（材料学专业论文）高活性粉煤灰在公路工程中的应用研究.pdf

摘要 粉煤灰可以作为活性掺合材料用于水混凝土的制备，它能有效改善混凝土的 各项性能。虽然以往学者对粉煤灰在混凝土中的应用进行了大量研究，但由于各 地区粉煤灰的技术性质存在差异，专门针对陕西与山东两地粉煤灰在道路与公路 工程结构物混凝土中的应用研究相对较少。本论文采用陕西、山东两地三类不同 粉煤灰进行试验研究，对比不同粉煤灰不同掺量对道路与结构物混凝土力学性能 的影响规律，及对道路混凝土路用性能的改善作用。同时以西安至铜川高速公路 上赵氏河大桥承台混凝土施工为例，通过对承台混凝土进行温度监测，得出赵氏 河大桥各承台混凝土的放热规律及粉煤灰对降低大体积混凝土水化热的改善作 用。本论文为推动三种粉煤灰在两地区的广泛应用提供了大量的基础数据和宝贵 的实践经验，不仅有助于解决两地区的粉煤灰的堆积问题降低环境污染，同时对 保证粉煤灰混凝土的技术性能、提高粉煤灰利用量及利用水平、指导实际施工具 有积极的意义。 关键词：粉煤灰，道路水泥混凝土，结构物混凝土，力学性能，路用性能，水化 执 j 、 a b s t r a c t f l ya s hc a l lb eu s e dt om a k ec e m e n tc o n c r e t e 硒t h ea c t i v ea d m i x t u r e i tc a r l e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep r o p e r t i e so fc o n c r e t e a l t h o u g hr e s e a r c h e r sh a dl o t so fs t u d i e so nt h e u s eo ff l ya s hi nc o n c r e t eb e f o r e ，r e l a t i v e l yl e s sr e s e a r c hh a db e e nc a r r i e do u to nt h eu s eo ff l y a s hi nr o a da n dr o a ds t r u c t u r ec o n c r e t ei ns h a a n x ia n ds h a n d o n gp r o v i n c eb e c a u s et h e t e c h n o l o g yp r o p e r t yo ff l ya s hi ne v e r yr e g i o ni sd i f f e r e n t t h i sp a p e ru s e dt h r e ed i f f e r e n tf l y a s hi ns h a a n x ia n ds h a n d o n gt oc o n d u c tr e s e a r c ht e s t i tc o m p a r e dt h ei n f l u e n c el a wo fr o a d a n dr o a ds t r u c t u r ec o n c r e t em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、析md i f f e r e n tf l ya s ha n dd i f f e r e n tm i x a m o u n t i ta l s os t u d i e dt h ei m p r o v i n ge f f e c tt ot h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c eo fr o a dc o n c r e t e a tt h es a m et i m e ，i tt a k e st h ep i l ec a pc o n c r e t ec o n s t r u c t i o no fc h a or i v e rb r i d g eo n x i a n - - t o n g c h u a n ge x p r e s s w a y t h r o u g ht e m p e r a t u r ed e t e c t i o nt op i l ec a pc o n c r e t e ，i t o b t a i n e dt h eh e a tr e l e a s er u l e so fp i l ec a pc o n c r e t ei nc h a o - r i v e rb r i d g ea n dt h ei m p r o v i n g e f f e c to ff l ya s ht od e c r e a s et h eh y d r a t i o nh e a ti nm a s sc o n c r e t e t h i sp a p e rp r o v i d e dal o to f b a s ed a t aa n d p r e c i o u sp r a c t i c a le x p e r i e n c et op r o m o t et h ew i d ea p p l i c a t i o no f t h et h r e ef l y a s h n o to n l yi tc a nh e l pt h et w or e g i o n st or e s o l v et h ea c c u m u l a t i o np r o b l e mo ff l ya s ht o d e c r e a s ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , b u ta l s oi th a sp o s i t i v es i g n i f i c a n c et oe n s u r et h et e c h n o l o g y p r o p e r t i e so ff l ya s h ，t oe n h a n c et h eu t i l i z a t i o na m o u n ta n du t i l i z a t i o nl e v e lo ff l ya s h , t o g u i d et h ep r a c t i c a lc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：f l ya s h ，r o a dc o n c r e t e ，s t r u c t u r ec o n c r e t e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，h y d r a t i o nh e a t n 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，均己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本人承担。 论文作者签名：王荨札必卵年6 月扩e l 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规定) 论文作者签名： 王学矛垒1 加叶年月护日 别雌轹惟铭0 年么月髫日 长安大学面学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 燃煤发电是我主要的发电形式，每年数以百计的火电厂向外排放了大量的粉煤灰。 目前，我国每年的粉煤灰排放量已经达到了1 5 亿吨，但粉煤灰的利用率一直较低，只 占总量的2 5 左右，大量的粉煤灰因得不到利用而在储灰场堆放，如图1 1 所示。此外， 还有一部分直接排入了江河，严重污染环境。随着科学技术的不断发展和人民生活水平 的不断提高，粉煤灰引起的污染问韪已经引起了广泛的重视。 在国内外，粉煤灰被公认为一种建材资源。随着各行各业对粉煤灰的开发和利用， 特别是近几年全国高速公路的迅猛发展，粉煤灰的利用率越来越高，使粉煤灰“变废为 宝”。粉煤灰作为混凝土掺台料用于土木、水利和海洋等工程领域，不仅经济效益明显， 还具有其它材料无法替代的技术优势，特别是其使用量大、对环境无不利影响，也是解 决粉煤灰对环境影响最为根本的途径“”。 田1i 粉煤灰堆积引起的污染 水泥混凝土路面具有承载力强、耐久性好、使用周期长、能充分利用地方赍源等优 点其良好的使用性能在重载交通条件和高流量交通条件下更可以得到充分的体现，逐 渐成为高级路面的主要类型之一。 随着我国高等级公路建的设发展很多省份都在高速公路上修建了大量的水泥混凝 土路面。高等级公路水泥混凝土路面的滑模摊铺施工对水泥混凝士的路用性能提出了特 殊要求。混合料既要具有良好的工作性能，又要提高强度。掺入粉煤灰，能改善路面水 泥混凝土的性能，提高路面施工质量和施工效率降低工程造价，是改善水泥混凝土路 面使用效果的有效技术手段，能为水泥混凝土路面的发展应用创造新的空间”。 此外，粉煤灰混凝土在桥梁工程等结构物中的应用，也取得良好的技术经济效果， 第一章绪论 实现了高工作性、高强度、高耐久性与良好经济性的统一。粉煤灰无论对混凝土的强度、 脆性、徐变、弹性模量等力学性能，还是对体积稳定性、耐久性及降低水化热等都具有 较好的改性作用，是一种优质的高活性复合材料，特别是由于掺加粉煤灰的混凝土具有 良好的粘聚性、可泵性与和易性，可有效降低大体积混凝土水化热，推迟水化热峰值的 出现时间，从而达到不出现或少出现温差裂缝的目的等优点。 正是由于粉煤灰混凝土在结构物和路面中的应用有着显著的经济效益和社会效益， 既能改进混凝土的使用性能，又能满足经济可持续发展和环境保护的需要，因此很有必 要对其应用技术加以研究，使其具备推广应用的坚实基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 粉煤灰用于结构物和道路水泥混凝土中的研究现状 1 9 1 4 年，美国研究人员首次发现煤灰中的氧化物具有火山灰的特性。经过多年的研 究，到4 0 年代中期美国电力部门已在很多水坝工程中成功使用了粉煤灰混凝土h 1 。5 0 年代，粉煤灰在大体积混凝土中得到普遍应用，而且科研人员开始尝试将粉煤灰混凝土 用于建筑、高速公路等。 澳大利亚将粉煤灰用于堪格拉港路面，1 9 6 7 年又在墨尔本市政路面中使用，经1 5 年的检验，路表良好，几乎没有裂缝和磨损。英国也将粉煤灰从路基发展到路面中应用， 在主干道上大规模采用。 美国联邦公路局于8 0 年代在水泥混凝土路面中大量采用粉煤灰，取得了较好的效果。 美国联邦公路局还规定，凡由国家投资的基建项目必须在混凝土中掺用粉煤灰。 与发达国家相比，我国对于粉煤灰在水泥和混凝土中应用技术的试验研究起步并不 晚。5 0 年代初期，沈旦申等学者就提出过粉煤灰水泥混合材料的推广与应用的建议。5 0 年代的- - 1 7 峡大坝、刘家峡等水利工程，使用粉煤灰混凝土取得了降低水化热、改善性 能、节约水泥的良好效果。1 9 5 6 年冶金建设部在干硬性混凝土中使用粉煤灰；1 9 5 8 年上 海地下工程采用了粉煤灰混凝土；1 9 5 9 年黄河三门峡水利枢纽工程在混凝土中掺加了粉 煤灰。如图1 2 所示。 8 0 年代初期，我国在粉煤灰混凝土的理论研究方面有了重大的突破。沈旦申等学者 通过对粉煤灰在混凝土中作用和行为以及现象学的基础研究，提出了“粉煤灰效应”的 假说。 2 长安大学硕学位论文 图12 粉煤灰混凝土在工程中的应用 在工程实践方面，进入8 0 年代，粉煤获混凝土在我国不少城市建设工程中有了新的 发展，大掺量粉煤灰混凝土开始得到应用。在广西岩滩水电站的围堰施工中，采用粉煤 灰掺量7 0 的大掺量碾压混凝土，取得了明显的技术和经济效益：1 9 8 9 年，广西水电科 研所将这项技术推广到道路工程在南宁一北海公路上铺筑了1 1 k m 粉煤灰掺量4 6 的碾 压混凝土路面，但是由于初期养护不利使用后出现掉渣的不耐磨现象；吸取这次经验， 1 9 9 1 年交通部公路所在江苏淮阴采用掺加粉煤灰的碾压混凝土铺筑了一个楼前广场。由 于注重碾压前后的养护得到了满意的强度和耐磨性。 1 9 9 4 年，举世瞩目的三峡工程正式开工，通过高掺i 级粉煤灰和高效减水剂、引气 剂制各出水泥用量少、水化热低、用水量少、抗渗性好、耐久性好的高性能混凝土。 1 9 9 6 年1 2 月，在南昌大学车流量最大的路段修筑了一段长7 0 m ，宽1 2 m ，厚2 4 c r n 的道路：该路下层1 6 c m 厚用掺量7 0 9 6 的原状粉煤灰混凝土，路面8 c m 厚用掺量为5 0 9 6 的磨 细粉煤灰混凝土，数年来正常承受交通和环境作用，目前道路质量优良。 近年来，粉煤扶等量取代水泥4 0 7 0 的大掺量粉煤获高性能混凝土日趋发展，井 逐步在商品混凝土、道路、水工、房建等工程中开始得到应用。 122 相关研究总结与分析 上述国内外粉煤款混凝土研究得出了许多重要结论，我国在粉煤扶混凝上方面的研 究也已经取得了一定成果。但由于各地火电厂的工艺流程不同，原煤不同，除尘设备及 除尘工艺不同，各地的粉煤驮在成分、颗粒特征上都有很大的差异，因而活性差异较大。 加之各地生产的水泥矿物成分也不尽相同，凼此粉煤灰的应用不能照搬照抄。 同时，国内对粉煤灰在公路工程中的应用明显落后发达国家。在公路工程中，用粉 煤灰、消石灰胶结碎石作为半刚性基层已较为常见，而在公路工程中掺用粉煤灰虽有工 程实例但并不多见，有的工程仅基于改善混凝土和易性的目的而掺入少量的粉煤灰。对 第一章绪论 结构物粉煤灰混凝土和路面粉煤灰混凝土而言，粉煤灰混凝土配合比缺乏适用性设计 方法。粉煤灰混凝土在路面及桥梁结构中应用研究相对较少，实质性研究结果更为匮乏。 1 3 研究内容 本论文结合国内外有关高活性粉煤灰的研究现状，采用理论分析与试验研究相结 合、室内研究与实体工程相结合的技术路线，采用陕西、山东两地三种类型粉煤灰为试 验材料。 通过对比分析掺加不同粉煤灰和不掺粉煤灰的公路工程结构物混凝土( c 2 5 灌注 桩、c 2 5 、c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 ) 和道路混凝土( 抗折强度4 0 、4 5 、5 0 m p a ) 的相关性能， 得出粉煤灰混凝土在公路工程结构物和公路路面工程中的应用具有广泛的社会效益和 经济效益。更重要的是为陕西和山东地区粉煤灰的有效利用提供了有效的参考数据，促 进两地粉煤灰的利用率。 主要研究内容： 1 、国内外相关资料调查分析。 1 、粉煤灰混凝土配合比设计方法研究。 2 、高活性粉煤灰在结构物水泥混凝土中的应用研究。 3 、高活性粉煤灰在道路水泥混凝土中的应用研究。 4 、粉煤灰水泥混凝土经济效益分析。 4 长安大学硕士学位论文 第二章研究方案、试验方法与原材料的技术性质 2 1 研究方案与技术路线 本论文针对粉煤灰应用于公路工程结构物及道路混凝土时存在的问题，展开相关研 究。通过理论分析和试验，同时结合实体工程验证，明确陕西地区渭电正源粉煤灰( c 型) 及山东某地区两种类型粉煤灰( a 、b 型) 对公路工程结构物的力学性能、水泥水 化放热及道路混凝土力学性能和耐磨性能的影响。为推动粉煤灰在两地区的广泛应用提 供了坚实的理论基础和宝贵的实践经验。本研究技术路线如图2 1 - - - - 2 4 所示。 图2 1 总体研究技术路线 第二章研究方案、试验方法与原材料的技术性质 图2 2 粉煤灰混凝土力学性能研究技术路线 图2 3 结构物粉煤灰混凝土配合比设计 6 长安大学硕士学位论文 图2 4 道路粉煤灰混凝土配合比设计 2 2 试验方法及设备 1 原材料技术性质的测试方法 道路水泥混凝土用粗、细集料的筛分、密度、吸水率等试验均依据公路工程集料 试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 的相关条文执行。 水泥技术性质的测试按照公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 2 0 0 5 ) 相关条文执行。 粉煤灰的密度、细度、比表面积、烧矢量分别参照公路工程集料试验规程( j t g e 4 2 2 0 0 5 ) 、用于水泥和混凝土中的粉煤灰( g b l 5 9 6 - - 2 0 0 5 附录a ) 、水泥比表面积 测定方法( g b 厂r8 0 7 4 - 1 9 8 7 ) 、水泥化学分析法( g b 厂r1 7 6 1 9 9 6 ) 进行测定。 3 、力学及耐磨性能试验 结构物与道路粉煤灰混凝土的抗压强度试验和抗折强度试验及耐磨性能试验，依照 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程( j t ge 3 0 2 0 0 5 ) 进行试验。 7 第= 章研究方案、试验方往与原材料的技术性质 4 、大体积结构物混凝土温度监测 依托实体工程对大体积结构物混凝土水化温度进行检测。该实体工程为西铜高速赵 氏河特大桥承台混凝土。赵氏河特大桥引桥承台尺寸85 1 38 x 2 5 m ，混凝土体积为 2 9 3 立方。在混凝土内部距离底板0 5 米处、i 2 米处、20 米处布置三根测温线，混 凝土浇筑完成后，以此来量测混凝土内部温度。用红外线测温仪测量混凝土表面温度。 普通温度计量测冷却水温度。 5 、微观结构观察 扫描电子显微镜简称扫描电镜或s e m ，是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的 某些物理信号( 例如二次电子) 来调制卟同步扫描的显像管在相应位置的亮度而成像 的一种显微镜。s e m 的概念由z w o r y k i n 在1 9 4 2 年提出，其原理是聚焦电子柬( 称初级 束) 诱导产生的二次电子被收集极收集，流过电阻产生电压降，经过放大器放大后调制 同步扫描的显像管的亮度。 本次s e m 试验在陕西师范大学完成，对粉煤荻进行微观分析，样品准备方法为取 小样品勺取少量混匀的粉煤灰，用导电碳胶将粉煤灰固定于样品台上，压平，加热扳上 烘干，并用离子溅射仪在样品表面镀厚度约3 0 埃的金属铂在型号为q u a n t a 2 0 0 的扫 描电镜下进行观察。试验设备见图2 5 所示。 23 主要原材料的技术性质 2 31 水泥 2 i 。 图25 扫描电子显徽镜 试验室内试验，使用陕西耀县“秦岭”牌p o4 25 r 普通硅酸盐水泥，技术性质见表 长安大学硕士学位论文 表2 1 水泥主要技术性质 安定性 抗压强度m p &抗折强度m e a凝结时间m i n 表观密度， 品种等级 ( 试饼法) 3 d 2 8 d3 d 2 8 d 初凝终凝 ( g c m 3 ) 秦岭 合格 3 6 75 5 76 3 58 9 21 0 01 6 53 1 1 2 p o 4 2 5 r 2 3 2 粉煤灰 表2 2a 、b 型粉煤灰的技术性质 淡 比表面积( c n l 2 g )细度( )密度( g c m 3 )烧失量( ) 编号 a 型粉煤灰 1 4 6 3 02 0 61 。9 5 63 4 8 b 型粉煤灰 1 7 9 5 72 4 62 1 1 44 2 1 表2 3c 型粉煤灰的技术性质 标 细度( ) 需水量 烧失量 三氧化 含水量 游离氧 硫含量化钙含结论 比 ( ) ( ) ( ) 量( ) 编号 c 型粉煤灰 4 59 70 3 80 5 70 20 2 c 类i i 级 标准 2 01 0 583 1 o4 o 2 3 3 粗集料 室内试验使用陕西泾阳产石灰岩碎石，主要技术性质见表2 4 。 表2 4 粗集料主要技术性质 表观密度压碎值针片状坚固性含泥量吸水率 产地岩性 ( g , c m 3 ) ， 陕西泾阳 石灰岩 2 8 21 5 64 34 2 0 40 4 2 3 4 细集料 室内试验采用西安灞河中砂，主要性质见表2 5 。 表2 5 细集料主要技术性质 累计筛余( 质量百分率) 表观密度含泥量泥块含量 规格 细度模数筛孔尺寸m m ( g c m 3 ) * 4 2 3 61 1 8o 6o 30 1 5 中砂2 62 6 5 80 608 42 0 65 3 9 7 7 1 1 0 0 2 3 5 水 试验用水为西安地区普通饮用自来水。 9 第三章粉煤灰特性和对混凝土的改善作用 第三章粉煤灰特性和对混凝土的改善作用 3 1 粉煤灰的组成及品质 粉煤灰作为一种混凝土掺合料，其物理和化学性质都会对其使用性能产生重要影 响。本节将对粉煤灰的组成和品质参数等内容进行分析。 3 1 1 粉煤灰的组成 1 矿物组分 根据对粉煤灰矿物的鉴定结果，发现粉煤灰中虽然有不少结晶的矿物，如石英、莫 来石、赤铁矿、磁铁矿等和玻璃体，并含有其他少量矿物，然而大量的还是非晶态玻璃 体。研究表明，这些结晶的矿物在正常温度下往往是惰性的，而非晶态的玻璃体却具有 化学活性。 粉煤灰中非晶态玻璃体含量越高，火山灰化学反应能力就会越强，硬化浆体强度也 越高。粉煤灰中玻璃体结构非常复杂，有关玻璃体结构的研究结果以及玻璃体结构对粉 煤灰活性影响的研究至今仍然较少。粉煤灰的矿物组成见下表畸1 。 表3 1 粉煤灰矿物组成 成分 玻璃体莫来石 石英 含量 范围( ) 6 9 4 - 8 4 4 7 8 1 8 25 4 1 1 5 平均( ) 7 7 61 2 28 5 2 化学成分 粉煤灰的化学成分主要包括：s i o ：、a 1 ：0 。、f e ：0 。等，并含有少量的c a o 、m g o 等。 就化学组成而言，粉煤灰属于火山灰质材料，其性质具有不稳定性，会随着原煤的变化 及生产工艺的变化而变化，是典型的非均质材料。我国粉煤灰大多数含钙量低，并且烧 失量较大，具有火山灰活性但无自硬性。 m o c a r t h y 哺1 等( 1 9 9 0 ) 研究的结果表明：随氧化钙含量的增加，粉煤灰火山灰活性增 加。t o l 【) ，a y n l 等( 1 9 9 2 ) 研究结果表明：粉煤灰中氧化钙的含量越高，其水化反应速度越 快，而高钙粉煤灰则具有水化自硬性，其水化反应速度明显高于低钙粉煤灰。现代粉煤 灰应用理论认为，粉煤灰的火山灰活性是针对粉煤灰中活性氧化硅和氧化铝而言的，并 且主要是针对活性氧化硅，甚至有不少研究者将粉煤灰的火山灰活性等同于粉煤灰中可 溶性二氧化硅的含量。我国多数电厂粉煤灰的s i o ：+ a 1 ：0 3 均在6 0 以上，其组成见下表： 1 0 长安大学硕士学位论文 表3 2 我国3 1 个有代表性的火力发电厂粉煤灰的化学成分( ) 伯1 成分s i 0 2h 1 2 0 3f e 2 0 3c a 0m g ok 2 0n a 2 0s 0 3烧失量 变化3 3 9 1 6 5 1 5 0 8 o 7 0 6 0 2 1 2 0 1 1 范围 5 9 7 3 5 4 1 9 71 0 4 1 92 9 1 1 2 3 6 平均 5 0 62 7 17 1 2 8 1 2 1 30 5o 3 8 2 值 3 1 2 粉煤灰品质参数 1 细度 电厂吸尘和分选的工艺决定了粉煤灰的细度，同时粉煤灰对混凝土强度贡献与细度 有很好的相关性，如表3 3 所示。实验室已经证明：在有水泥存在的条件下，粉煤灰越 细，其颗粒的比表面积就越大，与水泥反应物接触越充分，更有利于粉煤灰活性的激发， 这表现为粉煤灰火山灰活性随着细度的提高而提高。即粉煤灰越细，其反应能力越强， 混凝土后期强度就会越高。 表3 3 养护龄期与细度相关系数的关系 养护龄期d 72 89 0 细度相关系数 - 0 8 0 8- 0 8 5 1- 0 8 7 4 国外从粉煤灰颗粒组成、化学组成、矿物组成等进行了大量的研究：发现粉煤灰主 要是由不同粒径的玻璃珠组成；火山灰反应的激发剂如c a o 、m g o 等随着粉煤灰粒径的 降低而增多；活性低的石英、磁铁等随粉煤灰颗粒粒径减小而降低。从微观角度出发这 很好的解释了粉煤灰的细度对混凝土强度做出的贡献四1 。 2 需水量比 粉煤灰的需水量比是掺3 0 粉煤灰的硅酸盐水泥胶砂与不掺粉煤灰的硅酸盐水泥胶 砂在相同稠度下的需水量的比值。这个数值越小，说明粉煤灰的质量越好。建筑科研院 曾进行过粉煤灰试样研究以验证需水量比与混凝土强度贡献的关系n0 1 ，见下表： 表3 4 粉煤灰需水量比与强度相关性 粉煤灰批号 2 3 4 样品数 6 82 43 0 龄期( d ) 2 89 02 8 9 0 72 89 0 相关系数 - 0 8 2 9- 0 7 0 6- o 8 5 6- 0 8 5 0一o 8 6 6- o 8 0 l- o 7 4 7 第三章粉煤灰特性和对混凝土的改善作用 从上表中可以看出，需水量比与混凝土强度贡献具有良好的相关性。相关性为负， 说明需水量比小的粉煤灰掺入混凝土中，可增加其流动度，改善和易性，提高混凝土强 度。粉煤灰的需水量还与颗粒形貌有关系，一方面，粉煤灰中表面光滑颗粒含量越大， 需水量越小；反之，多孔颗粒越多需水量越大。另一方面，粉煤灰越细，表面致密光滑 的球形颗粒也就越多，烧失量就会越低，表面多孔、形状不规则的粉煤灰颗粒越少。因 此呈现出粉煤灰需水量与细度、烧失量有很大的关系。需水量是反映粉煤灰品质的重要 指标，它可以综合地反映粉煤灰的颗粒形貌、级配等情况 3 烧失量 燃煤在燃烧过程中通常不可能完全的燃烧，因此粉煤灰中含有残留的未燃碳分，烧 失量就是指粉煤灰在高温煅烧下损失了的质量。损失部分主要为未烧尽的固态碳，碳成 分的增加，意味着有效活性成分的减少。同时会导致粉煤灰的需水量增加，因此要加以 控制。由于多方面因素的影响，不同粉煤灰中残留碳分含量差异较大，我国粉煤灰的未 燃碳分范围在1 2 - - , 2 3 6 之间。 4 s o 。含量 s 0 。的含量过高，会导致混凝土后期生成钙钒石，对混凝土产生不利影响。因此， 应对粉煤灰中的s o 。含量进行严格控制。 3 2 粉煤灰效应 我国著名学者沈旦申、张荫济先生早在上世纪8 0 年代总结国内外大量研究成果， 提出粉煤灰三大效应理论，科学全面地阐述了粉煤灰在混凝土及粉煤灰制品中的作 用和机理n ，对指导我国粉煤灰综合利用起到了积极的作用。 1 集料效应 粉煤灰的微集料效应是指粉煤灰中微细颗粒均匀分在水泥浆体内，填充孔隙，以改 善混凝上的孔结构和增大密实度，达到优化混凝上性能的目的，表现为填充效应和界面 效应。资料表明：粉煤灰发挥微集料效应时颗粒粒径必须小于水泥粒径，理论上，粉煤 灰的粒径为水泥的0 4 1 4 倍或更小效果最好。这是因为粉煤灰颗粒越小，它的润滑作用 越强，越能提高混凝上拌和物的流动性。此外，较细小的颗粒有助于水分充分分散，提 高保水性，防止泌水。另一方面，粉煤灰颗粒减小，比表面积增大，使得表面吸附水量 增加，使混凝土拌和物的流动性降低。因此，提高粉煤灰的细度能否提高混凝上拌和物 的流动性，关键在于能否提高它的润滑作用。 1 2 长安大学硕士学位论文 2 形态效应 粉煤灰的形态效应是指由粉煤灰颗粒的外貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物 理性状所产生的效应。资料表明：粉煤灰颗粒的圆形度高于水泥的圆形度才能产生良好 的形态教应。粉煤灰颗粒中绝大多数为一种表面光滑的球形玻璃微珠，这些球形玻璃微 珠表面光滑，粒度细，质地致密，内比表面积小对水的吸附力小，在混凝土拌和物中 可以产生对水泥颗粒的扩散和解絮作用，同时粉煤灰中的球形颗粒在混凝土中起滚珠轴 承和润滑作用，可以减少骨料之间，骨料与浆体之间的界面摩擦。另外，粉煤灰密度小 于水泥，使得浆体的体积增加，足量的灰浆填充在混凝土孔隙空间，覆盖和润滑骨料颗 粒，增加了拌和物的粘聚力和可塑性，改善了混凝土的和易性。 3 活性效应 粉煤灰的活性效应是指其颗粒中的 玻璃相活性组分s i 魄和 l 如，与水泥水 化过程产生的c a ( 0 h ) ：发生二次水化反 应，生成具有胶凝性水化硅酸钙和水化铝 酸钙的过程，又称为火山灰反应，如图 3 1 所示。 粉煤灰中玻璃体的化学活性决定于 其结构，主要由其化学成分和热力过程所 决定，早期化学活性由其溶出的s i o ：和 匿习 箧j 图31 粉煤灰与e a ( 0 h ) ，二次水化反应 a 1 如，的量决定，潜在活性由玻璃体的解聚能力决定。 粉煤灰中玻璃体的水化分为诱导期和水化反应期两阶段。反应前期为玻璃体对碱离 子的吸收过程，主要是物理吸附，即诱导期；吸附在粉煤灰玻璃体表而的c a 2 和o 【能 够侵蚀玻璃体表而，虽然阻碍与水作用的玻璃体外层薄膜比较致密，但包裹层与颗粒之 间包含有少量液相，液相中的n 0 、k 、a 1 0 3 1 和s i 吼。2 的离子浓度高于包裹层外的离子 浓度，由此产生的渗透压使包裹层因膨胀而破裂。碱性溶液到达玻璃体表面，溶解硅酸 铝成分，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，开始进入玻璃体的水化反应期。 通过粉煤灰在混凝土中的应用基础研究、性能研究、工程研究等，进一步认识到必 须在应用技术中充分注意粉媒灰的三大效应，才能控制和保证粉煤灰混凝土的质量t 同 时也证实了粉煤获在混凝土的应用中存在着一定的“负因素”和“变易性”。 沈旦申为了说明粉煤灰三大基本效应与总效应和混凝土强度及粉煤灰掺量之问复 第三章粉煤灰特性和对混凝土的改善作用 杂的关系绘制了效应曲线图，如图3 2 所示。只有开发粉煤灰产品和选用符合质量要求 的原状灰，并在混凝土中合理使用，才能符合各种类别和不同等级的混凝土的质量要求。 混 凝 土 强 度 图3 2 粉煤灰效应曲线图 3 3 粉煤灰对混凝土的改善作用 1 粉煤灰对初期水化热的影响 水泥加水拌和之后，水泥颗粒被水包围，其表面矿物成分迅速与水发生水化、水解 反应，在水溶液逐渐成为一种凝胶体的同时产生一定的热量，这就是俗称的水化热，是 水泥的基本性质之一。 水化和水解作用反应是连锁式的，它不断的向水泥颗粒内部深化，同时凝胶体也逐 渐结晶硬化，具有很高的粘结能力。对冬季施工而言，水化放热有利于水泥的正常凝结 硬化；对大体积混凝土工程来说，水泥的水化热及水化放热速率有着很大的影响。水化 所释放的热量由于受混凝土导热性能以及水化放热速率的影响，积聚在混凝土中难以散 发，导致其内部升温，加剧内外温差，形成更为不利的温度应力，使得混凝土产生裂缝， 影响耐久性。不同水泥在水化时所产生的水化热及水化放热速率是不同的，而人们往往 更为关心水化放热速率，水化热放热时间越长，混凝土的内外温差就会越小，产生的温 度应力就越小n 2 1 引。 在实际工程应用中，用粉煤灰代替一部分水泥，既能使混凝土各项性能满足设计要 求，又能降低混凝土内部温度，有利于温度控制。如表3 5 所示，房皓n 们等人在粉煤灰 对水泥水化热的影响规律研究中得出的相关结果。 1 4 长安大学硕士学位论文 表3 5 不同粉煤灰掺量的水泥水化热试验结果( j g ) 水泥粉煤灰龄期( d ) 1234567 1 0 001 6 22 0 52 2 82 4 12 5 22 5 82 6 1 7 03 01 2 51 6 81 9 82 1 32 2 42 3 52 4 4 6 0 4 0 1 0 5 1 4 7 1 7 11 8 72 0 1 2 1 22 2 l 5 05 01 0 21 4 01 5 81 6 91 7 81 8 71 9 5 4 06 08 81 1 81 3 41 4 21 4 81 5 31 6 0 3 0 7 0 7 2 9 91 0 91 1 5 1 2 01 2 41 2 8 由上表可知，水化热随着混凝土龄期的增长而增加，并且大部分发生在前3 天。随 着粉煤灰用量的增多，水化热值明显降低，特别是前期。 在本论文将对西安一铜川高速公路上，赵氏河特大桥承台混凝土放热进行监测分 析。赵氏河特大桥承台混凝土采用c 3 0 粉煤灰混凝土，可以有效降低水化热，预防和控 制混凝土裂缝的产生，取得了很好的效果。 2 粉煤灰对混凝土工作性能的改善 ( 1 ) 水泥一粉煤灰混凝土需水量及坍落度 由于粉煤灰颗粒大部分为光滑球状，以粉煤灰置换一部分水泥后，若保持拌和物坍 落度不变，混凝土的拌和用水量会明显降低；若采用同样的用水量，则拌和物的坍落度 明显提高n7 1 。图3 3 和图3 4 是y o nf a y 等采用粉煤灰等量取代水泥、同时保证混凝土 坍落度基本相同的试验结果。 l 喇 * 幢 靛 罂 粉焊灰1 粉煤灰2 04 06 08 01 粉煤灰掺量 图3 3 混凝土需水量与粉煤灰掺量的关系 阳 第三章粉煤灰特性和对混凝土的改善作用 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 、 、 ： 、- 口d 1口z口了叮q5 粉煤灰一水泥 匕( f c ) 图3 4 粉煤灰一水泥混合物的需水量与粉煤灰一水泥比的关系 以上的试验结果表明，无论粉煤灰的品质如何，在一定掺量范围内，粉煤灰都有一 定的减水作用，粉煤灰对混凝土的工作性都有一定程度的改善作用。粉煤灰的品质、置 换率、混凝土配合比及细骨料的细度模数等因素都影响着单位体积混凝土用水量。此外， 粉煤灰的细度越大、烧失量越小，粉煤灰的品质越好，对混凝土工作性能的改善效果也 越好。 ( 2 ) 水泥一粉煤灰混凝土的泌水与离析 研究表明，粉煤灰的掺入有利于减少混凝土的泌水，但是，也有很多的试验结果证 明，粉煤灰的加入，混凝土的泌水率会有所增加。粉煤灰对混凝土泌水与离析的影响与 粉煤灰的形貌及烧失量等因素有关。 3 粉煤灰对混凝土力学性能的改善 粉煤灰对混凝土强度影响表现在三方面：减少用水量、增大胶结材含量以及通过长 时间的火山灰反应提高其强度n h 引。 在水泥的最终产物中，高碱性水化硅酸钙和c a ( o h ) ：胶体的结晶强度很低，特别是 c a ( o h ) ：的结晶体强度仅是莫来石的1 2 ，而c a ( 0 h ) 。的体积却占整个水泥石体积的 2 5 。粉煤灰中含有的大量的硅、铝氧化物，能逐步与c a ( o h ) ：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，有利于混凝土强度的提高。 同时，粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高水泥浆的密实度， 使混凝土中骨料与水泥浆的界面强度提高。粉煤灰对抗拉强度和抗弯强度的贡献比抗压 强度还要大，这对混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的弹性模量与抗压强度相类似， 早期偏低，后期逐步提高，到2 8 d 时可比基准混凝土提高5 - - - 1 0 。与钢筋的握裹力， 粉煤灰混凝土的2 8 d 粘结强度基本与等标号的基准混凝土相同，但粉煤灰混凝土的均匀 1 6 一霉葵群崔*捉利时。6可净删*麟 长安大学硕士学位论文 性好，粘结强度试验值的离散性比基准混凝土好。 4 粉煤灰对混凝土干缩性能的改善乜 ( 1 ) 收缩 混凝土的收缩跟混凝土拌和时的用水量和浆体体积有关，用水量越少，则收缩也越 小。粉煤灰混凝土需水量要比普通混凝土小得多，拌和用水量的减少使粉煤灰混凝土 2 8 d 后的白干燥收缩和干燥收缩都小。同时，粉煤灰混凝土的收缩随粉煤灰掺量的提高 而降低。但是，由于粉煤灰混凝土的水化反应慢，水分蒸发快，所以粉煤灰掺量对混凝 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，对其更应加强早期养护。 ( 2 ) 徐变 2 8 天龄期以前，粉煤灰混凝土的强度较低，其相应龄期的徐变应变也较普通混凝 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。 5 粉煤灰对混凝土耐久性能的改善 ( 1 ) 抗冻性 粉煤灰混凝土的龄期在2 8 d 以前时，混凝土的孔结构较纯水泥混凝土的粗大，故粉 煤灰混凝土的早期抗冻性较低。随着粉煤灰掺量的增加，抗冻性下降的幅度也越大。但 随着龄期的增长，其抗冻性下降的幅度大大缩小。在等强度超量取代的条件下，则对抗 冻性的影响不大。 混凝土的含气量也是影响混凝土抗冻能力的重要因素。而粉煤灰的含碳量、烧失量、 碳化性质、细度以及粉煤灰的掺量等会影响混凝土的含气量。随粉煤灰掺量的增加，在 相同引气剂掺量下，混凝土的含气量呈下降趋势，从而影响混凝土的抗冻性。 ( 2 ) 抗渗性 影响混凝土抗渗性的主要因素是混凝土的孔结构，包括孔的大小、数量、曲折度以 及分布状况等。 粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中，发生火山灰反应生成二次c s h 凝 胶，可以填充其中的孔隙，改善混凝土中水泥石的孔结构，使总的孔隙率降低，大孔数 量减少，小孔数量增多，孔结构进一步细化，分布更为合理，混凝土更加密实，抗渗性 能得以提高恤1 。 粉煤灰的火山灰反应是一个长期进行的过程，不断进行的火山灰反应，使粉煤灰混 凝土的孔结构进一步优化，混凝土的抗渗性也进一步改善。粉煤灰混凝土的抗渗性能与 1 7 第三章粉煤灰特性和对混凝土的改善作用 粉煤灰的掺量和混凝土的龄期有关。有研究表明，当粉煤灰的掺量为3 0 时，其渗透系 数仅为纯水泥混凝土的3 8 5 ，3 6 5 d 龄期的渗透系数可比2 8 d 时提高一个数量级。 ( 3 ) 抗腐蚀性 粉煤灰混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力有所提高。一方面，由于减少了水泥用量，也就 减少了混凝土受腐蚀的内部因素；另一方面，粉煤灰的细微颗粒均匀分散到水泥浆体中， 会成为大量水化物沉积的核心，随着水化龄期的发展，这些细微颗粒及其水化反应产物 填充水泥石孔隙，改善了混凝土的孔结构，逐渐降低混凝土的渗透性，阻碍侵蚀性介质 侵入。 ( 4 ) 碱一集料反应 粉煤灰对有效抑制混凝土碱一集料反应的作用已被世界公认。一方面粉煤灰中的活 性成分s i o ：、a 1 。0 3 与水泥的水化产物c a ( o h ) ：反应，降低混凝土的碱度；另一方面粉煤 灰较大的比表面可吸收k + 、n a + 、o h - ，使之富集在粉煤灰微粒的表面，使骨料周围的碱 金属离子及o h 一减少，降低混凝土孔隙中的碱浓度，从而削弱了混凝土的碱一集料反应。 以往研究表明，粉煤灰掺量大于2 0 时，抑制碱一集料反应才有效，当掺入3 0 时可 有效抑制碱一集料反应。低钙粉煤灰中的有效n a 。0 和k ：0 都能加速水泥的水化反应，并 且能激发粉煤灰中化学活性成分s i o 。，a 1 。0 。与c a ( 0 h ) 。的二次水化反应，因此粉煤灰中 的有效碱是有益的。 6 粉煤灰对混凝土耐磨性能的改善 粉煤灰的加入提高了混凝土的耐磨性能瞳引，一方面是水化程度的问题，水化充分， 提高了水泥石自身结构的均匀密实度，强度提高，混凝土的耐磨性能增强；另一方面， 为保证混凝土强度等效，水泥一粉煤灰混凝土中水胶比比普通水泥混凝土中的水胶比 小，粉煤灰的加入填充了部分空隙，使得混凝土中颗粒分布更均匀，弥补了混凝土部分 缺陷，使得混凝土耐磨性得到改善。 3 4 本章小结 本章主要论述了粉煤灰的特性和对混凝土的改善作用。首先介绍了粉煤灰的组成和 品质。然后阐述了三大效应对粉煤灰及对混凝土的改善作用。针对煤灰及其对混凝土的 作用和粉煤灰混凝土的性能进行了分析，讨论了粉煤灰混凝土相比于普通水泥混凝土在 力学性能和使用性能各方面所发生的改善。 1 介绍粉煤灰的组成，阐述粉煤灰的各个品质对混凝土的影响。 1 8 长安大学硕士学位论文 2 详细介绍了粉煤灰的三大效应，概括说明了粉煤灰对混凝土的强度，施工和易性 等的改善。加入粉煤灰后，混凝土工作性能得到有效改善，拌和物的坍落度增加、需水 量降低、坍落度保留值增加。 3 粉煤灰中含有的大量的硅、铝氧化物，能逐步与c a ( 0 h ) 。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，有利于混凝土强度的提高。 4 作为具有火山灰活性的掺合材，粉煤灰参与水化反应的产物及其未反应的细颗 粒填充水泥石的毛细孔，使混凝土致密度程度提高，水泥石中有害大孔减少，无害或少 害的小孔或微孔增多，孔结构得到改善。 5 粉煤灰的加入降低了大体积混凝土水化热，减少了温缩裂缝的产生。 1 9 第四章高活性粉煤灰在结构物水泥混凝土中的应用研究 第四章高活性粉煤灰在结构物水泥混凝土中的应用研究 结构物粉煤灰混凝土的设计通常采用经验加理论的方法，即以普通混凝土基准配合 比的设计方法为基础，通过细化对原材料的要求，采用一定量的粉煤灰来代替部分水泥， 以完善混凝土配合比。本章通过对比a 、b 两类粉煤灰混凝土的力学性能及c 类型大体 积结构物粉煤灰混凝土的放热规律，研究三种不同粉煤灰对结构物混凝土的改善作用。 4 1 配合比设计 结构物混凝土粉煤灰配比设计方法与普通结构物混凝土设计方法相比，根本区别在 于粉煤灰的选取和体积用量的确定。粉煤灰的体积用量不同将影响结构物水泥混凝土的 结构与性能。因此，结构物水泥混凝土配合比设计必须遵从以下原则： 1 满足结构强度设计要求，保证其在使用过程中的可靠性与安全性。 2 满足施工工作性的要求，保证在施工中易振捣密实，有一定的流动性，但不产生 泌水与离析，具有适宜施工的粘聚性。 3 满足环境耐久性的要求，首先保证具有一定的耐磨性，同时在冰冻季节应能够抵 抗冰冻、盐蚀以及水害等。 4 满足经济的要求，在满足强度、工作性、耐久性的前提下，尽可能地做到经济合 理，价格适宜。 要使结构物水泥混凝土满足上述性能要求，研究中遵循思路与步骤如下： 严格按照规范各项要求进行选材，保证材料的各项参数符合要求。 1 初步配合比计算。 2 试拌调整、提出混凝土基本配比。 3 检验强度、确定试验室配合比。 4 在基准配合比的基础上，确定结构物水泥混凝土的配合比。 5 进行强度分析，得出最优配合比。 4 1 1 基准配合比的设计乜们 1