粉煤灰4332862502.doc

簡介：以水泥150kg/m3、粉煤灰200kg/m3，不摻引氣劑并摻高效減水劑將水膠比降至0.29，所配制的大摻量粉煤灰高強(qiáng)混凝土7天強(qiáng)度可達(dá)34MPa；28天52MPa；90天70MPa；365天98MPa。 關(guān)鍵字：粉煤灰,混凝土,應(yīng)用 一、概述早在2000多年前的古羅馬時期，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等，這些建筑現(xiàn)在仍然安然無恙，2000年還有報道意大利人正在翻修圓形劇場，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，大量的實踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其長期性能得到大幅度的改善，對延長結(jié)構(gòu)物的使用壽命有重要意義。 80年代初，美國佛羅里達(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，對原來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1850%。 摻粉煤灰混凝土的另一典型實例，是1982年英國的Garwick機(jī)場的停機(jī)坪擴(kuò)建工程，該工程在兩條相鄰的道面上對摻與不摻粉煤灰混凝土進(jìn)行了對比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。這個實際工程事例一方面說明：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；另一方面，對長期以來沿用的，以28d齡期的快速實驗結(jié)果評價不同類型混凝土的耐久性提出了質(zhì)疑。 粉煤灰在混凝土公路路面中的應(yīng)用舉一個例子。Mehta教授曾提到3：在美國大約70%的低交通量公路與地方公路需要升級，考慮用大摻量粉煤灰代替水泥以降低造價，電力研究院(EPRI)出資搞了幾個示范工程：在北達(dá)科他州，1988和1989年夏天，用20000m3粉煤灰混凝土鋪筑厚為200mm的路面，其水膠比為0.43，水泥用量100Kg/m3、粉煤灰220Kg/m3。 大摻量粉煤灰混凝土的成功試驗，使其在哈利法克斯的帕克林購物中心施工中用于澆注巨大的柱子，拌合物含55低鈣粉煤灰、45硅酸鹽水泥，以及就地取材的砂、石和高效減水劑。這些柱子一共用去700m3大摻量粉煤灰混凝土；在哈利法克斯海邊處于海洋環(huán)境的建筑物群施工中也得到應(yīng)用。該建筑物位于海邊，包括兩幢商業(yè)大廈的公共建筑，其32根直徑1.2m和30根直徑1.1m的框架柱沉箱，平均長度在21m。采用大摻量粉煤灰混凝土的首要原因，是其抗?jié)B性能優(yōu)異。在渥太華附近的大衛(wèi)伏勞瑞達(dá)實驗室，工程師們用CANMET開發(fā)的大摻量粉煤灰混凝土設(shè)計了一個重360噸的混凝土平臺。為了降低水化熱，以粉煤灰、型（低熱）水泥、水、粗細(xì)骨料、引氣劑和高效減水劑混合配制。平臺的尺寸是78m，平均厚度2.25m，安放在多個充氣圓柱體上，因此其震動與地面分離。由于粉煤灰混凝土特殊的品質(zhì)，發(fā)射火箭產(chǎn)生的沖擊不會引起平臺共振。隨著齡期增長，平臺混凝土的共振頻率以每年0.05Hz的速度增長，質(zhì)量越來越好。在該平臺上成功地發(fā)射了愛那克依火箭的事實雄辯地證明：粉煤灰混凝土可以看作是真正的太空時代的建筑材料。 在建筑工程中，我們與北京城建集團(tuán)總公司構(gòu)件廠合作，在自密實混凝土中摻用3045%粉煤灰作為增粘劑，保證了這種混凝土有足夠粘聚性，不致發(fā)生離析與泌水現(xiàn)象，而且可在數(shù)小時里幾乎沒有坍落度損失，滿足長途運(yùn)輸后仍然能夠自密實的效果。該成果（大摻量粉煤灰混凝土在建筑工程中的應(yīng)用）于1998年12月獲得北京市科技進(jìn)步三等獎。 在公路工程建設(shè)中，由我們提供技術(shù)咨詢服務(wù)，自1994年以來于廣東深-汕等四條近100km高速公路路面混凝土中摻用粉煤灰2040%，取得明顯提高滑模攤鋪機(jī)攤鋪路面板的質(zhì)量（提高路面宏觀平整度、明顯減少開裂）、減小進(jìn)口設(shè)備損耗并降低水泥用量等技術(shù)與經(jīng)濟(jì)綜合效益。二、混凝土的結(jié)構(gòu)與性能為了便于認(rèn)識粉煤灰在混凝土中的作用，先來看看混凝土的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系?；炷潦怯纱笮〔煌念w粒所組成的，大顆粒粗骨料的空隙由中小顆粒的粗骨料（石子）填充；粗骨料顆粒的空隙由細(xì)骨料（砂子）填充，它的顆粒也是有粗有細(xì)，細(xì)顆粒填充粗顆粒之間的空隙；水泥漿則填充粗細(xì)骨料堆積體的大小空隙，并包裹它們形成一層潤滑層，使新拌混凝土（也稱拌合物）具有一定的工作性，能在外力或本身的自重作用下成型密實。硬化混凝土是一種復(fù)雜的、多相的復(fù)合材料，它的結(jié)構(gòu)主要包括三個相骨料、硬化水泥漿體以及二者之間的過渡區(qū)，說它復(fù)雜是因為它很不勻質(zhì)，三、粉煤灰在混凝土中的作用了解混凝土的微結(jié)構(gòu)的特性及其對性能的影響后，就可以更好地認(rèn)識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幾方面： 1）填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤滑層，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，在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。 2）對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，水化緩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)了薄弱的過渡區(qū)，對改善混凝土的各項性能有顯著作用。 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，對防止混凝土產(chǎn)生溫度裂縫十分有利。 由于混凝土技術(shù)的進(jìn)展，使混凝土可以在比較低的水膠比條件下制備，這就使粉煤灰在混凝土中的作用出現(xiàn)顯著地變化。而近些年來水泥活性增大、混凝土設(shè)計等級提高促使水泥用量增大，以及構(gòu)件斷面尺寸加大，在混凝土體溫度上升的前提下，進(jìn)一步促進(jìn)了粉煤灰在混凝土中作用的發(fā)揮，以至可以說：粉煤灰在許多情況下可以起到水泥所起不到的作用，成為優(yōu)質(zhì)混凝土必不可少的組分之一。 四、大摻量粉煤灰混凝土 大摻量粉煤灰混凝土不僅強(qiáng)度發(fā)展效果良好，而且各種耐久性能也十分優(yōu)異。由于能夠明顯降低水化溫升，也大大減小了混凝土早期出現(xiàn)開裂的危險，可以說是一種適用于除了早期強(qiáng)度要求非常高以外，能夠滿足各種工程條件，尤其是侵蝕性嚴(yán)酷環(huán)境要求的高性能混凝土。例如公路路面板、橋面板就是這樣一類結(jié)構(gòu)，不僅工作環(huán)境嚴(yán)酷，而且需要耐磨性良好。大摻量粉煤灰混凝土的后期強(qiáng)度增長幅度大，恰好滿足了這樣的要求強(qiáng)度和耐磨性隨著時間不斷增長。但是目前的耐磨性試驗不適宜于判斷這種混凝土的耐磨性，因為通常就在28天齡期進(jìn)行快速試驗用鋼球在試件上快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨耗量來評價。這也說明：推廣新材料、新技術(shù)需要伴隨試驗評價方法的改進(jìn)。 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的問題。一般來說，當(dāng)水膠比只能在0.40以上時，在中等強(qiáng)度要求的混凝土中使用的效果就可能成問題了。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)生波動時，會給使用效果帶來明顯的影響。不過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的益處。同時，從拌合物的工作度檢驗中，操作人員比較易于獲得粉煤灰質(zhì)量發(fā)生了波動的信息，便于及時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源也十分重要，過長的運(yùn)輸距離不僅使粉煤灰使用費(fèi)用增加，也給及時滿足工程對粉煤灰貨源的需求帶來困難。 五、混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展混凝土材料是當(dāng)今用量最大、用途最廣泛的建筑材料，據(jù)統(tǒng)計，每年全世界的耗用量接近100億噸。如此巨大的用量，伴隨著生產(chǎn)、使用過程帶來礦石資源、能源的消耗，以及對大氣和環(huán)境造成的污染，已引起全世界業(yè)內(nèi)的關(guān)注。 我國的水泥產(chǎn)量多年來居世界首位，占1/3以上。同時我國粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，有關(guān)部門仍在計劃投資建設(shè)更多水泥廠。過去在混凝土里摻用粉煤灰，是為了節(jié)約水泥、降低工程材料費(fèi)用，今天對混凝土摻用粉煤灰的認(rèn)識，應(yīng)該提高到保護(hù)環(huán)境、保護(hù)資源，使混凝土材料可長久地持續(xù)應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的高度上來認(rèn)識。 大摻量粉煤灰混凝土不僅可以改善混凝土的各項性能，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，同時可以大幅度減小耗費(fèi)能源多、污染環(huán)境嚴(yán)重的硅酸鹽水泥用量，因此也是一種綠色混凝土。從這個角度出發(fā)，推廣大摻量粉煤灰混凝土在我國土木建筑工程中的應(yīng)用，是一件于國于民有顯著效益的事業(yè)，必定有強(qiáng)大的生命力，有廣闊的發(fā)展前景。自從上個世紀(jì)80年代以來，人類意識到了由于自身活動帶來的環(huán)境問題，逐步提出了綠色建筑、綠色建材的概念，世界各國已經(jīng)開始采取措施控制建筑對生態(tài)環(huán)境的破壞。提倡綠色建筑，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要措施之一，綠色建材的發(fā)展擔(dān)當(dāng)著重要的歷史使命。1 綠色建材的概念1988年第一屆國際材料科學(xué)研究會提出了“綠色材料（green materials）”的概念，國際學(xué)術(shù)界1992年定義綠色材料是指在原料采取、產(chǎn)品制造、應(yīng)用過程和使用以后的再生循環(huán)利用等環(huán)節(jié)中，對地球環(huán)境負(fù)荷最小和對人類身體健康無害的材料。我國在1999年召開的首屆全國綠色建材發(fā)展與應(yīng)用研討會上，明確提出綠色建材(Green Building Materials)是指采用清潔生產(chǎn)技術(shù)，不用或少用天然資源和能源，大量使用工農(nóng)業(yè)或城市固態(tài)廢棄物生產(chǎn)的無毒害、無污染、無放射性，達(dá)到使用周期后可回收利用，有利于環(huán)境保護(hù)和人體健康的建筑材料。國際上也稱“生態(tài)建材”、“健康建材”或“環(huán)保建材”。綠色建材是生態(tài)環(huán)境材料在建筑材料領(lǐng)域的延伸，從廣義上講，綠色建材不是一種單獨(dú)的建材產(chǎn)品，而是對建材“健康，環(huán)保，安全”等屬性的一種要求，對原材料生產(chǎn)、加工、施工、使用及廢棄物處理等環(huán)節(jié)，貫徹環(huán)保意識并實施環(huán)保技術(shù)，達(dá)到環(huán)保要求。綠色建材定義的形成,有力地推動了我國綠色建材產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。2 綠色建材的特征傳統(tǒng)建筑材料的制造、使用以及最終的循環(huán)利用過程都產(chǎn)生了污染，破壞了人居環(huán)境和浪費(fèi)了大量能源。綠色建材與傳統(tǒng)建材相比可歸納以下五個方面的基本特征：1）綠色建材生產(chǎn)盡可能少用天然資源,大量使用尾礦、廢渣、垃圾等廢棄物；2）采用低能耗和無污染的生產(chǎn)技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備；3）在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,不使用甲醛、鹵化物溶劑或芳香族碳?xì)浠衔铮划a(chǎn)品中不含汞、鉛、鉻和鎘等重金屬及其化合物；4）產(chǎn)品的設(shè)計是以改善生產(chǎn)環(huán)境、提高生活質(zhì)量為宗旨,產(chǎn)品具有多功能化,如抗菌、滅菌、防毒、除臭、隔熱、阻燃、防火、調(diào)溫、調(diào)濕、消磁、防射線、抗靜電等；5）產(chǎn)品可循環(huán)或回收及再利用,不產(chǎn)生污染環(huán)境的廢棄物?？梢?，綠色建材能夠滿足可持續(xù)發(fā)展的需要。既滿足了人們對健康、安全、舒適、美觀的居住環(huán)境的需要，又沒有損害子孫后代對環(huán)境和資源的更大需求，做到了經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展與生態(tài)環(huán)境效益的統(tǒng)一，當(dāng)前利益與長遠(yuǎn)利益的結(jié)合。3 綠色建材的分類根據(jù)綠色建材的特點(diǎn)，可以大致分為以下5類：1）節(jié)省能源和資源型2）環(huán)保利廢型3）特殊環(huán)境型4）安全舒適型5）保健功能型4 傳統(tǒng)建筑材料的綠色化未來建材工業(yè)總的發(fā)展原則應(yīng)該具有健康、安全、環(huán)保的基本特征，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐用、多功能的優(yōu)良技術(shù)性能和美學(xué)功能，還必須符合節(jié)能、節(jié)地、利廢三個條件。通常使用的建筑材料包括了水泥、混凝土及其制品，各種玻璃、鋼材、鋁材、木材、高分子聚合材料、建筑衛(wèi)生陶瓷等，以下我們就對這些材料的可持續(xù)性進(jìn)行分析。4.1 水泥與混凝土類建材綠色化4.2 建筑玻璃的綠色化方向4.3 建筑用金屬材料的綠色化4.4 木材的綠色化生產(chǎn)4.5 化學(xué)建材的綠色化4.6 建筑衛(wèi)生陶瓷的綠色化5 新型的綠色化建筑材料5.1 透明的絕緣材料5.2 相變材料5.3 硅纖陶板5.4 玻晶磚6 綠色建材的發(fā)展趨勢近二十年來，歐美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家對綠色建材的發(fā)展非常重視，已就建筑材料對室內(nèi)空氣的影響進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究工作，并制訂了嚴(yán)格的法規(guī)。1992年聯(lián)合國召開了環(huán)境與發(fā)展大會，1994年聯(lián)合國又增設(shè)了可持續(xù)產(chǎn)品開發(fā)工作組。隨后，國際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)也開始討論環(huán)境調(diào)和制品的標(biāo)準(zhǔn)化，大大推動著國內(nèi)外綠色建材的發(fā)展。6.1 綠色建材在國外的發(fā)展為了綠色建材的發(fā)展，1978年德國發(fā)布了第一個環(huán)境標(biāo)志“藍(lán)天使”，使7500 多種產(chǎn)品得到認(rèn)證。美國環(huán)保局(EPA)和加州大學(xué)設(shè)置了室內(nèi)空氣研究計劃，研究和制訂了評價建筑材料釋放VOC的理論基礎(chǔ)，確定了測試建筑材料釋放VOC的體系和方法，提出了預(yù)測建筑材料影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型。1988年加拿大開始環(huán)境標(biāo)志計劃，至今已經(jīng)有14個類別的800 多種產(chǎn)品被授予環(huán)境標(biāo)志。丹麥、挪威推出了“健康建材”(HMB)標(biāo)準(zhǔn)，國家法律規(guī)定，對于所出售的涂料等建材產(chǎn)品，在使用說明書上除了標(biāo)出產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)外，還必須標(biāo)出健康指標(biāo)。瑞典也積極推動和發(fā)展綠色建材，并已正式實施新的建筑法規(guī)，規(guī)定用于室內(nèi)的建筑材料必須實行安全標(biāo)簽制，并制訂了有機(jī)化合物室內(nèi)空氣濃度指標(biāo)限值。另外，芬蘭、冰島等國家于1989年實施了統(tǒng)一的北歐環(huán)境標(biāo)志。1988年日本開展環(huán)境標(biāo)志工作，至今已經(jīng)有2500 多種環(huán)保產(chǎn)品，十分重視綠色建材的發(fā)展。目前,國際對于綠色建材的發(fā)展走向有以下3個主流觀點(diǎn)：1）刪繁就簡：這主要是針對一些地方存在的鋪張浪費(fèi)和豪華之風(fēng)而言的。國外已經(jīng)將省錢(saving money)當(dāng)作可持續(xù)發(fā)展建筑的一項指標(biāo)。創(chuàng)造一種自然、質(zhì)樸的生活和工作環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展是一致的,也是建設(shè)節(jié)約型社會的必然要求。2）貼近自然：選用自然材料,提倡突出材料本身的自然特性,例如木結(jié)構(gòu)建筑。第一次世界大戰(zhàn)時期開始流行起來的稻草板建筑材料有其生態(tài)優(yōu)勢,其主要原料稻、麥草是可再生資源；生產(chǎn)制造過程中不會對生態(tài)環(huán)境造成污染等，這些都是發(fā)達(dá)國家的用材趨勢。3）強(qiáng)調(diào)環(huán)保：主要包括以下幾個方面。A、有益于人體健康，例如加拿大的Ecologo標(biāo)志計劃和丹麥的認(rèn)證標(biāo)志計劃等,就主要是從人體健康方面出發(fā)來考慮的。B、有益于環(huán)境，對于生態(tài)環(huán)境材料,不僅要求其不污染環(huán)境,而且還要求其能夠凈化環(huán)境。如帶有TiO2光催化劑的混凝土鋪路砌塊已開始走出試驗室,鋪設(shè)在交通繁忙的道路邊的步行道,進(jìn)行消除氮氧化物、凈化空氣的應(yīng)用性試驗。C、減少環(huán)境負(fù)荷。一是降低能量損耗,減少環(huán)境污染；二是充分利用廢棄物,以減少環(huán)境負(fù)荷。利用固體廢棄物研制建筑材料是綠色建材發(fā)展的最重要的途徑。6.2 綠色建材在中國的發(fā)展改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)、社會的快速發(fā)展和生活水平日益提高，人們對住宅的質(zhì)量與環(huán)保要求越來越高，使綠色建材的研究、開發(fā)及使用愈來愈深入和廣泛。建筑與裝飾材料的“綠色化”是人類對建筑材料這一古老的領(lǐng)域的新要求,也是建筑材料可持續(xù)發(fā)展的必由之路。我國的環(huán)境標(biāo)志是于1993年10月公布的。1994年5月17日中國環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品認(rèn)證委員會在北京宣告成立。1994年在6類18種產(chǎn)品中首先實行環(huán)境標(biāo)志，水性涂料是建材第一批實行環(huán)境標(biāo)志的產(chǎn)品。1998年5月，國家科技部、自然基金委員會和863計劃新材料專家組聯(lián)合召開了“生態(tài)環(huán)境材料討論會”，確定“生態(tài)環(huán)境材料”應(yīng)是同時具有滿意的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性，并能夠改善環(huán)境的材料。我國“綠色建材”的發(fā)展雖然取得了一些成果,但仍處于初級階段,今后要繼續(xù)朝著節(jié)約資源、節(jié)省能源、健康、安全、環(huán)保的方向發(fā)展,開發(fā)越來越多的、物美價廉的綠色建材產(chǎn)品,提高人類居住環(huán)境的質(zhì)量,保證我國社會的可持續(xù)發(fā)展。要實現(xiàn)綠色建材的可持續(xù)發(fā)展，我們必須做好以下幾個方面的工作。1）必須樹立可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)建材觀。要從人類社會的長遠(yuǎn)利益出發(fā),以人類社會的可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo),在這個大前提下來考慮與建筑材料生產(chǎn)、使用、廢棄密切相關(guān)的自然資源和生態(tài)問題,即建材的循環(huán)再生、資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化及與地球的協(xié)調(diào)性問題。2）要提高全民的環(huán)保意識,提倡綠色建材。社會環(huán)