粉煤灰4332862502.doc

简介：以水泥150kg/m3、粉煤灰200kg/m3，不掺引气剂并掺高效减水剂将水胶比降至0.29，所配制的大掺量粉煤灰高强混凝土7天强度可达34MPa；28天52MPa；90天70MPa；365天98MPa。 关键字：粉煤灰,混凝土,应用 一、概述早在2000多年前的古罗马时期，人类就用火山灰与石灰混合作为胶凝材料，建造了许多雄伟的建筑物，例如万神殿，其直径为44m的半球形穹顶就使用了12000吨这种胶凝材料和凝灰岩轻骨料拌合而成的混凝土；还有闻名于世的圆形剧场等，这些建筑现在仍然安然无恙，2000年还有报道意大利人正在翻修圆形剧场，准备在那里面举行盛大的演出。今天在混凝土中掺用的粉煤灰，也是一种火山灰材料，大量的实践证明：掺用粉煤灰的混凝土，其长期性能得到大幅度的改善，对延长结构物的使用寿命有重要意义。 80年代初，美国佛罗里达州建造了一座非常宏伟的跨海大桥，在该桥的建设过程中，考虑到周围的侵蚀性环境，在混凝土里掺用了大量粉煤灰，工程质量有很大改善。因而在1983年修订规范时，对原来随意使用粉煤灰的规定进行了修订1。新规范（S-346）规定：在中度以上侵蚀环境中的桥梁上部结构，包括预应力构件的混凝土中，必须掺用粉煤灰。其中大体积混凝土中粉煤灰的掺量为1850%。 掺粉煤灰混凝土的另一典型实例，是1982年英国的Garwick机场的停机坪扩建工程，该工程在两条相邻的道面上对掺与不掺粉煤灰混凝土进行了对比2。所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量达到46%。该工程经运行4年后所拍的照片清楚地显示出：与纯硅酸盐水泥混凝土相对照，掺粉煤灰混凝土道面的表面层抗滑构造仍基本完好，而前者则已坑坑点点，受到一定程度的破坏了。这个实际工程事例一方面说明：在低水胶比条件下，即使掺有大量粉煤灰，也可以获得强度和耐久性都十分优异的混凝土；另一方面，对长期以来沿用的，以28d龄期的快速实验结果评价不同类型混凝土的耐久性提出了质疑。 粉煤灰在混凝土公路路面中的应用举一个例子。Mehta教授曾提到3：在美国大约70%的低交通量公路与地方公路需要升级，考虑用大掺量粉煤灰代替水泥以降低造价，电力研究院(EPRI)出资搞了几个示范工程：在北达科他州，1988和1989年夏天，用20000m3粉煤灰混凝土铺筑厚为200mm的路面，其水胶比为0.43，水泥用量100Kg/m3、粉煤灰220Kg/m3。 大掺量粉煤灰混凝土的成功试验，使其在哈利法克斯的帕克林购物中心施工中用于浇注巨大的柱子，拌合物含55低钙粉煤灰、45硅酸盐水泥，以及就地取材的砂、石和高效减水剂。这些柱子一共用去700m3大掺量粉煤灰混凝土；在哈利法克斯海边处于海洋环境的建筑物群施工中也得到应用。该建筑物位于海边，包括两幢商业大厦的公共建筑，其32根直径1.2m和30根直径1.1m的框架柱沉箱，平均长度在21m。采用大掺量粉煤灰混凝土的首要原因，是其抗渗性能优异。在渥太华附近的大卫伏劳瑞达实验室，工程师们用CANMET开发的大掺量粉煤灰混凝土设计了一个重360吨的混凝土平台。为了降低水化热，以粉煤灰、型（低热）水泥、水、粗细骨料、引气剂和高效减水剂混合配制。平台的尺寸是78m，平均厚度2.25m，安放在多个充气圆柱体上，因此其震动与地面分离。由于粉煤灰混凝土特殊的品质，发射火箭产生的冲击不会引起平台共振。随着龄期增长，平台混凝土的共振频率以每年0.05Hz的速度增长，质量越来越好。在该平台上成功地发射了爱那克依火箭的事实雄辩地证明：粉煤灰混凝土可以看作是真正的太空时代的建筑材料。 在建筑工程中，我们与北京城建集团总公司构件厂合作，在自密实混凝土中掺用3045%粉煤灰作为增粘剂，保证了这种混凝土有足够粘聚性，不致发生离析与泌水现象，而且可在数小时里几乎没有坍落度损失，满足长途运输后仍然能够自密实的效果。该成果（大掺量粉煤灰混凝土在建筑工程中的应用）于1998年12月获得北京市科技进步三等奖。 在公路工程建设中，由我们提供技术咨询服务，自1994年以来于广东深-汕等四条近100km高速公路路面混凝土中掺用粉煤灰2040%，取得明显提高滑模摊铺机摊铺路面板的质量（提高路面宏观平整度、明显减少开裂）、减小进口设备损耗并降低水泥用量等技术与经济综合效益。二、混凝土的结构与性能为了便于认识粉煤灰在混凝土中的作用，先来看看混凝土的结构和性能之间的关系。混凝土是由大小不同的颗粒所组成的，大颗粒粗骨料的空隙由中小颗粒的粗骨料（石子）填充；粗骨料颗粒的空隙由细骨料（砂子）填充，它的颗粒也是有粗有细，细颗粒填充粗颗粒之间的空隙；水泥浆则填充粗细骨料堆积体的大小空隙，并包裹它们形成一层润滑层，使新拌混凝土（也称拌合物）具有一定的工作性，能在外力或本身的自重作用下成型密实。硬化混凝土是一种复杂的、多相的复合材料，它的结构主要包括三个相骨料、硬化水泥浆体以及二者之间的过渡区，说它复杂是因为它很不匀质，三、粉煤灰在混凝土中的作用了解混凝土的微结构的特性及其对性能的影响后，就可以更好地认识粉煤灰在混凝土中的作用。粉煤灰的主要作用可以包括以下几方面： 1）填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，由于粉煤灰的容重（表观密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好（质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。 2）对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化得更充分。 3）粉煤灰和富集在骨料颗粒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），而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用。 4）粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。 由于混凝土技术的进展，使混凝土可以在比较低的水胶比条件下制备，这就使粉煤灰在混凝土中的作用出现显著地变化。而近些年来水泥活性增大、混凝土设计等级提高促使水泥用量增大，以及构件断面尺寸加大，在混凝土体温度上升的前提下，进一步促进了粉煤灰在混凝土中作用的发挥，以至可以说：粉煤灰在许多情况下可以起到水泥所起不到的作用，成为优质混凝土必不可少的组分之一。 四、大掺量粉煤灰混凝土 大掺量粉煤灰混凝土不仅强度发展效果良好，而且各种耐久性能也十分优异。由于能够明显降低水化温升，也大大减小了混凝土早期出现开裂的危险，可以说是一种适用于除了早期强度要求非常高以外，能够满足各种工程条件，尤其是侵蚀性严酷环境要求的高性能混凝土。例如公路路面板、桥面板就是这样一类结构，不仅工作环境严酷，而且需要耐磨性良好。大掺量粉煤灰混凝土的后期强度增长幅度大，恰好满足了这样的要求强度和耐磨性随着时间不断增长。但是目前的耐磨性试验不适宜于判断这种混凝土的耐磨性，因为通常就在28天龄期进行快速试验用钢球在试件上快速旋转产生的磨耗量来评价。这也说明：推广新材料、新技术需要伴随试验评价方法的改进。 当然，任何事物都有它的两面性，大掺量粉煤灰混凝土也存在局限性。其中，粉煤灰水泥化学外加剂之间的相容性，表现为混凝土水胶比能否有效地降低，使粉煤灰能充分发挥作用，自然是应用这种混凝土首先要检验的问题。一般来说，当水胶比只能在0.40以上时，在中等强度要求的混凝土中使用的效果就可能成问题了。其次，由于大掺量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度减少，因此对于水泥质量的稳定性和粉煤灰品质的稳定性就比较高，当两者的质量产生波动时，会给使用效果带来明显的影响。不过大掺量粉煤灰混凝土的水胶比较低这一特性，也有减小混凝土性能波动的益处。同时，从拌合物的工作度检验中，操作人员比较易于获得粉煤灰质量发生了波动的信息，便于及时采取措施减小或避免损失。此外，工程所在地附近一定半径范围里，有可以适用的粉煤灰来源也十分重要，过长的运输距离不仅使粉煤灰使用费用增加，也给及时满足工程对粉煤灰货源的需求带来困难。 五、混凝土材料的可持续发展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100亿吨。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，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1/3以上。同时我国粉煤灰的年排量也是居世界首位。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。 大掺量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，因此也是一种绿色混凝土。从这个角度出发，推广大掺量粉煤灰混凝土在我国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。自从上个世纪80年代以来，人类意识到了由于自身活动带来的环境问题，逐步提出了绿色建筑、绿色建材的概念，世界各国已经开始采取措施控制建筑对生态环境的破坏。提倡绿色建筑，是保护生态环境的重要措施之一，绿色建材的发展担当着重要的历史使命。1 绿色建材的概念1988年第一届国际材料科学研究会提出了“绿色材料（green materials）”的概念，国际学术界1992年定义绿色材料是指在原料采取、产品制造、应用过程和使用以后的再生循环利用等环节中，对地球环境负荷最小和对人类身体健康无害的材料。我国在1999年召开的首届全国绿色建材发展与应用研讨会上，明确提出绿色建材(Green Building Materials)是指采用清洁生产技术，不用或少用天然资源和能源，大量使用工农业或城市固态废弃物生产的无毒害、无污染、无放射性，达到使用周期后可回收利用，有利于环境保护和人体健康的建筑材料。国际上也称“生态建材”、“健康建材”或“环保建材”。绿色建材是生态环境材料在建筑材料领域的延伸，从广义上讲，绿色建材不是一种单独的建材产品，而是对建材“健康，环保，安全”等属性的一种要求，对原材料生产、加工、施工、使用及废弃物处理等环节，贯彻环保意识并实施环保技术，达到环保要求。绿色建材定义的形成,有力地推动了我国绿色建材产业的健康、可持续发展。2 绿色建材的特征传统建筑材料的制造、使用以及最终的循环利用过程都产生了污染，破坏了人居环境和浪费了大量能源。绿色建材与传统建材相比可归纳以下五个方面的基本特征：1）绿色建材生产尽可能少用天然资源,大量使用尾矿、废渣、垃圾等废弃物；2）采用低能耗和无污染的生产技术、生产设备；3）在产品生产过程中,不使用甲醛、卤化物溶剂或芳香族碳氢化合物；产品中不含汞、铅、铬和镉等重金属及其化合物；4）产品的设计是以改善生产环境、提高生活质量为宗旨,产品具有多功能化,如抗菌、灭菌、防毒、除臭、隔热、阻燃、防火、调温、调湿、消磁、防射线、抗静电等；5）产品可循环或回收及再利用,不产生污染环境的废弃物。可见，绿色建材能够满足可持续发展的需要。既满足了人们对健康、安全、舒适、美观的居住环境的需要，又没有损害子孙后代对环境和资源的更大需求，做到了经济社会的发展与生态环境效益的统一，当前利益与长远利益的结合。3 绿色建材的分类根据绿色建材的特点，可以大致分为以下5类：1）节省能源和资源型2）环保利废型3）特殊环境型4）安全舒适型5）保健功能型4 传统建筑材料的绿色化未来建材工业总的发展原则应该具有健康、安全、环保的基本特征，具有轻质、高强、耐用、多功能的优良技术性能和美学功能，还必须符合节能、节地、利废三个条件。通常使用的建筑材料包括了水泥、混凝土及其制品，各种玻璃、钢材、铝材、木材、高分子聚合材料、建筑卫生陶瓷等，以下我们就对这些材料的可持续性进行分析。4.1 水泥与混凝土类建材绿色化4.2 建筑玻璃的绿色化方向4.3 建筑用金属材料的绿色化4.4 木材的绿色化生产4.5 化学建材的绿色化4.6 建筑卫生陶瓷的绿色化5 新型的绿色化建筑材料5.1 透明的绝缘材料5.2 相变材料5.3 硅纤陶板5.4 玻晶砖6 绿色建材的发展趋势近二十年来，欧美、日等工业发达国家对绿色建材的发展非常重视，已就建筑材料对室内空气的影响进行了全面、系统的基础研究工作，并制订了严格的法规。1992年联合国召开了环境与发展大会，1994年联合国又增设了可持续产品开发工作组。随后，国际标准化机构也开始讨论环境调和制品的标准化，大大推动着国内外绿色建材的发展。6.1 绿色建材在国外的发展为了绿色建材的发展，1978年德国发布了第一个环境标志“蓝天使”，使7500 多种产品得到认证。美国环保局(EPA)和加州大学设置了室内空气研究计划，研究和制订了评价建筑材料释放VOC的理论基础，确定了测试建筑材料释放VOC的体系和方法，提出了预测建筑材料影响室内空气质量的数学模型。1988年加拿大开始环境标志计划，至今已经有14个类别的800 多种产品被授予环境标志。丹麦、挪威推出了“健康建材”(HMB)标准，国家法律规定，对于所出售的涂料等建材产品，在使用说明书上除了标出产品质量标准外，还必须标出健康指标。瑞典也积极推动和发展绿色建材，并已正式实施新的建筑法规，规定用于室内的建筑材料必须实行安全标签制，并制订了有机化合物室内空气浓度指标限值。另外，芬兰、冰岛等国家于1989年实施了统一的北欧环境标志。1988年日本开展环境标志工作，至今已经有2500 多种环保产品，十分重视绿色建材的发展。目前,国际对于绿色建材的发展走向有以下3个主流观点：1）删繁就简：这主要是针对一些地方存在的铺张浪费和豪华之风而言的。国外已经将省钱(saving money)当作可持续发展建筑的一项指标。创造一种自然、质朴的生活和工作环境与可持续发展是一致的,也是建设节约型社会的必然要求。2）贴近自然：选用自然材料,提倡突出材料本身的自然特性,例如木结构建筑。第一次世界大战时期开始流行起来的稻草板建筑材料有其生态优势,其主要原料稻、麦草是可再生资源；生产制造过程中不会对生态环境造成污染等，这些都是发达国家的用材趋势。3）强调环保：主要包括以下几个方面。A、有益于人体健康，例如加拿大的Ecologo标志计划和丹麦的认证标志计划等,就主要是从人体健康方面出发来考虑的。B、有益于环境，对于生态环境材料,不仅要求其不污染环境,而且还要求其能够净化环境。如带有TiO2光催化剂的混凝土铺路砌块已开始走出试验室,铺设在交通繁忙的道路边的步行道,进行消除氮氧化物、净化空气的应用性试验。C、减少环境负荷。一是降低能量损耗,减少环境污染；二是充分利用废弃物,以减少环境负荷。利用固体废弃物研制建筑材料是绿色建材发展的最重要的途径。6.2 绿色建材在中国的发展改革开放以来，随着我国经济、社会的快速发展和生活水平日益提高，人们对住宅的质量与环保要求越来越高，使绿色建材的研究、开发及使用愈来愈深入和广泛。建筑与装饰材料的“绿色化”是人类对建筑材料这一古老的领域的新要求,也是建筑材料可持续发展的必由之路。我国的环境标志是于1993年10月公布的。1994年5月17日中国环境标志产品认证委员会在北京宣告成立。1994年在6类18种产品中首先实行环境标志，水性涂料是建材第一批实行环境标志的产品。1998年5月，国家科技部、自然基金委员会和863计划新材料专家组联合召开了“生态环境材料讨论会”，确定“生态环境材料”应是同时具有满意的使用性能和优良的环境协调性，并能够改善环境的材料。我国“绿色建材”的发展虽然取得了一些成果,但仍处于初级阶段,今后要继续朝着节约资源、节省能源、健康、安全、环保的方向发展,开发越来越多的、物美价廉的绿色建材产品,提高人类居住环境的质量,保证我国社会的可持续发展。要实现绿色建材的可持续发展，我们必须做好以下几个方面的工作。1）必须树立可持续发展的生态建材观。要从人类社会的长远利益出发,以人类社会的可持续发展为目标,在这个大前提下来考虑与建筑材料生产、使用、废弃密切相关的自然资源和生态问题,即建材的循环再生、资源短缺、生态环境恶化及与地球的协调性问题。2）要提高全民的环保意识,提倡绿色建材。社会环