（材料学专业论文）粉煤灰的活性激发与大掺量粉煤灰砼的试验研究.pdf

西北不业大学硕士学位论文 摘 要 摘 要 本文主要探讨粉煤灰的活性激发及大掺量粉煤灰硷在地下工程衬砌施工中 的可行性。 综合相关专家粉煤灰早期活性激发的研究资料， 本文研发了以 硫酸钠 和熟石灰组成的粉煤灰活性复合激发剂。 首先通过大掺量粉煤灰水泥胶砂强度试 验， 初步确定了复合激发剂的适宜掺量。 在随后的混凝土正交试验中， 以 粉煤灰 水泥胶砂试验为基础， 取水胶比、 粉煤灰掺量、 硅粉掺量、 激发剂硫酸钠和熟石 灰掺量等五个因素安排试验， 通过对试验结果的直观分析及方差分析， 明确了各 因素对3 d , 7 d , 2 8 d , 9 1 d 等龄期大掺量粉煤灰混凝土强度的影响规律。大掺量 粉煤灰混凝土在激发剂和少量硅粉的作用下， 早期强度( 3 d , 7 d ) 相对得到明显提 高， 2 8 d 及后期9 1 d 强度与基准混凝土相比， 相当甚至超过基准混凝土强度， 从 力学性能上看，可以完全满足地下工程混凝土衬砌施工的要求。针对地下工程， 混凝土抗裂性能好的要求， 对7 d , 2 8 d 混凝上的拉压比作了分析， 确认了掺加粉 煤灰和硅粉能减少混凝土的孔隙， 增强混凝土的抗裂性能。 最后综合平衡各因素 对大掺量粉煤灰混凝土各龄期强度的影响及从节约水泥、 减少成本考虑， 确定了 掺加6 0 % 粉煤灰的混凝土试验配合比，给出了c 4 0 , c 4 5 , c 5 0 等中高强度大掺 量粉混凝土的推荐配合比。 在多元线性回归分析中，分别以3 d , 7 d , 2 8 d , 9 1 d 等龄期混凝土强度为函 数， 正交试验的五个因素为自 变量， 利用s p s s 统计分析应用软件， 采用逐步回 归的方法， 确定了最优回归方程的线性表达式。 由预测的混凝土强度与实测值进 行比较表明，最优回归方程能较好地预测混凝土的强度。 关键词: 大掺量粉煤灰混凝土， 地下工程衬砌， 激发剂， 正交试验设计， 早 期强度，直观分析和方差分析，抗裂性能， 掺合料，2 8 d 抗压强度，回归分析， 预测 西北工业大学硕士学位论文ab s t r a c t abs t r a c t i n t h i s p a p e r , t h e a c t i v a t i o n o f f ly - a s h a n d t h e f e a s i b i l i ty o f h ig h v o l u m e 方 a s h c o n c r e t e i n u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g l in i n g w e r e d i s c u s s e d c o m b i n i n g p r a c t i c a l c o n d it i o n o f o u r l a b o r a t o r y , t h e s y n t h e s i s p e rf o r m a n c e o f f r e s h c o n c r e t e a n d m e c h a n i c a l p r o p e r ty o f h a r d e n i n g c o n c r e t e w a s a n a ly z e d . s y n t h e s iz i n g r e s e a r c h d o c u m e n t o f t h e .脚- a s h e a r ly a c t i v a t i o n , t h e c o m p o s i t e a c t iv a t o r o f s o d i u m s u lf a t e a n d h y d r a t e l i m e w a s a s c e r t a i n e d . f i r s t, t r a n s i t i n g h ig h v o l u m e f ly - a s h c e m e n t m o r t a r s t r e n g t h t e s t , t h e o p t i m i z a t i o n c o m p o s i te a c t i v a t o r m a s s w a s a s c e r t a i n e d p r e l i m in a r y . s u b s e q u e n t , t h e te s t w a s d e s ig n e d 妙o r t h o g o n a l w a y . t h e f i v e f a c t o r s o f t h e o r t h o g o n a l t e s t a r e t h e r a t i o o f w a t e r t o c e m e n t i t i o u s m a t e r ia l , t h e m a s s o f f ly - a s h , s i l i c o n f u m e , s o d i u m s u lf a t e a n d h y d r a t e l i m e . t h r o u g h v is u a l a n d v a r i a n c e a n a ly s is , t h e r u l e s w o r k e d o n 3 d , 7 d , 2 8 d , 9 1 d s t r e n g t h o f t h e f ly - a s h c o n c r e t e 妙i ts r e l a t e d f a c t o r s w a s a n a ly z e d e a r ly ( 3 d 7 d ) c o n c r e t e s t r e n g t h a c q u i r e a p p a r e n t e n h a n c e c o m p a r a t i v e ly , 2 8 d a n d l a t e r 9 1 d s t r e n g th e x c e e d t h e r ef e r e n c e c o n c r e t e s t r e n g t h脚 a n a ly s is o f m e c h a n i c a l p r o p e r ty , t h e h 妙 v o l u m e 几- a s h c o n c r e t e c a n m e e t t h e r e q u i r e m e n t o f t h e u n d e r g r o u n d c o n c r e t e l i n i n g . e s p e c i a l ly , t h e u n d e r g r o u n d c o n c r e t e d e m a n d s h ig h e r c r a c k i n g r e s i s t a n c e , s o t h e d r a w p r e s s r a t i o o f 7 d a n d 2 8 d w e r e a n a ly z e d , i n t h e c o n c r e t e , a d d i n g 为- a s h a n d s i l i c o n f u m e c a n r e d u c e p o r e s a n d i n t e n s if i e s th e c r a c k i n g r e s is t a n c e o f c o n c r e t e . l a s t ly , c o m p l e x e q u il i b r i u m t h e e f f e c t o f t h e r e l a t i v e f a c t o r s o n t h e c o n c r e t e e a c h a g e s t r e n g th , t h e b r o a d e n t e s t o f a d d i n g 6 0 % f ly - a s h w a s a s c e r t a i n e d . 脚t e s t , t h e o p t i m u m m ix p r o p o r t i o n s o f c 4 0 , c 4 5 a n d c 5 0 s t r e n g t h c o n c r e t e w e r e d e t e r m i n e d . i n t h e m u l t i v a r i a b l e l i n e a r r e g r e s s i o n a n a ly s i s , t h e 3 d , 7 d , 2 8 d , 9 1 d c u b e s t r e n g t h 。 l o o k e d a s f u n c t i o n d iff e r e n t ly a n d t h e f i v e f a c t o r s o f t e s t v i e w e d a s i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s . u s i n g t h e s p s s s t a t i s t i c a l a n a ly s i s a p p l i c a t i o n s o f t w a r e , t h e o p t i m u m r e g r e s s i o n e q u a t i o n w a s d e d u c e d b y s t e p w is e m e t h o d . t h e c o n c r e t e s t r e n g t h s p r e d i c t e d b y t h e o p t i m u m r e g r e s s i o n e q u a t i o n w e r e c o m p a r e d w i t h t h e a c t u a l v a l u e ; t h e o p t i m u m r e g r e s s i o n e q u a t i o n c a n p r e d i c t c o n c r e t e s t r e n g t h p e rf e c t ly . k e y w o r d s : h ig h v o l u m e f ly - a s h c o n c r e t e , u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g l i n i n g , a c t i v a t o r , o r t h o g o n a l t e s t d e s ig n , e a r ly s t r e n g t h , v is u a l a n d v a r i a n c e a n a ly s is , c r a c k i n g r e s is t a n c e , a d m ix t u r e , 2 8 d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h , m u l t i v a r i a b l e l i n e a r r e g r e s s i o n , f o r e c a s t 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 第一章 绪 论 1 . 1引言 在我国国民经济和社会发展 “ 十五计划”与2 0 1 0年远景目 标中，建筑工业 与建材工业被列为支柱产业， 并确定建材工业应以调整结构、节约能源、节约土 地、 节约水及减少污染为重点， 大力增加优质产品， 积极利用工业废渣， 发展绿 色混凝土等方针， 实现建筑工业和建材工业的可持续发展。 可持续发展是社会经 济发展的根本性战略， 它要求在大力发展经济的同时， 要解决好经济、 环境、 资 源、 人口 和社会等的协调性， 即既要达到发展经济的目的， 又要保护人类赖以生 存的自 然和环境，使子孙后代能够永续发展和安居乐业。 然而， 据2 0 0 3 年统计， 2 0 0 3 全世界水泥的年产量己 达到1 8 亿吨， 其中我国 的水泥年产量达 8 . 2 5 亿吨，约占全世界水泥年产量的 4 5 % ，居世界首位。而每 年生产8 . 2 5 亿吨水泥需消耗煤量约 1 . 2 亿吨;同时又会向大气中排放6 . 1 亿多 吨c 0 2 气体， 6 8 . 6 万多吨s 伍气体， 这不仅耗费了巨 大的能源， 而且造成了 严重 的环境污染。 另一方面， 近期我国发电仍以 火力发电为主， 由于电厂燃煤机组的 不断增加， 规模的不断扩大， 导致了 粉煤灰排放量的逐年增加。目 前我国粉煤灰 排放量己达到 1 . 6 5 亿多吨， 需占用耕地地达4 0 多万亩。 虽然我国粉煤灰的排放 量逐年不断增加，但是其利用率仍仅占总排放量的4 0 % ，可见利用率相对较低。 在粉煤灰的利用方面， 其利用方向、 利用率及利用水平是一个关键， 国外从 3 0 年代、国内从5 0 年代开始在混凝土应用粉煤灰，最初出于经济性考虑 ( 节约 水泥或弥补细集料的不足等) ， 仅用粉煤灰取代已 有配合中的等量水泥。 随着对 粉煤灰在混凝土的诸多优点逐渐被发现并得到认可( 尽管这一过程仍显得比较缓 慢)，粉煤灰利用率也不断有了提高。7 0年代，有两个最主要的因素大大促进 了粉煤灰应用技术的发展。 其一是水工大坝大体积混凝土结构， 由于水化热温升与气温剧变导致的几乎 无坝不裂的现实， 以及巨大的温控费用与相当长的 工期， 促进了 对传统筑坝方法 的改革， 导致了一种全新的碾压混凝土筑坝技术的问世。 为加快筑坝的进度， 就 必须最大限度的降低混凝土的水化温升， 因此碾压混凝土的水泥用量非常低， 同 时， 为了支撑碾压设备的重量， 它又必须足够干硬， 而为了能够将足够干的拌合 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 第一章 绪 论 1 . 1引言 在我国国民经济和社会发展 “ 十五计划”与2 0 1 0年远景目 标中，建筑工业 与建材工业被列为支柱产业， 并确定建材工业应以调整结构、节约能源、节约土 地、 节约水及减少污染为重点， 大力增加优质产品， 积极利用工业废渣， 发展绿 色混凝土等方针， 实现建筑工业和建材工业的可持续发展。 可持续发展是社会经 济发展的根本性战略， 它要求在大力发展经济的同时， 要解决好经济、 环境、 资 源、 人口 和社会等的协调性， 即既要达到发展经济的目的， 又要保护人类赖以生 存的自 然和环境，使子孙后代能够永续发展和安居乐业。 然而， 据2 0 0 3 年统计， 2 0 0 3 全世界水泥的年产量己 达到1 8 亿吨， 其中我国 的水泥年产量达 8 . 2 5 亿吨，约占全世界水泥年产量的 4 5 % ，居世界首位。而每 年生产8 . 2 5 亿吨水泥需消耗煤量约 1 . 2 亿吨;同时又会向大气中排放6 . 1 亿多 吨c 0 2 气体， 6 8 . 6 万多吨s 伍气体， 这不仅耗费了巨 大的能源， 而且造成了 严重 的环境污染。 另一方面， 近期我国发电仍以 火力发电为主， 由于电厂燃煤机组的 不断增加， 规模的不断扩大， 导致了 粉煤灰排放量的逐年增加。目 前我国粉煤灰 排放量己达到 1 . 6 5 亿多吨， 需占用耕地地达4 0 多万亩。 虽然我国粉煤灰的排放 量逐年不断增加，但是其利用率仍仅占总排放量的4 0 % ，可见利用率相对较低。 在粉煤灰的利用方面， 其利用方向、 利用率及利用水平是一个关键， 国外从 3 0 年代、国内从5 0 年代开始在混凝土应用粉煤灰，最初出于经济性考虑 ( 节约 水泥或弥补细集料的不足等) ， 仅用粉煤灰取代已 有配合中的等量水泥。 随着对 粉煤灰在混凝土的诸多优点逐渐被发现并得到认可( 尽管这一过程仍显得比较缓 慢)，粉煤灰利用率也不断有了提高。7 0年代，有两个最主要的因素大大促进 了粉煤灰应用技术的发展。 其一是水工大坝大体积混凝土结构， 由于水化热温升与气温剧变导致的几乎 无坝不裂的现实， 以及巨大的温控费用与相当长的 工期， 促进了 对传统筑坝方法 的改革， 导致了一种全新的碾压混凝土筑坝技术的问世。 为加快筑坝的进度， 就 必须最大限度的降低混凝土的水化温升， 因此碾压混凝土的水泥用量非常低， 同 时， 为了支撑碾压设备的重量， 它又必须足够干硬， 而为了能够将足够干的拌合 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 物碾压密实， 胶结材浆状物又不可太少， 于是大量掺用粉煤灰成了物尽其用的最 佳选择， 其掺用比例高达4 0 % -7 0 % ， 成了名副其实的大掺量粉煤灰混凝土( h i g h f l y - a s h c o n t e n t c o n c r e t e ，简称h f c c )。 经检测， 这种碾压h f c c 表现出良 好 的力学性能与耐久性能， 使得碾压混凝土坝在世界范围内得到了迅速推广， 也使 人们增强了对粉煤灰大量应用的信心。 其二是减水剂尤其是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， 当高效减水剂与粉煤灰联合掺用时，由 于水胶比显著降低， 粉煤灰对 混凝土的强度发展从早期开始就具有贡献， 耐久性得到显著改善， 使粉煤灰的效 应由于外加剂的作用而相得益彰 1 l 8 0年代以 来，随着对粉煤灰混凝土结构工程耐久性的实地调查结果不断发 表， 其中， 典型的如英国的d u s t a n 教授对掺有占 有胶凝材料用量5 1 % - 5 6 % 粉煤灰 的 结 构 工程 使用 十 年 后的 现 场 性能 的 调 查 2 1 ， 结 果显 示 粉 煤 灰混 凝土 表 现出 比 普 通混凝土更好的现场长期性能，认为即使是h f c c 也可成功地用于结构混凝土， 并认为某些规范中对粉煤灰用量所设的限制是偏于保守的。 8 0 年代后期，以加拿大c a n m a t 的m a l h o t r a 教授为首的研究小组，开始了 对h f f c c( 非 碾压混凝土) 的一 系列 研究3 1 ， 其中 粉煤灰用量占 总 胶凝 材料总量 的5 5 % 以上， 所使用粉煤灰的品质范围也相当宽， 研究几乎已涉及到混凝土性能 的各个方面。 研究结果表明， 试验优化的粉煤灰混凝土， 除能大量节约水泥， 降 低水化温升， 改善新拌混凝土的和易性， 后期强度较高等已熟知的优点外， 还可 以作为高强结构混凝土， 其体积稳定性以 及个别性能 ( 耐磨性， 早期强度) 外的 绝大多数耐久性能 ( 渗透性， 抗冻性， 抗c l - 渗透， 抗碳化等) 均较普通混凝土 有不同程度的改善。研究还认为，如果不特别强调早期强度，掺入5 0 % 的粉煤灰 是完全可以接受的。 9 0年代以来发表的大量研究成果带动了世界范围内对 h f c c的研究应用， h f c c 与h p c ( 高性能混凝土) 构成了当今混凝土技术发展的两大主题， 越来越多 的研究与应用结果表明， 应对粉煤灰的作用加以重新认识， 传统的保守的观念应 当得到变革。 随着大掺量粉煤灰混凝土研究水平不断进步， 国外许多国家都将大掺量粉煤 灰混凝土在工程中得到成功应用，英国先后将大掺量粉煤灰混凝土成功应用于 m i l t o n 大坝; h e a t h r o w 机场路面: m u m b l e 船坞滑道; w i n c a t o n 污水处理厂给水 塔; d i d c o t 电站储煤厂重载地坪以及南威尔士 g r a n a e t o w n 的高架桥. ) p h2 v接 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 量为4 0 % -8 0 % , 2 8 d 强度为2 5 7 0 m p a ， 坍落度为2 5 - 1 5 0 m m ;加拿大在一幢7 层高的综合楼中应用了大掺量粉煤灰混凝土， 掺量高达 5 5 % , 1 2 0 d 强度达5 0 - 7 2 m p a ， 在另一幢2 2 层的办公楼钻孔沉箱桩中也应用了 大掺量粉煤灰混凝土， 实 测2 8 d 强度为5 1 m p a 。 美国佛罗里达州的一座海边高架桥的下部混凝土中采用了 大掺量粉煤灰混凝土， 用粉煤灰取代了5 0 % 的水泥。 在犹他州静水坝的主表面与 芯体也采用了掺量高达 5 0 % -7 0 % 的粉煤灰混凝土。日本采用粉煤灰、矿粉复合 掺合料在明石跨海大桥的 预应力桥墩中 应用了总掺量为 7 5 % -8 0 % 的高掺量粉煤 灰混凝土4 1 。 借鉴国 外 研究资 料， 结合国内 实际， 国内h f c c 研究技术也相继发 展和得到应用，早在 1 9 5 4 年，国家财经委在编制并颁布的 “ 关于在基本建设工 程中使用水泥暂行规定” 中， 就确定了 粉煤灰作为“ 水硬性混合材料” 掺入水泥 熟料中生产水泥，其掺量为 1 5 % -2 0 % 。随着科研单位对粉煤灰掺入混凝土中的 系统研究和在工程中的应用实践， 特别是在水利工程中应用以后， 粉煤灰在建筑 工程 领 域也 逐 渐得到了 应 用， 并 取 得了 十 分 显 著的 效果 11 1 . 1 9 5 8 年， 黄 河三门 峡、 刘家峡、 陈村、 合山、 欧阳海灌区以及台湾的雾社坝工程中掺用了 粉煤灰， 取得 了减少水化热、 改善性能和节约水泥的良 好效果。 在工业与民用建筑的钢筋混凝 土建筑物和构筑物中也有使用， 如桂林沙河电厂地下厂房的梁、 板、 柱等钢筋混 凝土中掺有 1 0 -2 5 % 的原状灰。 1 9 6 5 年， 齐齐哈尔钢厂轧钢车间用齐齐哈尔电厂 的原状灰配制混凝土来浇筑具有牛腿的柱子， 掺入1 2 % 粉煤灰。 1 9 7 6 年底， 北京 市建材科学研究所、 石景山电厂和电力建设研究所等单位开始了磨细粉煤灰的性 能及应用研究，至 1 9 7 7 年又与北京市基建工程单位相结合，开展地铁混凝土工 程掺粉煤灰的 试验研究， 北京市建材局高井烟灰制品 厂在短时内 建成了 年产 1 0 万吨的磨细粉煤灰车间。1 9 8 2年，上海建材局在阂行电厂毗邻的建材基地，建 造年产1 0 万吨的 磨细粉煤灰厂， 1 9 8 9 年宝 钢综合服务公司磨细灰生产线投入生 产。上海利用磨细粉煤灰配制大流动度泵送混凝土技术，成功应用于南浦大桥、 杨浦大桥和8 8 层金茂大厦等重大市政工程和超高层建筑。 1 9 9 4 年， 长江三峡工 程正式开工，整个工程有混凝土2 7 9 9 万方，其中大坝混凝土工程量1 5 2 7 万方， 采用低水泥用量、 低用水量、 低水胶比 的技术路线， 通过高掺i 级粉煤灰、 高效 减水剂和引气剂制备出水泥用量低、 水化热低、 用水量低、 抗渗性好、 耐久性好 的混凝土，其中粉煤灰掺量高达3 0 % 0 随着世界科技的发展， 粉煤灰在混凝土中的利用技术不断提高， 在国内， 虽 然目 前对粉煤灰的利用率有了一定的提高， 但是由于对粉煤灰的综合利用技术水 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 平较国外有一定差距， 相对国外来说， 利用率仍然较低， 大多数工程用量一般不 超过3 0 % ，而且主要利用途径仅在于:建材与建工、 道路、回填、水利大坝等， 使用范围相对较窄， 并且诸如铁路隧道、 公路隧道、 水利隧道、 矿山井巷、 地铁、 排污隧道、 电力隧道、 国防工程等地下工程对粉煤灰的利用大多持保守态度， 最 大掺量也不超 1 5 %，特别是地下国防工程，使用量更加保守，如果能使粉煤灰 在这些国内规模比较大的基础工程中大量使用， 那将是一个利用燃煤废料、 缓解 矿物能源危机的有效途径。 为了能在实际工程得到应用， 笔者本人先从试验开始， 通过多种手段， 配制大掺量粉煤灰混凝土， 并对其性质进行了分析和讨论， 主要 从力学性能上探讨大掺量粉煤灰混凝土能否满足地下工程混凝土砌衬的施工要 求，并找出其最优配比。 1 . 2 大掺量粉煤灰混凝土的性能机理 大掺量粉煤灰混凝土是一种新材料。 它与普通掺有粉煤灰的混凝土不同， 大 掺 量 粉煤 灰混 凝 土主 要 有以 下 几 个 特点 (2 6 1 1 、粉煤灰是混凝土的一个独立组分，可根据工程设计的要求 ( 而不是以一 个不掺粉煤灰的混凝土配合比为参照物， 用粉煤灰以一定比 例代替水泥) 来配制 拿 昆 凝土; 2 、由于粉煤灰比水泥对水胶比更为敏感，且早期活性较低，它要求用外加 剂使水胶比 尽量减小， 用激发剂激发粉煤灰活性， 粉煤灰对强度发展的作用明显 提前，因此所配置的混凝土2 8 天 ( 或其它设计龄期)强度可以满足工程设计的 要求; 3 、 粉煤灰掺量 ( 一般应大于4 0 %)比 普通掺有粉煤灰的混凝土要大， 粉煤 灰的效应能得到充分发挥，经济效益显著 ( 粉煤灰的价格仅为水泥的1 / 3 ) . 1 . 2 . 1粉煤灰的品质 1 、粉煤灰的分类 a s t m 6 1 8 根据粉煤灰中c a o含量大小将粉煤灰分为f级 ( 低钙灰)与c 级 ( 高钙灰)。如表 1 - 1 所示。 表1 - 1 粉煤灰的类型 燃煤类型粉煤灰类型c a o含量 s io z + a iz 0 3 + f e z 0 3 ( % ) 无烟煤， 烟煤低钙粉煤灰 ( f ) 1 0 5 0 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 平较国外有一定差距， 相对国外来说， 利用率仍然较低， 大多数工程用量一般不 超过3 0 % ，而且主要利用途径仅在于:建材与建工、 道路、回填、水利大坝等， 使用范围相对较窄， 并且诸如铁路隧道、 公路隧道、 水利隧道、 矿山井巷、 地铁、 排污隧道、 电力隧道、 国防工程等地下工程对粉煤灰的利用大多持保守态度， 最 大掺量也不超 1 5 %，特别是地下国防工程，使用量更加保守，如果能使粉煤灰 在这些国内规模比较大的基础工程中大量使用， 那将是一个利用燃煤废料、 缓解 矿物能源危机的有效途径。 为了能在实际工程得到应用， 笔者本人先从试验开始， 通过多种手段， 配制大掺量粉煤灰混凝土， 并对其性质进行了分析和讨论， 主要 从力学性能上探讨大掺量粉煤灰混凝土能否满足地下工程混凝土砌衬的施工要 求，并找出其最优配比。 1 . 2 大掺量粉煤灰混凝土的性能机理 大掺量粉煤灰混凝土是一种新材料。 它与普通掺有粉煤灰的混凝土不同， 大 掺 量 粉煤 灰混 凝 土主 要 有以 下 几 个 特点 (2 6 1 1 、粉煤灰是混凝土的一个独立组分，可根据工程设计的要求 ( 而不是以一 个不掺粉煤灰的混凝土配合比为参照物， 用粉煤灰以一定比 例代替水泥) 来配制 拿 昆 凝土; 2 、由于粉煤灰比水泥对水胶比更为敏感，且早期活性较低，它要求用外加 剂使水胶比 尽量减小， 用激发剂激发粉煤灰活性， 粉煤灰对强度发展的作用明显 提前，因此所配置的混凝土2 8 天 ( 或其它设计龄期)强度可以满足工程设计的 要求; 3 、 粉煤灰掺量 ( 一般应大于4 0 %)比 普通掺有粉煤灰的混凝土要大， 粉煤 灰的效应能得到充分发挥，经济效益显著 ( 粉煤灰的价格仅为水泥的1 / 3 ) . 1 . 2 . 1粉煤灰的品质 1 、粉煤灰的分类 a s t m 6 1 8 根据粉煤灰中c a o含量大小将粉煤灰分为f级 ( 低钙灰)与c 级 ( 高钙灰)。如表 1 - 1 所示。 表1 - 1 粉煤灰的类型 燃煤类型粉煤灰类型c a o含量 s io z + a iz 0 3 + f e z 0 3 ( % ) 无烟煤， 烟煤低钙粉煤灰 ( f ) 1 0 5 0 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 我国的粉煤灰资源中，c a o含量基本上小于 1 0 %，只有少数例外，从国 外 的有关文献看，两种灰都曾用于配制h f c c ，由于f 级粉煤灰占资源比例大， 其 用于配制 h f c c的实例较多，但同时用两种灰开展的有平行系列试验，并没有 表明二者用于配制h f c c存在明显差别。可认为粉煤灰中c a o的含量的大小不 是影响h f c c性能的重要因素。 2 、粉煤灰的品质指标 各国规范所规定的指标类型与指标值范围有所不同， 其中多数国家都对下述 主要品质指标作了规定。依次排列为:烧失量、s 0 3 含量、含水量、细度、需水 量l l . s i 0 2 + a 1 2 0 3 + f e 2 o : 含量等。 其中我国粉煤灰品质指标的分级如表 1 - 2 所示。 表1 - 2 粉煤灰品质指标的分级 粉煤灰等级细 度1 4 5 u 。方孔筛余 咐烧失量 ( %)需水量比 ( %)s o , 含童 ( %) i提 1 25559 553 1 15 2 058簇1 0 5 3 川蕊4 5簇 1 5蕊 1 1 5蕊3 对粉煤灰的某些品质指标对混凝土性能的影响尚存不一致的看法。 例如， 有 不少人认为s i 0 2 + a 1 2 0 3 + f e 2 o 。 尤其是s i 0 2 含量越高，粉煤灰的火山 灰活性潜能 越大，强度越高。 但已 有资料表明，s i 0 2 与s i 0 2 + a 1 2 0 3 十 f e 2 0 3 的 含量与混凝土 的强度之间没有值得信赖的相关性。 因此， 以这些指标来选择粉煤灰或评估粉煤 灰混凝土的性能缺乏令人信服的根据。 这从不少国家对这些氧化物指标不作规定 也可说明。 在上述的主要指标中， 粉煤灰中s o : 的实际含量都远低于规范指标， 故对混 凝土的性能不构成威胁。通常干排且储存良好的粉煤灰都不存在含水率超标问 题。 ( 1 )烧失量 ( 含碳量) 高的粉煤灰对混凝土的性能的影响 ( 需水量增大， 密实度降低， 影响外加剂的掺量与面层混凝土的质量等) 已众所周知。 由于h f c c 中 粉煤灰的 含量非常高，高 烧失量的灰将显著影响 h f c c的 性能与经济性， 如 过多的碳粒对减水剂尤其是引气剂具有明显的吸附作用， 导致减水剂的用量明显 增加，而引气剂的剂量则需数倍甚至数十倍的增加，使对 h f c c的引气难度加 大。因此.烧失量可认为是影响h f c c配合比设计与性能的最主要因素。 ( 2 )细度:粉煤灰的细度取决于电厂的吸尘与分选工艺， 细度越细，火山 灰反应能力越好， 或称火山灰反应能力越好， 或称火山灰活性指数越高。 这一规 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 律没有理由 不适用于 h f c c a d h i r r k 16 1 曾 使用八种不同品 质的粉煤灰设计的 h f c c( 水胶比w/( c + f a)、灰胶比f a / ( c + f a)相同，分别为0 . 3 3 , 0 . 5 6 ) 的抗压强度结果表明: 细度细的粉煤灰具有相对高的早、中、 后期强度。 其实对 于早、中期强度而言，细颗粒的填充与密实作用比火山灰活性效应更为重要。 ( 3 )需水量比:规定需水量比是为了使混凝土不致因使用粉煤灰而导致用 水量增加。 一般认为， 粉煤灰的需水量比越小， 混凝土的需水量越小。 两者之间 虽有相关性，但相关系数并不太高，有时需水量比 相差 1 0 %的不同粉煤灰，拌 制出的混凝土需水量却基本相同 ( 相差不到2 %)。需水量比与混凝土的坍落度 之间有资料(7 ) 表明没有必然联系， 如表1 - 3 所示。 表1 - 3粉煤灰的需水量比与混凝土的坍落度 粉煤灰编号 需水量比 ( %) 混凝土的坍落度 ( mm) 粉煤灰 编 号 需水量比 ( %) 混凝土的 坍落度 ( mm) i9 01 0 059 31 0 0 2919 569 34 0 39 2夕 079 37 5 49 21 0 0s9 6 7 0 如果表1 - 2 中编号1 - - 4 的粉煤灰需水量比相近而坍落度相差最大i o m m仍属 ( 因为坍落度测试本身就不可避免带来l o m m左右的误差) ， 但需水量比 相 9 3 %的 5 - 7号粉煤灰，坍落度相差却非常明显，这不是用试验误差所能解 常为的 正同析 可见， 从总体上来说， 需水量比小总是好的， 但不宜把这一指标作为粉煤灰 取舍与否的主要判据。 对于h f c c ， 主要还是依靠高效减水剂来控制水胶比与流 动度。 此外， 需水量比指标可从烧失量与细度指标上得到反映。 三者相互关联的。 烧失量大的粉煤灰， 通常细度也粗， 需水量比也随之增大。 因此， 烧失量与细度 可作为h f c c选材的两个重要指标。 英国的d h i: 教授用烧失量与细度的乘积大 小 表达与 混 凝土 和易 性 之间的 关系7 1 见 表1 - 4 a 表1 - 4 粉煤灰品质与减水效果 粉 煤 灰 等 级 细 度 ， x 烧 失 量一 效果 粉 煤 灰 等 级一 细 度 . x 烧 失 。i 效二 1 5 0 不减水， 不适用 注: * 表示4 5 ,u m筛筛余量 中等减水 %。 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪 论 1 .2 . 2粉煤灰在混凝土中的作用 1 、粉煤灰混凝土的降低温升作用 水泥水化作用是放热反应， l g 水泥放出的 热量可高达到5 0 0 j ( 1 2 0 c a l ) ， 它能 使混凝土中的温度达到 7 5 以上。因混凝土的热传导性较差，大体积混凝土内 部产生的水化热造成温度急剧上升， 与混凝土表面形成温度梯度， 故其内部产生 拉应力， 此拉应力很可能超过未成熟混凝土的抗拉强度， 在以后的冷却过程中又 可能再次产生拉应力， 它们都足以使混凝土严重开裂。 这与混凝土中所达到的峰 温度有关， 若能采取技术措施将混凝土温升的峰值温度加以限制， 则能避开开裂。 根据国外经验，若将峰值温度控制在 7 0 以下，则开裂的可能性不大;如超过 7 0 0c ， 就要冷却措施降低温升， 这样费用要增加不少， 用粉煤灰取代水泥，能使 温升降低 1 53 5 %，对混凝土温升取到缓解作用，这也是一种最为经济的措施。 国内近年来的研究工作表明， 粉煤灰的作用并不意味着使纯水泥的水化热减 少， 或者水化过程缓慢。当 然， 粉煤灰取代部分水泥， 水泥用量减少， 水化热量 也减少: 粉煤灰掺量越多，降低温升的 效果也越好。 据测定， 经过1 8 03 6 0 天， 掺与不掺粉煤灰的水泥的放热量总量是接近的， 只是速度不同而己。 在实际应用 中 应当关心的是放热速度， 而不是总的 水化热量18 1 2 、改善新拌混凝土的和易性 用粉煤灰取代部分水泥可改善新拌混凝土的和易性，因为: ( 1 ) 粉煤灰是 由 大小不等的球状颗粒的玻璃体组成， 表面光滑致密， 在混凝土拌合物中能起润 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，形成更多的浆体来润滑骨料。 ( 3 )能减少用水量，使混凝土的水灰比 降到更小水平，减少泌水和离析现象。 ( 4 )具有良 好的保水性，有利于泵送施 工 。 粉煤灰对新拌混凝土改性， 主要表现在与普通混凝土流动性相同时， 粉煤灰 混凝土中用水量降低。 这对新拌混凝土带来的好处首先是为改善新拌混凝土和易 性提供了基本条件; 为硬化中粉煤灰混凝土减少了出 现收缩裂缝的危险; 对硬化 混凝土来说， 则有利于提高强度和减少体积变化。 因此， 粉煤灰的减水率是粉煤 灰混凝土首要的工程性能参数。 影响混凝土中粉煤灰减水率的主要因素是粉煤灰的需水性， 粉煤灰用量和水 泥用量，水灰比等。粉煤灰本身的需水性是基本因素，粉煤灰需水量这个参数， 不能直接用作粉煤灰混凝土的减水率， 因此， 需水量比只能作为评价粉煤灰质量 西北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 的一项指标，而粉煤灰在混凝土中的减水率才是实用的参数。 3 、延缓混凝土的凝结时间 如果不考虑外加剂的影响， h f c c的凝结时间和以往低掺量粉煤灰混凝土一 样， 随掺量增加凝结时间有所延缓， 延缓的程度与水泥品种， 粉煤灰的品质有关。 h f c c通常还同时掺有高效减水剂与激发剂， 且剂量较大， 因此凝结时间还受高 效减水剂等的影响， 有时甚至是决定性的影响。 如使用活性激发剂与高效减水剂 可明 显 加快凝结时间， 使其与 普通混凝土的 凝结时间基 本相同 9 , 1 0 1 。 此外， 温 度 对 h f c c凝结时间及早期强度的影响，比普通混凝土和低掺量粉煤灰混凝土更 为显著。 1 .2 .3粉煤灰活性技术的国内外研究概况 粉煤灰的早期活性较低，对混凝土的凝结时间产生延缓作用，加之早期强 度随着粉煤灰掺量的增加而降低。 针对这一情况， 国内 外在这方面作了不少研究 工作。 在国外， 许多年来一些学者与工程界人士对粉煤灰活化技术问题进行了 研 究。 如加拿大、 英国和美国等学者与工程界人士对高掺量粉煤灰混凝土进行了 开 创性的 研究，公开发表了 大量的 相关论文。 近年来 m a l h o t r a、 p . k m e h t a t 和 a . m . n e v i l l e 等混凝土权威也做了 很多工作，旨 在提高早期强度， 取得了 很好 的效果。 在国内， 针对粉煤灰早期强度不足的问题， 很多研究者都做了相应的研 究， 如孙振平、 胡明玉等都提出采用激发剂手段， 来提高大掺量粉煤灰的早期强 度。 钱觉时、 林宝玉等认为粉煤灰一石灰一硫酸盐系统在常温常压条件下能非常 有效地激发粉煤灰活性， 这一系统也能很好的适应大掺量粉煤灰混凝土。 孟志良 的研究结果也显示， 粉煤灰一 - 石灰一硫酸盐系统， 对大掺量粉煤灰混凝土的早期 强度提高也有比较明显的作用。 粉煤灰的活性激发还有其它方法， 诸如加钙处理、 单掺碱激发 ( 石灰、水玻璃等)， 硫酸盐激发 ( c a s 氏、 n a 2 s 吸等)、物理细磨 或物理细磨与化学激发剂相结合等， 这些激发方法的作用及机理将在第三章作进 一步阐述。 西北工业大学硕士学位论文第二章 大掺量粉煤灰混凝土( h f c c 第二章 大掺量粉煤灰混凝土( h f c c ) 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 改善。 然而， 多年来人们在粉煤灰的掺量问题上一直持比 较保守的态度， 大多数 混凝土中粉煤灰的掺量一般都在 3 0 %以 下。其中一个主要原因在于粉煤灰的质 量难以保证， 一些电厂燃煤来源不固定， 又缺乏明确的粉煤灰质量标准和保证质 量的措施。 为了增加粉煤灰的利用、 改善混凝土的性能， 河海大学和其它科研单 位及个人关于大掺量粉煤灰混凝土做了大量的研究; 加上国内现在已 有一些企业 通过引进先进技术， 完全可以提供质量稳定的粉煤灰。 因此现在国内有条件逐步 加大粉煤灰的利用， 特别是在混凝土中的应用， 这对粉煤灰的大量利用将是一个 长期而意义重大的研究方向。 混凝土能否长期作为最主要的建筑材料， 关键在于能否成为绿色材料， 能否 节约能源， 处理工业废渣， 减少环境污染。 建筑业与建筑工业是我国的支柱产业， 要得以可持续发展， 必须调整结构、 节能节地以及减少污染。 针对我国粉煤灰日 益增多的现象， 加之其对社会和环境的危害步步加大， 对粉煤灰的大量利用变得 十分迫切。 大掺量粉煤灰高性能混凝土便是著眼于更充分地利用粉煤灰的潜在活 性， 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; 更大发 挥高 性能 优势， 改 善混凝土工作性、 耐久性d 1 . 1 z 1 生态环保型混凝土是当代建材工业发展的主要方向之一， 大掺量粉煤灰混凝 土具有材源、 性能和社会经济效益等方面的优势。 近年来， 随着对粉煤灰混凝土 的不断深入研究， 大掺量粉煤灰高性能混凝土己不存在技术上的推广障碍， 关键 在于转变观念， 加大其应用力 度 1 3 1 。 大掺量 粉煤灰混凝土的 研究在我国 的 起步 比较晚， 近年来不少单位己 着力于这方面的 研究及开发， 并取得积极的效果， 其 主要特点为: 更多地节约水泥和处理电厂废弃物， 可节能、 节约资源和改善温室 效应【 1 4 , 1 5 1 ; 降低混凝土材料成本; 降 低混凝土水化热; 提高混凝土抗渗性， 抗氯 离子渗透和化学腐蚀及碱集料反应的能力; 早期强度相对较低; 抗盐冻剥蚀性差 1 6 1 随着高效减水剂的普遍应用， 人们可以配制出性能和强度越来越高的粉煤灰 混凝土。在粉煤灰掺量小于 4 0 %时，如果水灰比较小，可以配制出抗压强度达 到7 0 - 8 0 m p a 的混凝土，但是当粉煤灰混凝土的掺量超过4 0 %时，混凝土的抗 西北工业大学硕卜 学位论文 第 w 大掺量粉煤灰混凝土 h f c c ) 压强度会迅速降低， 往往达不到高强的要求。 但是如果掺入硅粉或矿渣等矿物活 性掺合料后， 即使粉煤灰掺量达到6 0 %， 也能配制出强度超过5 0 mp a 的混凝土。 本章主要讨论了大掺量粉煤灰混凝土的概念， 硅粉在大掺量粉煤灰混凝土中 的作用以 及大掺量粉煤灰混凝土在地下工程应用研究的实际意义， 并提出了 本文 的技术思路。 2 . 1大掺量粉煤灰混凝土的概念及其应用于地下工程中的研 究意义 2 . 1 . 1 大掺最粉煤灰混凝土的概念 当 前 在国内 ， 大掺 量 粉 煤 灰混 凝土 指 粉 煤灰 掺量 大 于4 0 % 的 混 凝土 11 。 其中 掺量是指胶凝材料中粉煤灰所占的 质量百分比。在国 外， v . m . m a l h o t r a 等认为 它是水胶比 和用水量都很低， 且粉煤灰掺量大于5 5 % 的混凝土。 5 ,1 7 . r a f a t s id d iq u e (1 8 1 则认为 在大掺 量粉煤灰 混 凝土中 通常 粉煤灰占 胶凝材料 总质量的 5 0 %以上。 早在 1 9 5 4 年，美国d a v i s 教授提出火山灰质材料不是一种波特兰水泥的替 代物， 而是混凝土的另一组分。 使用它的目 的在于提高混凝土的某种或某些性能。 美国人d u n s t a n 于1 9 8 6 年以“ 粉煤灰是混凝土的 第四组分”为题， 对大掺量粉 煤灰混凝土提出一种全新的配合比设计方法， 他认为大掺量粉煤