同时也与水泥的活性粒子发生反应， 生成大量的水化硅酸盐凝胶，这些水化产物能够像树根一样深入颗粒空隙中，填充空隙。 由于反应几乎都是在水泥浆的孔隙中进行，生成的水化产物填充、分割原来的大孔，使 7 第二章粉煤灰混凝土性能分析 孔隙细化，降低混凝土内部的孔隙率，改变孔结构，所以能提高混凝土各组分的粘结作 用，改善混凝土内部的界面区，促进混凝土后期强度的增长。 2 2 3 微集料效应 均匀分布在混凝土中的粉煤灰颗粒不会大量吸水，不但起到滚珠作用而且能与水 泥粒子组成合理的微粒级配，减少了填充水数量，影响混凝土的堆积状态，提高混凝土的 堆积密度，具有减水作用，使新拌混凝土工作性优良，硬化后混凝土的结构更加均匀密 实。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之间，填充孔隙，起到“细化孔隙 的作 用，同时，阻止水泥颗粒的相互粘聚，使之处于分散状态，有利于混合物的水化反应， 粉煤灰不会完全与水泥的水化产物发生反应，能长期保持其“微集料效应”。 2 2 4 界面效应 集料与水泥石之间的界面是混凝土结构中的薄弱环节，过渡区域的宽度随水灰比、 集料吸附特性的不同而不同。过渡区域具有比水泥浆体更多、更大的孔隙。掺加粉煤灰 能减小过渡区域的宽度，干扰过渡区域中c a ( o n ) 2 晶体结晶时的取向性，提高混凝土的 界面强度和密实性。 2 2 5 综合效应 众多研究显示，由于粉煤灰的形态效应、火山灰效应和微集料效应，使混凝土的密实 性大大提高，孔隙减少，抗渗性提高，抗化学腐蚀的能力改善，减小由于碱一骨料反应引起 的混凝土膨胀，极大地提高了混凝土的耐久性。掺加适量的优质粉煤灰后，混凝土的许 多重要性能得到明显的改善，当然也有个别性能降低。即粉煤灰对混凝土的正面作用较 多，但也有不利的作用或负面作用，特别是粉煤灰掺量过大或粉煤灰质量较差时显现更 为明显。掺加粉煤灰后混凝土的早期强度低于普通混凝土，且粉煤灰掺量越高早期强度 越低，但对于高强混凝土，掺加粉煤灰后混凝土的早期强度降低相对较小。粉煤灰混凝 土的强度发展比较缓慢，故为保证强度的正常发展，需将养护时间延长至1 4 d 以上。通 过粉煤灰在混凝土中的应用考察和工程研究，对于粉煤灰的“形态效应 、“活性效应” 和“微集料效应 ，只有在应用技术中充分引起注意，才能控制和保证粉煤灰混凝土的 质量。由于粉煤灰在混凝土的应用中存在着一定的“负因素”和“变异性 ，只有开发 和选用符合质量要求的原状粉煤灰产品，并在混凝土中合理使用，才能配制出符合不同 强度等级的混凝土质量要求。钢筋混凝土结构不仅要求具有必要的承载力，还要有良好 的耐久性。近年来在混凝土的应用中，开裂的问题相当普遍，混凝土开裂不仅仅影响混凝 8 长安大学硕士论文 土的强度，更重要的是降低了混凝土的耐久性。掺加粉煤灰后，能够降低混凝土水化热 引起的温度升高、防止混凝土开裂、混凝土的结构性能等都产生了相应的变化，从而结 构的耐久性也相应得到改善。渗透性是混凝土耐久性的综合指标，抗渗性好就为混凝土 具备高的耐久性提供了前提和基础。粉煤灰对混凝土的孔径分布和孔的形状改善有明显 作用，降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的抗渗能力。在粉煤灰混凝土的硬化过程中， 粉煤灰能有效地减少混凝土内部温升和硬化初期的收缩，从而有利于混凝土内部结构的 形成。粉煤灰的活性效应和微集料效应使化学性质不稳定的c a ( o h ) 2 形成水硬性的胶凝 物质，既能“细化”孔隙堵塞毛细孔通道，又能提高混凝土的抗拉应变能力，使粉煤灰对 混凝土呈现出明显的“综合效应”。 2 3 粉煤灰在混凝土中的作用机理 用粉煤灰配制的高性能混凝土，具有很强的抗水和抗氯离子渗透能力，其抗冻性、 抑制碱一集料反应、体积稳定性、耐久性等均优于未掺加粉煤灰的混凝土，其后期强度 在不断的缓慢增长。在粉煤灰掺入的初期，粉煤灰中的活性物质玻璃微珠因吸附一层水 膜，粉煤灰的活性难以很快激活；又由于粉煤灰颗粒对水泥颗粒的解絮作用，粉煤灰早 期强度较低，经过一定龄期的养护，粉煤灰混凝土中的粉煤灰颗粒分散于水泥浆体中， 与水泥浆体结合密实，在玻璃微珠表面形成一层较坚硬的水化凝胶，故粉煤灰混凝土中 后期的强度梯度增长较快，这对于提高混凝土的耐久性具有积极意义。 由于粉煤灰的颗粒效应能够填充包裹在混凝土骨料颗粒的空隙中形成润滑层，粉煤 灰的容重( 表观密度) 只有水泥的2 d 左右，而且颗粒好( 质量好的粉煤灰含有大量玻 璃珠) ，对水泥颗粒起物理分散作用，因此能填充的更加密实，使水泥分布的更加均匀， 在水泥用量少的混凝土里尤为显著。当混凝土的水胶比较小时，水化缓慢的粉煤灰可以 提供水分，使水泥充分水化；粉煤灰和富集在骨料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) ，而且对改善混凝土 的各项性能有显著作用。粉煤灰延缓了水泥的水化进程，减少了混凝土因水化热引起的 温升，对防止混凝土产生大量温热十分有效。粉煤灰能使混凝土与钢筋间的过渡区加强， 混凝土更加密实，c l 。及c 0 2 难以渗入，不易使钢筋锈蚀；混凝土中的碱量减少而且水又 难以渗入，这就使碱一集料反应因缺乏反应条件而难以发生；另外，由于粉煤灰参加反 应的速度比水泥慢，水泥在水化过程中需要有足够的水进行水化，而水泥水化后产生的 c a ( o h ) 2 又与粉煤灰进行二次反应，改善了混凝土中的薄弱过渡区和混凝土内部的孔结 构，提高了混凝土各组分的粘结力，所以粉煤灰能够使混凝土的后期强度有较大增长。 9 第二章粉煤灰混凝十性能分析 2 4 粉煤灰混凝土的性能 粉煤灰对混凝土性能的改变可分为三个阶段：( 1 ) 新拌混凝土阶段：影响混凝土的凝 结时间，改善和易性，改变流变性质，提高可泵性等；( 2 ) 硬化中的混凝土阶段：调节硬 化过程，降低水化热；( 3 ) 硬化后的混凝土阶段：提高后期强度，提高各项耐久性，如抗 渗性、抗硫酸盐侵蚀性，抑制碱一集料反应等。 2 4 1 强度 粉煤灰对混凝土强度有三种影响：减少用水量、增大胶结料的含量、通过长期火山 灰反应提高其强度。低钙粉煤灰中的微粒为硅氧四面体结构，自身的活性很低。在水泥 的最终产物中，高碱性水化硅酸钙和c a ( o h ) 2 胶体的结晶强度很低，特别是c a ( o h h 胶 体的结晶强度仅是莫来石强度的1 - 2 ，体积占整个水泥石体积的2 5 。粉煤灰中含有 大量的硅、铝氧化物，能逐渐与c a ( o h ) 2 及高碱性水化硅酸钙发生二次反应，生成强度 较高的低碱性水化硅酸钙，这样不但使水泥石中水化胶凝物质的数量增加，而且也使其 质量得到大幅度提高。随着龄期延长，粉煤灰的活性逐渐得到发挥，从而使混凝土后期不 同胶结材料混凝土强度有所增长，这是它强度发展的一大特点，有利于混凝土强度的提 高。由于粉煤灰分散了水泥颗粒，使水泥水化的更充分，提高了水泥浆体的密实度，使 混凝土中骨料与水泥浆的界面强度提高。粉煤灰对混凝土的抗拉强度和抗弯强度的贡献 比抗压强度还要大，这对防止混凝土的抗裂性能极为有利。粉煤灰混凝土的弹性模量与 抗压强度相类似：早期偏低，后期逐渐提高，2 8 d 强度比基准混凝土提高5 1 0 ：粉 煤灰混凝土与钢筋2 8 d 的握裹力、粘结强度应和等标号的基准混凝土基本相同，但粉煤 灰混凝土的均匀性好，粘结强度试验值的离散性比基准混凝土好。因此，粉煤灰混凝土 的结构强度储备更大，安全性更高，所以在工程设计和施工中利用后期强度解决问题将 更加符合实际。 2 4 2 和易性 粉煤灰对混凝土和易性的改善作用有以下几点： ( 1 ) 优质粉煤灰中含有7 0 以上的球状玻璃体，这些球状玻璃体表面光滑无棱角且性能 稳定，在混凝土的泵送、振捣过程中起一种类似于轴承的润滑作用。 ( 2 ) 新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团，粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒，释放更多 的浆体来润滑骨料，有利于混凝土工作性能的提高。 ( 3 ) 掺入粉煤灰可以补偿细骨料中细屑的不足，隔断砂浆基体中泌水通道的连续性，同 1 0 长安大学硕士论文 时品质良好的粉煤灰在同样的稠度下能减少混凝土的拌和用水量，使混凝土中的水胶比 降低到更小水平，减少泌水和离析现象。 ( 4 ) 掺粉煤灰对新拌混凝土的明显好处是增大浆体体积，大量的浆体填充了骨料间的孔 隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性，有效地 改善了拌合物的和易性。 2 4 3 泵送性能 可泵性主要取决于混凝土与管壁之间的摩擦力，粉煤灰光滑的球状玻璃体类似于 一个个滚轴，使混凝土在泵送、振捣过程中减小了摩擦阻力，降低泵送压力，有利于混 凝土在泵送时的自流和在振捣时的自密。粉煤灰高性能混凝土在改善混凝土和易性的同 时也提高了易泵性，由于泌水性和离析现象的改善，以及粉煤灰本身的球形玻璃体效应， 可以起到更好的减水效果，使得粉煤灰混凝土具有良好的保水性能，压力泌水值较小， 其初期的压力泌水率也明显低于不掺粉煤灰的混凝土。由于粉煤灰的缓凝作用，水化热 降低和水化热峰值的后延，以及减水剂引发的大量微小气泡所具有的阻止拌和物沉降分 层作用，使得粉煤灰混凝土塌落度经时损失明显减少。另一方面，由于胶凝材料用量增 多，新拌混凝土的粘度较大，粉煤灰的掺入可以有效减小其粘度，提高混凝土的泵送施 工效率。 2 4 4 收缩 混凝土的收缩现象跟混凝土的拌和用水量和浆体体积有关，用水量越少，收缩也越 小。粉煤灰混凝土拌和水量的减少使2 8 d 后的白干燥收缩和干燥收缩都小。粉煤灰混凝 土的干缩也随粉煤灰掺量的提高而降低，但由于粉煤灰混凝土的水化反应慢，水分蒸发 快，所以粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大，为防止粉煤灰混凝土的早期收缩开裂， 更应加强早期养护。 2 4 5 徐变 以超量取代法配制的粉煤灰混凝土，其弹性模量值高于不掺粉煤灰的基准混凝土， 提高率约为5 - 1 0 。粉煤灰混凝土的收缩值比不掺粉煤灰的略有减少，且与粉煤灰的掺 量有关，掺加粉煤灰的混凝土干燥收缩值比基准混凝土要低，且随掺灰量的增加干燥收 缩值相应地降低。据国外的测试资料表明：粉煤灰混凝土的塑性收缩和硬化、早期收缩 等都比基准混凝土要小，其极限收缩值为( 5 4 0 , - - , 7 2 0 ) 1 0 。6 ，也低于基准混凝土；根据在实 际工程中对粉煤灰混凝土干缩性的长期测定发现：截面很薄的粉煤灰混凝土构件的早期 第二章 粉煤灰混凝土性能分析 干缩率比普通混凝土低，两年后的收缩值也不超过普通混凝土。因此，粉煤灰混凝土的变 形性能要优于不掺粉煤灰的基准混凝土。2 8 d 龄期以前，粉煤灰混凝土的强度较低，其 相应龄期的徐变和应变也较普通混凝土大，然而与普通混凝土等强度的粉煤灰混凝土在 此后所有龄期的徐变均小于普通混凝土。 2 4 6 碳化性能 混凝土的碳化指水泥石中的水化产物与环境中的二氧化碳作用，生成硅酸盐或其它 物质的现象。水泥中碱含量高，活性骨料和水的存在是发生碳化反应的重要条件。粉煤 灰混凝土的早期抗碳化性能较差，基于粉煤灰的火山灰活性效应，它能与水泥水化后的 c a ( o h ) 2 结合，混凝土的碱度降低，从而使后期发生碳化的可能性减小。粉煤灰混凝土中 的水泥用量减少，水泥水化析出的c a ( o h ) 2 数量也相应减少，而且，火山灰反应也消耗 了一定数量的c a ( o h ) 2 使混凝土的p h 值降低，增加了混凝土的碳化速度。特别是在水 化早期，粉煤灰的火山灰反应程度低，粉煤灰一水泥体系孔结构疏松，使得二氧化碳、 氧和水等的侵入阻力减小，因此碳化深度较大，粉煤灰混凝土的碳化深度随水灰比及粉 煤灰掺量的增加而增加。随着龄期的增长和粉煤灰火山灰效应的逐渐发挥，碳化速度将 逐渐降低。碳化反应在一定的相对湿度范围内进行最快，当相对湿度在2 5 以下或者接 近1 0 0 时，即混凝土在充分干燥或水饱和的状态场合都不易发生碳化收缩。微裂缝处 的混凝土碳化要比较宽裂缝处的碳化慢些，但是，氧在混凝土裂缝中的扩散几乎无处不 在，与裂缝的宽度无关，而氧是碳化的必备条件之一，必须尽可能减少裂缝的数量。在 基础工程等不与大气接触的混凝土工程中，由于与二氧化碳隔绝，不易发生碳化反应， 因此可掺加较多的粉煤灰，以充分降低混凝土的水化热，提高混凝土的耐久性。采用较 低的水胶比并掺以减水剂为主的外加剂进行配合比设计，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性 能有所改善。 2 4 7 钢筋耐锈蚀性能 钢筋混凝土结构很可能遇到氯离子的侵蚀而引起混凝土内部钢筋锈蚀，钢筋锈蚀不 仅降低钢筋的有效断面，还将降低钢筋与混凝土的粘结性能，特别是钢筋锈蚀后会产生 体积膨胀而使混凝土破坏。因此，粉煤灰高性能混凝土中钢筋抗锈蚀性能也是粉煤灰混 凝土的一个重要性能。混凝土中的钢筋能够防锈是由于混凝土的碱性( p h 值1 2 5 ) 作用 在金属表面形成一层致密的钝化膜。在混凝土中掺加粉煤灰，一方面虽然会消耗一定数 量的c a ( o h ) 2 降低混凝土的碱环境：但是，另一方面粉煤灰又与c a ( o h ) 2 反应生成水化 1 2 长安大学硕士论文 物，提高混凝土的致密性，增加混凝土的防透水性和对氯离子扩散的阻力，阻碍和防止 二氧化碳的侵入。所以，粉煤灰的掺入在防止钢筋锈蚀方面，可以抵消因碱度降低带来 的不利影响，对钢筋起保护作用。粉煤灰在一定的掺量范围( f a 2 4 ) ，对钢筋锈蚀基 本无影响，甚至优于普通混凝土。但是若粉煤灰的掺量大于3 0 ，混凝土的碳化可使混 凝土的p h 值由1 2 5 降至8 5 左右，在这样低的p h 值条件下，钢筋不再钝化。当碳化 深度到达钢筋位置时，保护层即被完全碳化，钢筋失去钝化膜的保护，在水与氧气渗入 的条件下，此时易发生电化学反应，钢筋就会发生锈蚀而导致混凝土的开裂甚至破坏。 如果保护层混凝土出现裂缝，那么即使保护层混凝土尚未完全碳化，钢筋也会锈蚀，同 时裂缝的出现也会加速碳化。因此粉煤灰改善混凝土体积变化的性能，使混凝土避免出 现裂缝和微裂缝的意义与增强抗碳化能力保护钢筋防锈同样重要。粉煤灰混凝土的钢筋 锈蚀如同碳化一样，也可以建立钢筋锈蚀面积和时间的如下关系式： a = a x t x l 2 + b( 2 1 ) 式中a _ - 一一钢筋锈