概述
早在2000多年前的古羅馬時(shí)期,人類就用火山灰與石灰混合作為膠凝材料,建造了許多雄偉的建筑物,例如萬(wàn)神殿,其直徑為44m的半球形穹頂就使用了12000噸這種膠凝材料和凝灰?guī)r輕骨料拌合而成的混凝土;還有聞名于世的圓形劇場(chǎng)等,這些建筑現(xiàn)在仍然安然無(wú)恙,2000年還有報(bào)道意大利人正在翻修圓形劇場(chǎng),準(zhǔn)備在那里面舉行盛大的演出。今天在混凝土中摻用的粉煤灰,也是一種火山灰材料,大量的實(shí)踐證明:摻用粉煤灰的混凝土,其長(zhǎng)期性能得到大幅度的改善,對(duì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的使用壽命有重要意義。
現(xiàn)在作為混凝土主要膠凝材料的硅酸鹽水泥,同樣是以石灰石和粘土為主要原料經(jīng)過(guò)煅燒生成的。它問(wèn)世于19世紀(jì)的30年代,至今尚不到200年歷史,因此用硅酸鹽水泥配制成混凝土建造的各種建筑物最長(zhǎng)只有100多年,而國(guó)內(nèi)近些年修建的一些土木工程結(jié)構(gòu)物運(yùn)行不多年,就出現(xiàn)各種病害,甚至很快就遭到嚴(yán)重的破壞。例如北京的西直門(mén)立交橋,運(yùn)行僅20年就不得不拆除重建;更有甚者,據(jù)某省交通科研所一位所長(zhǎng)坦言,那里的混凝土路面運(yùn)行三年不壞的很少!
80年代初,美國(guó)佛羅里達(dá)州建造了一座非常宏偉的跨海大橋,在該橋的建設(shè)過(guò)程中,考慮到周圍的侵蝕性環(huán)境,在混凝土里摻用了大量粉煤灰,工程質(zhì)量有很大改善。因而在1983年修訂規(guī)范時(shí),對(duì)原來(lái)隨意使用粉煤灰的規(guī)定進(jìn)行了修訂[1]。新規(guī)范(S-346)規(guī)定:在中度以上侵蝕環(huán)境中的橋梁上部結(jié)構(gòu),包括預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的混凝土中,必須摻用粉煤灰。其中大體積混凝土中粉煤灰的摻量為18~50%。
什么是大體積混凝土?許多人至今仍認(rèn)為那就是指大壩,也有些人把高層樓房的大型基礎(chǔ)包括在內(nèi)??墒敲绹?guó)混凝土學(xué)會(huì)規(guī)定:任何現(xiàn)澆混凝土,其尺寸達(dá)到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問(wèn)題,以最大限度減少開(kāi)裂影響的,即稱為大體積混凝土。這個(gè)問(wèn)題下面還要談到。
摻粉煤灰混凝土的另一典型實(shí)例,是1982年英國(guó)的Garwick機(jī)場(chǎng)的停機(jī)坪擴(kuò)建工程,該工程在兩條相鄰的道面上對(duì)摻與不摻粉煤灰混凝土進(jìn)行了對(duì)比[2]。所用粉煤灰混凝土中粉煤灰用量達(dá)到46%。該工程經(jīng)運(yùn)行4年后所拍的照片清楚地顯示出:與純硅酸鹽水泥混凝土相對(duì)照,摻粉煤灰混凝土道面的表面層抗滑構(gòu)造仍基本完好,而前者則已坑坑點(diǎn)點(diǎn),受到一定程度的破壞了。這個(gè)實(shí)際工程事例一方面說(shuō)明:在低水膠比條件下,即使摻有大量粉煤灰,也可以獲得強(qiáng)度和耐久性都十分優(yōu)異的混凝土。
1.粉煤灰的主要作用
粉煤灰在混凝土中的主要作用表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤(rùn)滑層,由于粉煤灰的容重(表觀密度)只有水泥的2/3左右,而且粒形好(質(zhì)量好的粉煤灰含大量玻璃微珠),因此能填充得更密實(shí),在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。
(2)對(duì)水泥顆粒起物理分散作用,使其分布得更均勻。當(dāng)混凝土水膠比較低時(shí),水化緩慢的粉煤灰可以提供水分,是水泥水化更充分。
(3)粉煤灰和富集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結(jié)晶發(fā)生火山灰反應(yīng),不僅生成具有膠凝性質(zhì)的產(chǎn)物(與水泥中硅酸鹽的水化產(chǎn)物相同),而且加強(qiáng)了薄弱的過(guò)渡區(qū),對(duì)改善混凝土的各項(xiàng)性能有顯著作用。
(4)粉煤灰延緩了水化速度,減小混凝土因水化熱引起的溫升,對(duì)防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利。
(5)粉煤灰高性能混凝土的性能粉煤灰是一種呈玻璃態(tài)實(shí)心或空心的球狀微顆粒,比水泥粒子小得多,比表面積極大,表面光滑致密,其成分主要是活性氧化硅或氧化鋁。摻入混凝土中的粉煤灰主要產(chǎn)生以下幾方面影響:
1.活性效應(yīng):在常溫下,由于粉煤灰的水化反應(yīng)比水泥慢,被粉煤灰取代的那部分水泥的早期強(qiáng)度得不到補(bǔ)償,所以混凝土早期強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而降低。隨著時(shí)間的推移,粉煤灰中活性部分SiO2和AI2O3與水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),生成大量水化硅酸凝膠。粉煤灰外部的一些水化產(chǎn)物在成長(zhǎng)過(guò)程中也會(huì)象樹(shù)根一樣伸入顆??障吨?,填充空隙,破壞界面區(qū)Ca(OH)2的擇優(yōu)取向排列,大大改善了界面區(qū),促進(jìn)了混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)。
2.微集料密實(shí)填充及顆粒形態(tài)效應(yīng):均勻分散在混凝土中的粉煤灰顆粒不會(huì)大量吸水,不但起著滾珠作用,而且與水泥粒子組成了合理的微級(jí)配,減少填充水?dāng)?shù)量,影響系統(tǒng)的堆積狀態(tài),提高堆積密度,具有減水作用,使新拌混凝土工作性優(yōu)良,硬化混凝土微結(jié)構(gòu)更加均勻密實(shí)。而且,不會(huì)發(fā)生泌水離析現(xiàn)象,可施工性和抹面性好,抗?jié)B性、抗凍性好。
3.交互作用:水泥、粉煤灰、外加劑等不同粉料間會(huì)產(chǎn)生物理、化學(xué)的交互作用。例如,水泥水化生成的Ca(OH)2是粉煤灰的活性激發(fā)劑,而被激發(fā)了的粉煤灰一旦水解,降低液相堿度,又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)未水化水泥水化。又如混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失的原因之一是隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,高效減水劑的濃度降低,通過(guò)SEM觀察,發(fā)現(xiàn)超細(xì)粉末的粉煤灰顆粒存在大量比表面積相當(dāng)大的微珠以及一定量的多孔海綿狀的不規(guī)則小塊,可吸附外加劑,是外加劑的理想載體由于粉煤灰水化反應(yīng)緩慢,吸附在其上的高效減水劑在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)起作用,之后才隨粉煤灰的水化得以逐漸釋放,因此新拌粉煤灰混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失小。另外,目前生產(chǎn)的水泥含堿量不斷提高,粉煤灰的使用大大節(jié)約水泥熟料,抑制堿——骨料反應(yīng);水泥中C3A含量少,水化產(chǎn)生的熱量少,減少了混凝土構(gòu)件由于內(nèi)外溫差過(guò)大而引起其表面開(kāi)裂的危險(xiǎn);粉煤灰水化消耗大量Ca(OH)2,混凝土不耐蝕成分減少,因而耐化學(xué)侵蝕性比普通混凝土強(qiáng)得多。同時(shí)徐變、干縮等變形性能也優(yōu)于普通混凝土綜上所述,大摻量粉煤灰高性能混凝土具有令人滿意的工作性、耐久性,力學(xué)性能也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,盡管早期強(qiáng)度低,但后期強(qiáng)度高,強(qiáng)度儲(chǔ)備大。用高質(zhì)量的粉煤灰取代部分水泥可大大改善新拌混凝土的工作性,因?yàn)椋?
(1)粉煤灰是由大小不等的球狀顆粒的玻璃體組成,表面光滑致密,在混凝土拌合物中能起滾珠作用;
(2)新拌混凝土中水泥顆粒易聚集成團(tuán),粉煤灰的摻入可有效分散水泥顆粒,釋放更多的漿體來(lái)潤(rùn)滑骨料;
(3)能減少用水量,使混凝土的水灰比降到更小水平,減少泌水和離析現(xiàn)象;
(4)具有良好的保水性,有利于泵送施工良好的工作性可大大改善混凝土的外觀質(zhì)量,同時(shí)也是混凝土內(nèi)在質(zhì)量的保證大摻量粉煤灰混凝土的良好的工作性能,對(duì)于解決目前混凝土存在的許多問(wèn)題有很重要的作用。通過(guò)對(duì)粉煤灰摻量不同的新拌高性能混凝土進(jìn)行坍落度試驗(yàn)表明,摻加粉煤灰對(duì)混凝土工作性的改善十分明顯,各摻量粉煤灰混凝土的坍落度均大于基準(zhǔn)混凝上。取代率大于40%以后,隨著摻量的提高,由于粉煤灰的密度比水泥小,膠凝材料體積增大,需水量會(huì)有所上升,但即使粉煤灰摻量高達(dá)70%,混凝土坍落度仍大于基準(zhǔn)混凝土。同時(shí),在實(shí)踐中可看到粉煤灰高性能混凝土的粘聚性·保水性好,無(wú)離析泌水現(xiàn)象。
2.粉煤灰在混凝土中的機(jī)理分析
(1)粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)粉煤灰的主要礦物組成是海綿狀玻璃體,鋁硅酸鹽玻璃微珠,這些球狀玻璃體表面光滑、粒度細(xì),質(zhì)地致密,內(nèi)比表面積小,不僅使水泥漿需水量小,而且它們往往填充水泥漿體孔隙中,使混凝土密實(shí)性大大提高,或者在相同用水量的情況下,可增大流動(dòng)性,改善和易性和可泵性。
(2)粉煤灰的微集料效應(yīng)粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中,阻止了水泥顆粒的相互粘聚,而處于分散狀態(tài)有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行,同時(shí)減少了用水量,硬化后混凝土孔隙率降低,使密實(shí)度得以提高。
(3)粉煤灰的活性效應(yīng)粉煤灰的活性效應(yīng)也稱火山灰效應(yīng),粉煤灰中的活性成份SiO2和AI2O3與水泥和石灰的水化產(chǎn)物在水溶液中發(fā)生反應(yīng),生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣,繼而與石膏反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣。上述這些反應(yīng)幾乎都是在水泥漿孔隙中進(jìn)行的,大大降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率,改變了孔結(jié)構(gòu),提高了混凝土的密實(shí)度。
長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外的混凝土中常摻有一定量粉煤灰,但作為水泥的替代材料,絕大多數(shù)情況下是以如下三種方式應(yīng)用的:在旱期強(qiáng)度要求很低,長(zhǎng)期強(qiáng)度大約在2535MPa的大體積混凝土中,大摻量的替代水泥使用;在結(jié)構(gòu)混凝土里較少量的替代水泥(10%~25%);在強(qiáng)度要求很低的回填或道路基層里大量使用。由于高效減水劑的應(yīng)用,使混凝土的水膠比可以大幅度降低,從而使摻用粉煤灰的性能能夠大幅度的提高。
大摻量粉煤灰混凝土作為一種新型材料,具有自身獨(dú)特的優(yōu)越性,但是目前應(yīng)用范圍不大,這與人們的傳統(tǒng)觀念及技術(shù)上的差距有關(guān)。隨著該項(xiàng)技術(shù)不斷完善,大摻量粉煤灰混凝土一定會(huì)在各項(xiàng)建設(shè)中大顯身手人類要尋求與自然和諧,大摻量粉煤灰混凝上必將以其優(yōu)良的性能在保護(hù)環(huán)境、協(xié)調(diào)人類與自然的關(guān)系等方面起到積極的作用,擁有廣闊的應(yīng)用前景。
當(dāng)然,任何事物都有它的兩面性,大摻量粉煤灰混凝土也存在局限性。
其中,粉煤灰—水泥—化學(xué)外加劑之間的相容性,表現(xiàn)為混凝土水膠比能否有效地降低,使粉煤灰能充分發(fā)揮作用,自然是應(yīng)用這種混凝土首先要檢驗(yàn)的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō),當(dāng)水膠比只能在0.40以上時(shí),在中等強(qiáng)度要求的混凝土中使用的效果就可能成問(wèn)題了。其次,由于大摻量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度減少,因此對(duì)于水泥質(zhì)量的穩(wěn)定性和粉煤灰品質(zhì)的穩(wěn)定性就比較高,當(dāng)兩者的質(zhì)量產(chǎn)生波動(dòng)時(shí),會(huì)給使用效果帶來(lái)明顯的影響。不過(guò)大摻量粉煤灰混凝土的水膠比較低這一特性,也有減小混凝土性能波動(dòng)的益處。同時(shí),從拌合物的工作度檢驗(yàn)中,操作人員比較易于獲得粉煤灰質(zhì)量發(fā)生了波動(dòng)的信息,便于及時(shí)采取措施減小或避免損失。此外,工程所在地附近一定半徑范圍里,有可以適用的粉煤灰來(lái)源也十分重要,過(guò)長(zhǎng)的運(yùn)輸距離不僅使粉煤灰使用費(fèi)用增加,也給及時(shí)滿足工程對(duì)粉煤灰貨源的需求帶來(lái)困難。
另外,在使用大摻量粉煤灰混凝土?xí)r,需要注意以下施工條件和事項(xiàng):
1) 配制混凝土的骨料級(jí)配良好,以減小空隙率,利于水膠比降低,保證使用效果;
2) 必須采用強(qiáng)制性攪拌機(jī)拌合這種混凝土,以保證其均勻性,由于它比較粘稠,在出機(jī)口、罐車進(jìn)料口、入泵口以及攤鋪過(guò)程要采取相應(yīng)措施;
3) 混凝土坍落度應(yīng)控制比普通混凝土減小(不影響泵送與震搗);澆注后,要及早噴灑養(yǎng)護(hù)劑或覆蓋外露表面,但一般情況下無(wú)需噴霧或澆水養(yǎng)護(hù);
4) 氣溫過(guò)低時(shí),要采用保溫養(yǎng)護(hù)措施,且適當(dāng)延緩拆模時(shí)間,使混凝土硬化和強(qiáng)度發(fā)展?jié)M足施工需要。
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