粉煤灰的特性及對(duì)混凝土的影響研究

1、粉煤灰的特性及對(duì)混凝土的影響研究引言粉煤灰作為一種活性礦物摻合料，由結(jié)晶體、 玻璃體及少量未燃盡的炭粒組成，所含的活性組分主要是活性SiO2、Al2O3等，在水的作用下能與堿性物質(zhì)或者硫酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有膠凝性質(zhì)的穩(wěn)定化合物。粉煤灰通常作為混凝土原材料的摻量使用，其組成、 結(jié)構(gòu)和性能的技術(shù)信息是粉煤灰混凝土有關(guān)的重要技術(shù)參數(shù)。粉煤灰的特性粉煤灰的外形特征圖 1粉煤灰目測(cè)形態(tài)由圖 1粉煤灰的外觀可以看出：粉煤灰的外觀近似于水泥的顏色，介于乳白到灰黑之間。 粉煤灰的顏色是一項(xiàng)重要的質(zhì)量指標(biāo)，可以反映出含碳量的多少和差異，在一定程度上可以反映粉煤灰的細(xì) 度。直觀顏色越深、粒度越細(xì)的粉煤灰，其

2、含碳量越高。粉煤灰有低鈣粉煤灰與高鈣粉煤灰之分。粉煤灰的顏色偏黃證明為高鈣粉煤灰。高鈣粉煤灰中的游離氧化鈣含量高，體積安定性差， 其抑制堿集料反應(yīng)能力不及低鈣粉煤灰。 低鈣粉煤灰的顏色偏灰， 廣泛用于基建混凝土工程中。粉煤灰的顆粒呈多孔型蜂窩狀，比表面積大， 具有較強(qiáng)的吸附性能。粉煤灰在顯微鏡下的形態(tài)特征分規(guī)則與不規(guī)則兩種。圖 2粉煤灰在顯微鏡下的形態(tài)由圖 2 可以看出粉煤灰的微觀形態(tài)：粉煤灰是由玻璃體 （一般為氧化硅和氧化鋁）、晶體（一般為莫來石和石英）及少量未燃炭構(gòu)成 的復(fù)雜混合物。 3 種產(chǎn)物的比例與粉煤灰生產(chǎn)原材料及過程有關(guān)。一般情況下， 玻璃體的含量大于50%。玻璃體中有光滑規(guī)則的球

3、體形玻璃體粒子及形狀不規(guī)則少孔和多孔稀疏的球狀玻璃體等，而未燃炭多呈疏松多孔形式，它們互相交叉混合在粉煤灰中。粉煤灰的物理特性按粉煤灰的顆粒形貌可將粉煤灰分為：玻璃微珠、海綿狀玻璃體（包括顆粒較小、較密實(shí)、孔隙小的玻璃體和顆粒較大、疏松多 孔的玻璃體）、碳粒。其中大部分是海綿狀玻璃體，顆粒分布極不均 勻，必須通過研磨處理，改善其性能的差異性。粉煤灰的顆粒直徑為0.5 300m，其密度為 2.02.9g/cm3，堆積密度為 0.53 1.26g/cm3，比表面積為900 8000cm2/g，吸水量為 90% 130%。粉煤灰的化學(xué)特性由表 1 可以看出， 粉煤灰作為一種火山灰質(zhì)混合材料，由多種氧

4、化物混合組成，主要包含O、Si、Al 、Fe、Ca、Mg、S、Na、K 等化學(xué)元素。 粉煤灰中的 SiO2 含量最高， 高細(xì)度的 SiO2 具有很高的活性，即在水泥水化產(chǎn)物Ca（ OH） 2 的堿性激發(fā)下， SiO2 能與 Ca（ OH） 2迅速反應(yīng)，生成水化鈣凝膠（C-S-H），提高混凝土強(qiáng)度并改善混凝土性能。由于粉煤灰成分與水泥中的主要成分差不多，所以可以用來替代混凝土中的部分水泥來達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。粉煤灰反應(yīng)活性主要來自活性玻璃體SiO2 和 Al2O3 的水化作用，在一定的堿性條件下生成具有水硬膠凝性能的化合物。粉煤灰的適用混凝土范圍粉煤灰的主要特點(diǎn)是資源多、成本低、適用范圍廣；缺點(diǎn)

5、是 早期強(qiáng)度偏低。粉煤灰可用于配制泵送混凝土、大體積混凝土、抗?jié)B 混凝土、蒸養(yǎng)混凝土、地下工程混凝土、水下混凝土、抗化學(xué)侵蝕混 凝土和抑制堿骨料反應(yīng)混凝土等除需要早強(qiáng)外的各種類型混凝土。粉煤灰按質(zhì)量劃分為級(jí)、級(jí)和級(jí)，其適用范圍如下：）級(jí)粉煤灰可用于抗凍、防腐蝕等有耐久性設(shè)計(jì)要求的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)工程。）級(jí)粉煤灰廣泛用于鋼筋混凝土及素混凝土結(jié)構(gòu)工程中，不宜用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中。當(dāng)級(jí)粉煤灰的需水量比小于 100%時(shí)，可用于有抗凍、防腐蝕等有耐久性要求的混凝土。）級(jí)粉煤灰主要用于C30 以下的素混凝土。粉煤灰對(duì)混凝土的影響拌制混凝土用粉煤灰的技術(shù)要求細(xì)度要求細(xì)度要求用45m的負(fù)壓篩析儀

6、法進(jìn)行，篩析時(shí)間不大于3min，標(biāo)準(zhǔn)按水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法 （GB/T1345）執(zhí)行。級(jí)粉煤灰細(xì)度不大于 12.0%；粉煤灰細(xì)度不大于30.0%；級(jí)粉煤灰細(xì)度不大于 45.0%。2018 年 6 月 1 日正式實(shí)施用于水泥和混凝土中的粉煤灰（ GB/T1596-2017 ），代替用于水泥和混凝土中的粉煤灰（ GB/T1596-2005），要求級(jí)粉煤灰細(xì)度不大于30.0%（原為 25.0%）。需水量比粉煤灰的需水量比和燒失量不可忽視。需水量比測(cè)定試驗(yàn)方法是測(cè)定試驗(yàn)?zāi)z砂和對(duì)比膠砂 （用 0.5 1.0mm 的標(biāo)準(zhǔn)砂） 的流動(dòng)度， 二者達(dá)到規(guī)定流動(dòng)度范圍時(shí)的加水量之比即為粉煤灰的需水量比。需水量比體現(xiàn)了

7、粉煤灰對(duì)混凝土最直觀的工作性能，以及對(duì)硬化后混凝土的強(qiáng)度， 是粉煤灰和水的混合物達(dá)到某一流動(dòng)度下所需的用水量，粉煤灰需水量越小，工程利用價(jià)值越高。燒失量粉煤灰的燒失量即粉煤灰中未燃碳的有害成分：燒失量大多表現(xiàn)出含碳量高， 用于混凝土中的粉煤灰需水量也大，配制的混凝土的工作性差， 蹋損過大不利于振搗； 需水量大導(dǎo)致混凝土的水膠比也增加，嚴(yán)重影響了粉煤灰的作用發(fā)揮，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度偏低；另一方 面還會(huì)影響混凝土耐久性等諸多因素。鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)（ TB10424-2018）中的 6.2.2 條明確了粉煤灰中未然燒顆粒對(duì)外加劑具有很強(qiáng)的吸附作用，尤其對(duì)引氣劑、 凍融環(huán)境應(yīng)嚴(yán)格控制粉煤灰中

8、的燒失量， 凍融破壞環(huán)境下混凝土所用粉煤灰的燒失量不宜大于 3.0%。SO3、CaO 與 C3A （即鋁酸三鈣）會(huì)生成鈣礬石，鈣礬石體積膨脹會(huì)導(dǎo)致混凝土的破壞， 因此，鐵路混凝土應(yīng)選擇低鈣粉煤灰。粉煤灰對(duì)新拌混凝土的摻量研究以 C35 泵送混凝土配合比為例： 坍落度 160 200mm，砂率（ Ps）=44%。水泥：重慶合川冀東水泥有PO42.5。粉煤灰：重慶華珞級(jí)灰（細(xì)度22%，燒失量 3.0%，需水量比 100%）。機(jī)制砂：重慶合川高枧（細(xì)度模數(shù)Mx=2.8 ） 。碎石：重慶合川高枧，顆粒級(jí)配520mm（ 510mm30%， 1020mm70%），最大粒徑為 26.5mm。外加劑：重慶天耀

9、TY-J25 型聚羧酸高性能減水劑（減水率27%）。水：地下水。摻入不同替代量粉煤灰的混凝土的配合比如表2 所示。摻加粉煤灰在混凝土中起到了和水泥類似的水化作用，從而節(jié)約了大量的水泥，還有其細(xì)度也低，節(jié)約了細(xì)骨料，降低了成本。 相對(duì)于使用純水泥的混凝土，添加了粉煤灰的混凝土， 由于其水化的需水量小于水泥的水化熱， 從而減少了混凝土用水量和降低了熱能膨脹性。又由于粉煤灰在堿性條件下生成具有水硬膠凝性能的產(chǎn)物與混 凝土中水泥產(chǎn)物交叉形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗?jié)B透性能。經(jīng)濟(jì)效益也卓見成效：它的替代摻量相當(dāng)于節(jié)約10% 30%，甚至達(dá) 45%以上的水泥用量。 在普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（ JGJ5

10、5-2011）中粉煤灰的影響系數(shù)明確了摻量與影響系數(shù)關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)境及影響條件經(jīng)試驗(yàn)確定最佳摻量。粉煤灰對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響混凝土強(qiáng)度是混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，粉煤灰的加入對(duì)混凝土強(qiáng)度影響至關(guān)重要，不摻粉煤灰與不同摻量粉煤灰C35混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度見表3。由圖 3 可以看出，粉煤灰替代部分水泥會(huì)導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度有所下降， 尤其是早期強(qiáng)度； 因粉煤灰摻入后對(duì)混凝土起到一定的緩凝作用，其 28d 齡期強(qiáng)度雖然都能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度C35 的強(qiáng)度值，但從圖 3 的線性關(guān)系圖上可以看出， 后期 56d 齡期的強(qiáng)度比不摻粉煤灰的強(qiáng)度都高。所以粉煤灰替代部分水泥對(duì)于混凝土強(qiáng)度與相應(yīng)的齡期 有關(guān)，隨著齡期

11、的增長表明后期強(qiáng)度越高，對(duì)于鐵路混凝土（ TB/T3275-2011）有耐久性要求的混凝土，其是相當(dāng)可行的。粉煤灰對(duì)抗氯離子滲透性能的影響TB/T3275-2011 規(guī)定設(shè)計(jì)使用年限為100 年的 C30C45 混凝土電通量小于1200C，表 4 為不同粉煤灰摻量的電通量試驗(yàn)結(jié)果，滿足規(guī)范要求。隨粉煤灰摻量的增加，其電通量逐漸下降，同時(shí)驗(yàn)證了粉煤灰摻于混凝土中明顯提高了混凝土的抗氯離子滲透性。摻粉煤灰對(duì)混凝土的溫度影響粉煤灰能顯著降低水泥水化產(chǎn)生的溫升。因?yàn)樗膿饺耄?在保持混凝土的膠凝材料總量不變的條件下，相應(yīng)降低了混凝土中的水泥用量，因而水泥的水化熱量降低，摻量越大，降低越多。盡管其本 身在混凝土中將產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，要釋放水化熱，但是，這種反應(yīng)滯 后于混凝土中的水泥水化反應(yīng)，而且時(shí)間也很長， 其反應(yīng)熱可以忽略不計(jì)。所以，粉煤灰有良好的溫峰消減效應(yīng)，能減少因溫升過大造成 的混凝土開裂，尤其是提高了大體積混凝土穩(wěn)定性。粉煤灰在混凝土中的其他性能影響粉煤灰顆粒小， 可以填充到水泥顆粒中間的空隙中，使混凝土更加密實(shí)， 同時(shí)由于粉煤灰二次水化作用的生成物會(huì)堵塞混凝土中的滲透通道， 所以摻