（水工结构工程专业论文）粉煤灰混凝土配合比研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 燃煤发电是各国普遍采用的电力生产方式之一，燃煤所产生的大量粉煤灰、炉 底渣的有效利用己成为世界性课题。中国是以煤炭为主要能源的国家，目前电力的 7 6 是由煤炭产生的，每年用煤达4 亿多吨，占全国原煤产量的1 3 。1 9 9 7 年全国 排放粉煤灰已超过1 亿吨，成为世界最大的排灰国，造成了严重的环境污染并占用 了大量的土地。 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1 0 0 亿吨。如此巨大的用量，伴随着生产、使用过程带来的矿石资源、 能源的消耗，以及对大气和环境造成的污染，已引起全世界业内的关注。 我国的水泥产量多年来居世界首位，占世界总产量的1 3 以上。由于发展基础 设施建设的需要，有关部门仍在计划投资建设更多水泥厂。从上述角度出发，为了保 护环境、保护资源，使混凝土材料可长久持续地应用到基础设施建设中，本课题开 展了对粉煤灰混凝土配合比的研究，旨在推广粉煤灰混凝土在我省土木建筑工程中 的应用。 本文研究了在混凝土中用德州华鲁电厂的粉煤灰做掺料，用山东省生产并常用 的砂石料、水泥、砼外加剂为原料，在超量系数( 6f ) 和取代水泥百分率( f ) 一定的 情况下，用超量取代法进行c 1 0 、c 1 5 、c 2 0 、c 2 5 ( 泵送) 、c 2 5 、c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 与 路面混凝土的粉煤灰混凝土室内配合比设计，并在山东宁津柴胡店北街中桥进行 了现场实际应用。经过大量的试验分析总结出了各种强度等级粉煤灰混凝土的物理 性能、力学性能、耐久性能及应用情况等方面的试验成果。研究证明，粉煤灰混凝 土不仅可以改善混凝土的各项性能，延长混凝土结构的使用寿命，同时可以大幅度 减小耗费能源多、污染环境严重的硅酸盐水泥用量，降低工程材料费用。从这个角 度出发，推广粉煤灰混凝土是一件于国于民有显著效益的事业，必定有强大的生命 力，有广阔的发展前景。重要的是本课题的展开为我省开发利用粉煤灰进行混凝土 施工提供了大量真实有效的参考数据，兼具经济效益和社会效益之双重功效。 关键词：粉煤灰 粉煤灰混凝土工程造价环境污染效益 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e n e r a t i n ge l e c t r i c i t yb yb u r n i n gc o a li su s e dw i d e l yi nt h ew o r l d b u tt h ea v a i l a b l e u s eo ft h ef l ya s ha n ds l a gh a sb e e naw o r l dt o p i c c o a li so n eo ft h ei m p o r t a n te n e r g yi n c h i n a , a n d7 6 o ft h ee l e c t r i c i t yp o w e ri sg e n e r a t e db yc o a l m o r et h a n4 0 0m i l l i o nt o n s c o a li sc o n s u m e de v e r yy e a r , w h i c hi su pt oo n et h i r do f t h et o t a lc o a lo u t p u ti nt h ew o r l d c o n c r e t ei sam a t e r i a lw h i c hi su s e dt h em o s tw i d e l y i ti se s t i m a t e dt h et o t a l c o n s u m p t i o no ft h ee n t i r ew o r l de v e r yy e a ri su pt oo n et l l i r do ft h et o t a lc o a lo u t p u t u n t i l1 9 9 7 ，t h et o t a lo u t p u to f t h ew h o l ec o u n t r yh a de x c e e d e d1 0 0m i l l i o nt o n s t h i sh a s p o l l u t e dt h ee n v i r o n m e n ts e v e r e l ya n do c c u p i e dm o u n t so fc o a l s u c hg r e a ta m o u n th a s b e e nc o n c e m e db yt h ee n t i r ew o r l dw i t ht h ec o n s u m p t i o nc a u s e db yt h ep r o d u c i n ga n d u t i l i z i n gp r o c e s sa n dt h ep o l l u t i o nt ot h ea t m o s p h e r ea n dt h ee n v i r o n m e n t t h ec e m e n to u t p u to fc h i n ae x c e e d so n et h i r do fa l lt h ew o r l do u t p u t s oi st h ef l y a s h sd i s c h a r g e m e n t t h eg o v e r n m e n ti ss t i l lm a n a g e dt oc o n s t r u c tm a n ym o r ec e m e n t f a c t o r i e sf o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h eb a s ef a c i l i t y f r o mt h i sv i e w , i no r d e rt o p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n de n e r g ya n de n l a r g i n gf l y a s hc o n c r e t e su t i l i z ei nc i v i l e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n , l o t so f r e s e a r c ho f f l ya s hc o n c r e t eh a s b e e n d o n ei nt h i st o p i c i nt h i st h e s i s ，is t u d yf l ya s hc o n c r e t e ，w h i c hu s e sf l ya s ha sak i n do fm i x t u r eo f c o n c r e t e ；t h eo t h e rm a t e r i a l ss u c ha ss a n da n dg r a v e la r eo r i g i n a t e df r o ms h a n d o n g p r o v i n c e i nt h ec o m m i t t e de x c e e d i n gr a t i o8 fa n dr e p l a c i n gp e r c e n to fc e m e n teim a k e a m o u n t so fe x p e r i m e n t si nt h el a b o r a t o r y , w h i c hi n c l u d es e v e ns t r e n g t hg r a d e ss u c ha s c 1 0 ，c 1 5 ，c 2 0 ，c 2 5 ( c o n c r e t ep u m p i n g ) ，c 2 5 ，c 3 0 ，c 4 0 ，c 5 0a n dt h es p e c i a l p u r p o s e c o n c r e t ew h i c hi so n l yu s e do nr o a d t h er e s u l ti st e s t e dw e l li nb e i j i ez h o n g b r i d g e ， n i n j i nc o u n t y , a n ds h a n d o n gp r o v i n c e i th a sb e e np r o v e dt h a tf l ya s hc o n c r e t en o to n l y i m p r o v ea l ls o r t so ft h ec o n c r e t e sf u n c t i o n sb u ta l s oe x t e n dt h eu t i l i z i n gl i f e t i m ei ns o m e c o n t e n t , g r e a t l yd e c r e a s et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ep o r t l a n dc e m e n to u t p u t f r o m t h i sv i e we n l a r g i n gf l ya s hc o n c r e t e su t i l i z ei ne n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni sa w o r kw i t h r e m a r k a b l eb e n e f i t s oi tm u s th a v eas p l e n d i dp r o s p e c t t h em o r ei m p o r t a n tt h i n gi st h a t s om a n yt r u ea n de 丘i c a c i o u sd a t ah a sb e e no b t a i n e d , w h i c hm u s tm a k ef o ri m p r o v i n gf l y a s hc o n c r e t ec o n s t r u c t i o ni ns h a n d o n gp r o v i n c e k e y w o r d s ： f l ya s hf l ya s hc o n c r e t ee n g i n e e r i n gc o s t e n v i r o n m e n tp o l l u t i o nb e n e f i t 山东大学硕士学位论文 符号说明 无。混凝土立方体抗压强度标准值( 即设计要求的混凝土强度等级) ( m p a ) 盯由施工单位质量管理水平确定的混凝土强度标准差( m p a ) 允。混凝土配制强度( m p a ) a ，b 混凝土强度回归系数 c w 混凝土所要求的灰水比 无。水泥的实际强度( m p a ) 尼j 水泥标号的标准值( m p a ) 凡水泥强度等级的富余系数，一般取1 o o 1 1 3 。 一每立方米混凝土的水泥用量( e , e m 3 ) m ，一每立方米混凝土的粗骨料用量( g c m 3 ) 厅一每立方米混凝土的细骨料用量( e , e m 3 ) m w o 一一每立方米混凝- i - t 拘用水量( e # m 3 ) 尼一砂率( ) 成一水泥密度( w c m 3 ) p 。细骨料的表观密度( e , c m 3 ) & 粗骨料的表观密度( g l u m 3 ) 几水的密度( e e m 3 ) 后，混凝土配制抗弯拉强度( m p a ) 矗 混凝土设计抗弯拉强度( m p a ) 风砂子的饱和面干密度( c m 3 ) 几一石子的饱和面干密度( g c m 3 ) v 山东大学硕士学位论文 ， 一一粉煤灰取代水泥的掺量百分率( ) 力一粉煤灰超量系数 历。一粉煤灰取代水泥量( 磁) 肌，：一粉煤灰超量部分质量( 玩) i 一一粉煤灰总掺量( 磁) , n 4 一一粉煤灰混凝土单位水泥用量( 套) 打0 一一粉煤灰混凝土单位砂用量( 磁) o 一一粉煤灰混凝土单位石子用量( 磁) 打一一粉煤灰混凝土单位用水量( 玩。) c x 一强度等级为x m p a 的混凝土 p 0 一一普通硅酸盐水泥 p s 一矿渣硅酸盐水泥 v i 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：2 名主 日期：丝堕：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二7 牡导师签名：日 期： 山东大学硕士学位论文 前言 燃煤发电是是世界各国普遍采用的电力生产方式之一，随着现代社会的高速 发展，燃煤所产生的粉煤灰的排放量逐年增加，粉煤灰的有效利用己成为世界性 课题。本课题针对这一现状，探讨了粉煤灰在公路桥梁和公路路面中的应用。通 过对掺粉煤灰与不掺粉煤灰的c i o 、c 2 0 、c 2 5 ( 泵送) 、c 2 5 、c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 各强 度等级的桥梁用混凝土、路面用水泥混凝土的各项性能对比研究，在大量试验分 析的基础上，得出粉煤灰混凝土在公路工程应用中兼具社会效益和经济效益之双 重功效，有着广阔的推广前景。重要的是为山东省粉煤灰的的有效利用提供了大 量可供参考的数据。 本课题分六章展开论述。第一章绪论部分，主要讲述国内外粉煤灰利用状况、 国内外粉煤灰混凝土的发展简况、粉煤灰的环境危害、开展粉煤灰混凝土研究的 必要性以及本课题研究的技术路线；第二章粉煤灰部分，详细阐述了粉煤灰的形 成、基本性质、物相组成及其他性质、粉煤灰在混凝土中的基本效应和作用及用 于水泥混凝土的粉煤灰的技术要求；第三章主要介绍普通混凝士、粉煤灰混凝土 和路面用粉煤灰混凝土的配合比设计过程；第四章根据现行的规范和标准，对桥 梁用c i o 、c 1 5 、c 2 0 、c 2 5 ( 泵送) 、c 2 5 、c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 各强度等级的混凝土、 路面用水泥混凝土分别进行了普通混凝土配合比及粉煤灰混凝土配合比试验；第 五章讲述了粉煤灰混凝土在山东宁津北街中桥中的实际应用；第六章结论部分， 在对前述大量试验研究与实际应用的基础上，对粉煤灰混凝土的经济效益、社会 效益及各项技术性能作了总结归纳。 本课题引用的参考文献有专著、标准规范以及大量论文。专著为中国铁道出 版社1 9 8 9 年出版的沈旦申的粉煤灰混凝土和中国知识出版社2 0 0 4 年发行的 粉煤灰综合利用与生产加工新技术新工艺及标准规范。标准规范包括现行的国 家标准、行业标准等。论文文献部分数量巨大，均从山东大学电子图书馆下载得 到，可归纳为四大类：一是有关粉煤灰的物理化学性质、综合利用现状及应用前 景的文章；二是粉煤灰在混凝土工程中的实际应用；三是粉煤灰在桥梁工程中特 别是泵送混凝土和高强混凝土中的应用：四是粉煤灰在路面混凝土工程中的应用 研究。 本课题的技术路线主要采用室内配比试验和室外现场测试试验的方法。室内 配比试验包括砂、石料的表观密度、堆积密度、含泥量、压碎指标值、筛分试验、 针片状颗粒含量试验等常规检验；水泥的细度、标准稠度用水量、凝结时间、体 山东大学硕士学位论文 积安定性、水泥胶砂强度等常规性检验指标；粉煤灰的细度、烧失量、需水量比、 三氧化硫等常规性检验；水泥砼的配合比试验过程，包括混凝土设计计算、坍落 度试验、混合料拌制、试件成型、养护、抗压强度、抗折强度等常规检验。现场 测试试验包括现场混凝土工作性的测定、现场混凝土配合比调整、现场制作试块 以及现场施工的工艺流程监控等。历经一年多的大量研究试验与试点工程的观察 比较，结合前人已有的理论基础上得出了掺粉煤灰混凝土有效利用的可行性与必 要性。 第一章绪论 1 1 国内外粉煤灰利用状况 燃煤发电是各国普遍采用的电力生产方式之一，燃煤所产生的大量粉煤灰、 炉底渣的有效利用已成为世界性课题。据不完全统计，全球范围内电厂每年废弃的 粉煤厌超过5 0 亿t ，且循环利用率很低。随着科技的发展，人们对于粉煤灰的再 利用越来越重视，调查表明，1 9 9 5 年粉煤灰的循环利用率在美国为2 3 、欧洲4 2 、 日本4 6 。发展到目前，发达国家( 欧美等) 的粉煤灰利用率己高达8 0 9 0 ， 而我国目前的粉煤灰利用率也达到了6 0 9 6 7 0 左右。 1 1 1 建材方面的应用 粉煤灰的主要成分为s i o z 、a l 。0 a 、f e z 0 。和c a o ，但由于s i q 和a 1 2 0 。是不定型 的，粉煤灰常被看成是一种火山灰。它在常温有水存在的情况下，能与碱金属和 碱土金属发生“凝硬反应”。所以粉煤灰可以作为一种优良的水泥和混凝土的掺和 料使用。 国外对粉煤灰的开发利用较早，二十世纪二十年代就有人研究粉煤灰的处理 和再利用。3 0 年代开始探索利用粉煤灰配制粉煤灰混凝土的方法，就已取得了显 著的成果，并带来了一定的经济效益。例如，美国已完工的玻尼维尔坝与蒙大拿 州俄马坝都使用了大量的粉煤灰，数量高达3 1 万t 。 添加粉煤灰不仅能节约水泥、降低成本，还能防止大坝裂纹防渗，增加后期 强度，提高工程质量。我国自二十世纪五十年代开始在建筑工程中使用粉煤灰， 最早的是五十年代的- - f 峡水电厂大坝工程。该工程在混凝土中共掺用粉煤灰 3 3 万t ，节约水泥2 1 3 万t 。 粉煤灰在2 0 世纪6 0 年代前大多是用于取代混凝土的细集料，改善混凝土的 和易性。随着现代化火力发电厂的相继建成，粉煤灰由于质量稳定和具有独特的 山东大学硕士学位论文 技术优势，逐渐被人们接受。且随着科学的不断发展，人们逐渐发现粉煤灰混凝 土还适用于很多普通混凝土难以适应的场所。 中国三峡水利枢纽工程的大坝混凝土耐久性是事关三峡工程质量的最关键的 技术之一。而在混凝土中掺加适量一级粉煤灰，可显著降低混凝土的温升，改善 混凝土的亚微结构，有利于后期强度的发展，提高混凝土的耐久性。 此外，粉煤灰还还大量应用于修筑路堤，上海的沪嘉、莘松高速公路及河北 省石安高速公路等都使用了大量的粉煤灰。美国纽约机场在扩建时也使用了粉煤 灰，还研究出一种消石灰、水泥、粉煤灰和砂的混合材料，在承载能力相同的情 况下节约了大量成本。 粉煤灰在建材方面的应用很广泛，它包括配制粉煤灰水泥、粉煤灰混凝土、 粉煤灰烧结砖与蒸养砖、粉煤灰砖砌块、粉煤灰陶粒等。尤其是最近几年国家禁 止使用粘土砖条令的实施，这又给作为新型建材原料的粉煤灰带来了发展机遇。 1 1 2 农业方面的应用 粉煤灰中s i0 2 的含量大约为5 0 ，虽然粉煤灰中的硅成分呈柱状晶体，不能直 接被农作物吸收，但s i q 与m g ( o h ) 。和k o h 在9 0 0 。c 的高温下可以烧结形成化合物， 这种化合物易被农作物吸收其中的硅、镁、钾等元素，所以粉煤灰通过技术加工 可以制成肥料。日本等一些国家已成功研制出硅钾肥。此外，粉煤灰含有大量的 硅、钙、镁及少量的磷、硫、铁等有用组分，它还可被作为复合微量元素肥料。 这种肥料适用于酸性土壤，对油菜、大豆、食用菌等有明显的增产效果，在夏季 能够提高作物的抗旱能力。 粉煤灰的组成以微细玻璃体为主，细砂约占8 0 ，所以粉煤灰可以用来作为 土壤改良剂。粉煤灰对土壤的影响主要用作改善土壤结构，降低容重，增加孔隙 率，提高地温，缩小膨胀率，特别是对粘质土壤具有很好的效果。此外，它还能 保温保墒、增强土壤中微生物活性与促进养分转化，为作物生长创造良好的土壤 环境。 1 1 3 废水处理方面的应用 粉煤灰是由硅、铝、钙、铁等元素的氧化物以及未燃碳组成的颗粒，这些颗 粒具有多种形状，如：海绵状、多孔状、中空球状颗粒等。故使粉煤灰具有较大 的比表面积，可达0 2 7 o 3 5 m 2 g 。故而它能吸附污水中的耗氧物质。如果在一 定条件下对粉煤灰进行表面改性，改性后物质的比表面积可高达3 0 m v g 左右。酸 性条件下，粉煤灰中的铝、铁可离解成无机混凝剂，与污水混合时，铝离子和铁 山东大学硕士学位论文 离子将污水中的悬浮物粒子絮凝、相互捕获而共同沉凝下来，完成污染物、悬浮 物与水的分离，使得水质清彻透明。 华北电力大学张振声等用粉煤灰与聚合铁联合处理瓦楞造纸废液，结果表明， 灰铁联合处理化学耗氧物质c o d 去除率7 2 ，s s 去除率达9 7 ，分别高于单加灰的 c o d 去除率4 2 、s s 去除率4 7 。而单加铁对瓦楞造纸废液无效。同时粉煤灰中的 a l 2 0 1 、c a o 等活性组分，能与氟生成络合物或生成对氟有絮凝作用的胶体离子， 从而具有较好的除氟能力，对电解铝、磷肥、硫酸、冶金、化工、原子能生产中 排放的含氟废水处理具有一定的效果，并对s s 也有一定的去除效果。 粉煤灰还具有一定的除臭能力，用于处理生活污水可使污水颜色由棕色变为 清澈透明，且无臭无味。 粉煤灰处理焦化废水技术己在工业实践中使用，山西焦化厂首次采用生化一 粉煤灰吸附法处理焦化废水，净化后的水质良好，无色、无味，c o d 、挥发酚、硫 化物和氰化物等污染物质量浓度均低于国家规定的允许排放标准。 1 1 4 烟气脱硫中的应用 烟气脱硫是目前世界上唯一规模商业化应用的脱硫方式。干法、半千法脱硫 工艺因具有系统简单，投资费用低、占地面积小等优点引起人们的重视。但缺陷 是脱硫效果较差，在工业可行的钙硫相比之下。钙基吸收剂的利用率通常不会超 过3 0 。故如何提高钙基的利用率是干法、半干法成功推广的关键。 日本学者j o z e w i c z 在1 9 8 6 年提出，在c a ( o h ) 。浆液中加入粉煤灰，吸收 效果增强。粉煤灰的主要成分是s i0 2 、a 1 。0 。、f e 2 0 ，和c a o ，其在常温有水情况下， 细粉末状的火山灰能与碱金属和碱土金属发生“凝硬反应”的特性，被认为是粉 煤灰循环利用过程中提高钙基吸收剂利用率的原因所在。凝硬反应产物为 ( x c a o y s i 0 2 z h 。o ) 和( x c a o y s i 0 2 z a l 2 0 3 w h ：o ) 。式中，系数x 、y 、z 、w 可取 不同值。产物是多孔晶体，呈纤维状，具有很大的比表面积和高持水性，能增强 吸收s 0 2 的能力。同时粉煤灰中的铁、镁、铝及部分微量元素也对吸收有催化促 进作用。 1 9 8 8 年美国e p a 和美国a c u t e x 公司开发出a d v a c h t e 工艺，用脱硫灰和 c a ( o h ) ：混合制备高活性吸收剂，喷入尾部烟道。相对于原来5 0 脱硫率，再循环 率为2 时，可获得8 0 的附加脱硫率。用研磨的粉煤灰制备的吸收剂，在t 为 1 1 ，c a s 1 2 时，更可获得9 0 的脱硫率，钙利用率在7 0 一8 0 之间。 日本北海道电力公司1 9 9 0 年研究发现用粉煤灰、石灰和石膏制成的固体物质 4 山东大学硕士学位论文 脱硫性能相当高，又于1 9 9 1 年和三菱公司联合开发了以这种高活性物质为吸收剂 的烟气脱硫新工艺，结果表明在t 为1 5 1 7 ，c a s 为1 2 时，脱硫率为7 5 ； 降低t ，脱硫率可提高至8 0 一9 0 。 1 1 5 粉煤灰在注浆材料中的应用 注浆材料通常分为粒状注浆材和化学浆材两大类。以水泥为主的粒状浆材源 广价廉，使用简单，是注浆材料的主体。但由于常用水泥颗粒较粗，一般只能灌 注到直径大于0 2 m m 的孔隙中，对中、小孔隙不易灌注，应用范围受到限制。化 学注浆材料可注性好，浆液粘度低，能注入到微细孔隙中，但一般都有毒性和价 格偏贵，且结石强度比水泥浆液强度低，使用技术较复杂等不足，一直未成为注 浆材料的主体。针对水泥浆材和化学浆材的不足，世界各国展开了大量改善现有 注浆材料和研制新型注浆材料的研究工作，相继推出了批高强度、高渗透性、 高性能的改进型浆材，开发研究综合性能优越、价格适当、易于推广使用的新型 注浆材料。 早在1 9 7 9 年印度化学制造业杂志载文介绍了一种不用水泥，而只用矿渣 和粉煤灰按1 ：1 组成的胶凝材料，只加入激发剂( 如氢氧化钠、硅酸钠和氢氧化 钙等) 就可达到中等强度的无机胶凝材料。美国专利( u s 5 ，0 8 4 0 2 ) 公开了一种 矿渣和粉煤灰按重量2 0 4 0 ：8 0 6 0 与2 1 2 的硅酸钠配合的胶凝材料，其比 表面积可达5 0 0 6 0 0 m 2 g 。国内在粉煤灰的加工、回收，再利用方面也取得了可 喜进步。特别是粉煤灰碱激发技术、增钙粉煤灰技术、粉煤灰化学增活技术的出 现，大大地改善了粉煤次的凝固特性。资料表明，活性粉煤灰取代水泥作为胶凝 材料的比例正日益增加，而且完全有可能在某些特定技术条件下只使用活性粉煤 灰和其它化学剂结合就可以达到固结材料的技术性能要求。 1 2 国内外粉煤灰混凝土的发展简况 1 2 1 粉煤灰混凝土技术应用研究的发展历程 国内外文献介绍粉煤灰混凝土技术时，总是追溯到2 0 0 0 多年前古罗马大型工 程中曾采用的火山灰混凝土，其目的是要验证粉煤灰是一种人工火山灰。许多文献 对火山灰混凝土进行研究后，最终做出如下的结论：归根结底是取决于混凝土的 均匀拌和以及充分捣实。这些给了现代粉煤灰混凝土技术以经验和启发。 粉煤灰混凝土技术发展的先驱是美国伯克利加州大学理工学院的 r e d a v i s ，他于1 9 3 3 年开始研究粉煤灰在混凝土中的应用，随后与其合作者陆 山东大学硕士学位论文 续发表了国际上首批粉煤灰混凝土的研究报告。 4 0 年代，美国垦务局等工程部门，通过不少水坝工程混凝土中掺加粉煤灰的 成功试点，终于决定在蒙大拿州的俄马坝大型工程中，大规模应用粉煤灰，共掺 用粉煤灰1 3 万t 。竣工后的定期观察表明，粉煤灰混凝土至今保持良好的性能。 因此，欧美国家有关文献，将俄马坝工程中粉煤灰的应用列为粉煤灰混凝士技术 发展史中第一块里程碑。 5 0 年代，粉煤灰在大体积混凝土中的应用得到普遍推广，在大型混凝水利 工程中积极采用粉煤灰，这为粉煤灰的大宗利用提供了条件。我国粉煤灰的研究 利用始于5 0 年代初，沈旦申等发表了粉煤灰水泥混合材料的系统研究报告，并提 出了推广应用的建议。虽然当时的利用率不高，但研究及利用技术与发达国家相 比，并无较大差距。 6 0 年代，粉煤灰混凝土经历了广泛的实用阶段。各国学者对粉煤灰的基础理 论进行了研究，并发表了不少有关粉煤灰性能和对混凝土影响的著作，取得了很 多有价值的研究成果。 7 0 年代以后，世界上燃烧煤炭的火力发电这一发展方向得到新的共识，在许 多国家中粉煤灰资源迅速增长，备受重视，粉煤灰混凝土技术的进步也加快了步 伐。国外开始开发研制高性能粉煤灰混凝土。我国也加强了这一对于混凝土工程 学具有划时代意义的工作，并取得了长足进步。 8 0 年代，粉煤灰混凝土技术扩大到钢筋混凝土工程( 包括预应力混凝土) 的 应用范围，在建设工程中的应用技术有了新的发展，粉煤灰已逐步发展成为混凝 土的基本组分。 9 0 年代，保护地球环境，寻求与自然的和谐，走可持续发展之路已成为全世 界共同关心的问题。因此提出“绿色混凝土( g r e e nc o n c r e t e ) ”、“绿色高性能 混凝土( g r e e nh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，g h p c ) ”和“环保型混凝土 ( e n v i r o n m e n tf r i e n d l yc o n c r e t e ) ”的概念，专家指出它们是2 1 世纪混凝土 的发展方向，是混凝土的未来。同时，粉煤灰已在高性能混凝土、碾压混凝土、 泵送混凝土及大坝混凝士中得到广泛应用，有关的研究也取得了较大的进展。这 也正符合混凝土的发展方向。此外，根据第4 届水泥与混凝土国际会议( b i s c c ) 上吴中伟、陶有生的报告，我国混凝土今后的对策是大力发展高性能混凝土和商 品混凝土。而绿色高性能混凝土的特点之一是降低水泥熟料，尽量地利用特殊混 合材，当然包括粉煤灰。研究也表明，掺加粉煤灰，尤其是超细粉煤灰，可提高 混凝土的综合性能。所以，粉煤灰在高性能混凝土中具有很大的应用潜力，其绿 6 山东大学硕士学位论文 色环保意义也是巨大的。 1 2 2 粉煤灰在混凝土中的应用现状 国外工业发达国家粉煤灰在混凝土中的应用，已基本遍及混凝土各个角落，且 掺量大，商品化程度高，技术经济效益好。 国内外粉煤灰在混凝土中的应用也取得了不小的成绩。如粉煤灰作为大体积 混凝土的掺和料，在水利工程中用于修筑大坝等；大掺量粉煤灰碾压混凝土目前 正在研究并已有应用；正在研究开发的领域是预制混凝土、道路混凝土等。原状 粗粉煤灰用于结构混凝土中代替部分水泥或部分砂的技术也得到了重视和发展。 同发达国家相比，我国还存在不少差距：( 1 ) 粉煤灰在水泥和混凝土中的利 用率还不高。( 2 ) 在技术经济效益方面，以粉煤灰混凝土技术推广较好的上海地 区为例，目前仅节约水泥5 1 5 ，且局限于土建工程，而国外一般水平是节约 水泥2 0 ，英国是3 0 。( 3 ) 粉煤灰商品混凝土总产量的比例低于国际一般水平， 而且产品标准、规格、生产和经营管理等方面也都处于起步阶段，大量研究开发 工作有待重视。 1 2 3 粉煤灰混凝土技术发展前景 混凝土的发展主要遵循复合化、高强化、高性能化3 条技术路线，混凝土的 发展方向是可持续发展的混凝土复合材料，即绿色混凝土或环保型混凝土。粉煤 灰混凝土符合混凝土的发展方向，加之粉煤灰混凝土技术已成为现代混凝土技术 的重要支柱之一，则它也必然遵循混凝土发展的3 条技术路线，实践也证明如此。 所以，粉煤灰混凝土技术发展前景应当是相当广阔的。 我国粉煤灰混凝土技术正在发展之中，有不少新技术已进行研究和开发，有 的己达到初步推广的程度。根据一些专家学者的预测，我国粉煤灰混凝土技术发 展主要有以下3 个方面的内容： ( 1 ) 高效应粉煤灰资源的开发要符合g b l 5 9 6 9 1 规定的i 、级粉煤灰。 其途径有3 种：从电除尘器分电场灰粗细分类中得到；通过磨细；通过分选。 从目前国内高效应粉煤灰资源的开发情况来看，在上述3 种途径中，通过分选( 粗 细分离) 而得到高品位粉煤灰正被越来越多的电厂所采用。 ( 2 ) 高掺量粉煤灰混凝土的应用。 在多数标准或规程中，水泥和混凝土中粉煤灰的掺量都限制在4 0 9 6 以下( 超 量取代) ，有的结构混凝土规程的限制还严格一些。在高粉煤灰用量混凝土应用技 术中，强调混凝土中基本组分应各司其职，各组分间不能完全相互取代。按照这 山东大学硕士学位论文 样的观点，应把粉煤灰看作是混凝土的一种基本组分，这样就可以进一步提高粉 煤灰用量，并可收到更加显著的技术经济效益。 ( 3 ) 高性能粉煤灰混凝土的开发。 按技术功能来划分，混凝土可分为普通混凝土和高性能混凝土。后者是指在 一些特定用途的工程中，对某项性能需要特别提高的混凝土。粉煤灰可以作为一 种高性能混凝土所特需的复合材料组分来使用，因为粉煤灰玻璃珠便是相当理想 的颗粒性多元复合材料。因此，粉煤灰除作为混凝土中节约水泥用量的“经济组 分”外，还可作为“功能组分”，为现代混凝土技术发挥更好的作用。 1 3 粉煤灰的环境危害 1 3 1 粉煤灰污染的产生 我国今后相当长一段时期内，燃煤发电仍是主体。伴随煤粉的燃烧过程，煤中 的无机组分在锅炉内高温热动力条件下，经过一系列复杂的物理化学过程，主要转 入飞灰、底灰或炉壁沉积( 结渣与沾污) 等固体产物中。尽管这三类产物的产出 位置与特征各异，但从成因看，都与飞灰的结构演化相关联。底灰主要与飞灰本 身颗粒较大或相互粘结为较大的颗粒下沉有关，结渣和沾污则是飞灰在锅炉受热 面上选择性沉积所致。上前，世界每年燃煤灰渣排放量已达5 5 亿t ，据预测， 2 0 1 0 年将达到8 亿t 。从资源与环境的角度评价，粉煤灰一方面可作为多元复合 材料进行资源化利用，另一方面，其中携带的有害物质( 如致癌元素、放射性元 素、p a h s 等有机污染物) ，通过各种方式向外界传输，对人体健康和生态环境构 成严重危害；而锅炉受热面上的结渣和沾污，严重影响锅炉的安全经济运行。 1 3 2 粉煤灰对环境的危害 煤在燃烧过程中释放的有害物质，对环境及人体的危害主要体现在以下几个 方面： ( 1 ) 对大气的污染。在煤烟型污染城市，大气气溶胶是主要污染物，在我国主要城 市，燃煤飞灰悬浮颗粒物的主要来源，在冬季因燃煤上升，导致空气中飞灰的增 加。煤中有害元素大于2 u m 的颗粒可沉积在鼻咽区，小于2 u m 的沉积在支气管， 对人体健康的危害更大。另外，细颗粒能长时间漂浮在大气环境中( 一般7 1 0 天) ，随气流进行远距离输送，造成区域性环境污染。 ( 2 ) 气溶胶的危害。近地面的有毒或有害气溶胶，可直接危害人类健康；其次，气 溶胶参与多种化学反应，可对人类生活和生态环境带来间接危害；最重要的是， 8 山东大学硕士学位论文 广泛分布于全球大气中的气溶胶对天气和气候可能带来的影响。因为粉煤灰经过 高温燃烧，本身具有很高的化学活性，可能与细胞发生化学反应，目前其机理不 清楚，有待进一步研究，可能是诱发癌症的主要原因。 ( 3 ) 对地表水及地下水的污染。被除尘器捕获的飞灰，若采用湿排，飞灰中有害元 素会溶于冲灰水中，造成污染。飞灰沉降落地或堆放在储灰污池中的粉煤灰，因 雨水淋滤，会污染地表水和地下水。 ( 4 ) 粉煤灰在被利用过程中对环境的后期影响。在粉煤灰利用过程中，仍会对周围 环境产生影响，如生产建材制品，如果粉煤灰中放射性元素含量较高，会影响人 体健康。利用粉煤灰生产农肥或改良土壤，部分有害元素会溶出，渗入土壤，被 植物吸收。 我国粉煤灰目前年排放量为1 0 7 0 0 万吨。随着新、扩建电厂不断增加，据统 计2 0 0 0 年粉煤灰排放量统计已达到1 6 亿吨，虽然“六五”和“七五”期间，粉 煤灰的利用率由2 0 提高到3 0 ，技术水平也在不断的提高，但目前我国粉煤灰 利用技术及装备还比较落后，综合利用工作开展的也很不平衡，所以多年来未被 利用的粉煤灰累计堆存量已达5 亿多吨，占地2 0 万亩，对生态环境造成了很大威 胁。因此，开展粉煤灰综合利用，“化害为利，变废为宝”，保护环境就成为我 国的一项长期技术经济政策，也成为专家们重点关注的课题之一。 1 4 开展粉煤灰混凝土研究的必要性 近几十年来，国内外工程构筑物中水泥混凝土的需求量越来越大，混凝土材 料已成为当今用量最大、用途最广泛的建筑材料，据统计，每年全世界的耗用量 接近1 0 0 亿吨。如此巨大的用量，伴随着生产、使用过程带来矿石资源、能源的 消耗，以及对大气和环境造成的污染，己引起全世界业内的关注。 我国的水泥产量多年来居世界首位，占1 3 以上。同时我国粉煤灰的年排放 量也是居世界首位。由于发展基础设施建设的需要，有关部门仍在计划投资建设 更多水泥厂。过去在混凝土里掺用粉煤灰，是为了节约水泥、降低工程材料费用， 今天对混凝土掺用粉煤灰的认识，应该提高到保护环境、保护资源，使混凝土材 料可长久地持续应用于基础设施建设中的高度上来认识。 华能德州电厂装机容量2 5 2 万千瓦，年排粉煤灰2 0 0 多万吨，加上德州热电厂 和南郊，北郊、凯元热电厂以及平原禹城齐河电厂，全市年排灰总量达2 6 0 多万 吨，占山东全省排灰总量的2 0 。目前，德州市粉煤灰利用大户主要有晶华集团 9 山东大学硕士学位论文 大坝水泥厂和德州市二屯镇第三、第二砖厂等。大坝水泥厂( 原二建材) 自1 9 7 6 年开始生产粉煤灰水泥，累计已利用德州热电厂粉煤灰2 0 0 万吨。二屯镇第三砖 厂使用德州学院粉煤灰研究所的专利技术生产超大掺量造纸黑液活化粉煤灰烧结 砖，掺灰量达6 0 - 一8 0 ，年用灰5 万多吨，同时消耗造纸黑液1 万多吨。济德高 速公路与德州南外环路的路基都使用了大量粉煤灰。正在改造中天衢路路基全部 采用二灰粉( 粉煤灰石灰粉) 碾压而成。另外，还利用粉煤灰生产双色粉煤灰砖、 小型粉煤灰空心砌块、粉煤灰空心隔墙板、粉煤灰烧结陶粒以及粉煤灰彩色水泥 瓦。尽管如此，粉煤灰利用率还是很低，考虑到粉煤灰混凝土不仅可以改善混凝 土的各项性能，延长混凝土结构的使用寿命，同时可以大幅度减小耗费能源多、 污染环境严重的硅酸盐水泥用量，从这个角度出发，推广实用型粉煤灰混凝土在 我市土木建筑工程中的应用，是一件于国于民有显著效益的事业，必定有强大的 生命力，有广阔的发展前景。 1 5 本课题研究的技术路线 1 5 1 本课题研究的内容 针对上述问题，结合国内外的一些先进经验与当地的实际情况，展开了粉煤 灰混凝土配合比研究这一课题。本项课题的研究是在混凝土中用粉煤灰作掺合料， 并用我省生产并常用的建材为原料，在超量系数( j ，) 和取代水泥百分率( f ) 一定 的情况下，用超量取代法进行桥梁用c 1 0 、c 1 5 、c 2 0 、c 2 5 、c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 强度 等级的粉煤灰混凝土与路面用粉煤灰混凝土的配合比设计为主要内容，以节约水 泥、改善混凝土的和易性，提高混凝土的抗压强度等作为考核目标，并在具体工 程中加以应用进行经济效益分析，为山东省开发利用粉煤灰进行混凝土施工提供 了一条新的途径。 1 5 2 本课题研究方法 本课题主要采用室内配比试验和室外现场测试试验的方法。室内配比试验包 括砂、石料的表观密度、堆积密度、含泥量、压碎指标值、筛分试验、针片状颗 粒含量试验等常规检验；水泥的细度、标准稠度用水量、凝结时间、体积安定性、 水泥胶砂强度等常规性检验指标；粉煤灰的细度、烧失量、需水量比、三氧化硫 1 0 山东大学硕士学位论文 等常规性检验；水泥砼的配合比试验过程，包括混凝土设计计算、坍落度试验、 混合料拌制、试件成型、养护、抗压强度、抗折强度等常规检验。现场测试试验 包括现场混凝土工作性的测定、现场混凝土配合比调整、现场制作试块以及现场 施工的工艺流程监控等。 历经一年多的大量研究试验与试点工程的观察比较，实践证明掺粉煤灰混凝 土在满足强度要求的基础上，能节约水泥，改善混凝土的和易性，提高混凝土的 后期强度，从而降低了工程造价，减轻了环境污染，起到了提高经济效益和社会 效益之双重功效。尤其是高强度等级混凝土效益更佳，是值得大力推广的科研项 目，具有广阔的发展前景。 山东大学硕士学位论文 第二章粉煤灰 粉煤灰是从煤粉炉排出的烟气中收集到的细颗粒粉末，是工业“三废”之一。 目前，我国年排放粉煤灰约1 1 0 0 0 万吨，利用率为4 2 ，主要应用在建材、建工、 筑路、回填方面。随着工业的发展，粉煤灰排放量将逐年增加，合理地推广和应 用粉煤灰不仅能节约土地和能源，而且能保护和治理环境。粉煤灰作为一种人工 火山灰质材料，在混凝土中作为掺和料，可以改善砼性能，节约水泥，提高工程 质量和降低工程成本。为了更好地应用粉煤灰，现将粉煤灰的性能综述如下。 2 1 粉煤灰的形成 锅炉在操作时，煤粉与高速气流混合在一起，喷入炉膛的燃烧带中，使煤粉颗 粒里的有机物质得到充分的燃烧，但燃烧的完全程度取决于锅炉的效率和操作的 水平，炉膛温度一般是很难测准的，运行良好的现代化电厂的煤粉炉炉膛最高温度 可能达到或超过1 6 0 0 ，足以使灰分中除了少量石英( 细粒的结晶) 以外的所有矿 物全部熔融。可是多数旧电厂锅炉的实际燃烧温度要比上述温度低得多，在较低的 温度下，只能熔融- - d 部分的无机物质，而且炉膛温度并不是十分均匀的，因此即 使在同一锅炉中，粉煤灰烧成的条件也不相同，更不必说不同的锅炉了。在燃烧过 程中，煤炭中的无机杂质也发生了一系列的反应和变化，包括达到不同的温度时， 含水的矿物如粘土、石膏等一一脱水，碳酸盐中二氧化碳与硫化物中三氧化硫的 排出，还有碱在高温下也要挥发，其中较细的粒子随气流掠过燃烧区，立即熔融， 到了炉膛外面，受到骤冷，就将熔融时由于表面张力作用形成的圆珠形态保持下 来，成为玻璃微珠，煤粉粒子越细，越容易成球。其中有些熔融的微珠内部，截 留了炉内气体，形成了空心微珠。另有一些微珠，团聚在一起或粘连在一起，就 形成鱼卵状的复珠( 即子母珠) 和粘连体，也有一些来不及完全变成液态的粗灰， 结果变成了渣状的多孔玻璃体( 海绵状玻璃) 。在冷却过程中也有一些冷却比较缓 慢而再结晶的矿物以及在颗粒表面上生成的结晶矿物、化合物和独自存在的未熔 融石英等矿物。从煤块磨成煤粉，把原来团聚的矿物磨粹，因此每一颗煤粉粒子 的矿物成分也是不同的，燃烧以后，每一粒粉煤灰的成分当然也不可能相同，所 以粉煤灰化学成分分析也只能是表示粉煤灰中各种颗粒混合物的化学成分平均 值。 2 2 粉煤灰的基本。陛质 1 1 粉煤灰的形态特征 山东大学硕士学位论文 粉煤灰是一种高度分散的微细颗粒集合体，主要由氧化硅玻璃球组成，粒径 1 5 0 微米，根据颗粒形状可分为球形颗粒与不规则颗粒。球形颗粒又可分为低 铁质玻璃微珠与高铁质玻璃微珠，若据其在水中沉降性能的差异，则可分出飘珠、 轻珠和沉珠；不规则颗粒包括多孔状玻璃体、多孔碳粒以及其他碎屑