李月英

(邯鄲市青紅高速公路管理處)

燃煤發(fā)電是我主要的發(fā)電形式,每年數(shù)以百計(jì)的火電廠向外排放了大量的粉煤灰。目前,我國(guó)每年的粉煤灰排放量已經(jīng)達(dá)到了 1.5億t,但粉煤灰的利用率一直較低,只占總量的 25%左右,留下的是堆積如山的粉煤灰,這在河北省各地乃至全國(guó)地區(qū)都是普遍的現(xiàn)象,怎樣把這些粉煤灰利用起來(lái),是各級(jí)政府非常關(guān)心的問(wèn)題,政府通過(guò)稅收優(yōu)惠政策鼓勵(lì)建材企業(yè)怎么科學(xué)研究、技術(shù)應(yīng)用,促進(jìn)新型建材的發(fā)展。

到 2010年底,河北省農(nóng)村公路通車?yán)锍虒⑦_(dá)到13萬(wàn) km以上,路網(wǎng)內(nèi)重要縣道貫通率大幅提高,農(nóng)村公路修筑混凝土路面,如果粉煤灰替代一部分水泥摻入混凝土中,不僅可以大量消耗工業(yè)廢渣粉煤灰,提高粉煤灰的利用效率,而且還能夠節(jié)約大量水泥。

1 粉煤灰的礦物組成及品質(zhì)

粉煤灰作為一種混凝土摻合料,其物理和化學(xué)性質(zhì)都會(huì)對(duì)其使用性能產(chǎn)生重要影響。

1.1 粉煤灰的礦物組成

粉煤灰中有不少結(jié)晶的礦物,如石英、莫來(lái)石、赤鐵礦、磁鐵礦等和玻璃體,并含有其他少量礦物,然而大量的還是非晶態(tài)玻璃體。研究表明,這些結(jié)晶的礦物在正常溫度下往往是惰性的,而非晶態(tài)的玻璃體卻具有化學(xué)活性。粉煤灰中玻璃體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,有關(guān)玻璃體結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果以及玻璃體結(jié)構(gòu)對(duì)粉煤灰活性影響的研究至今仍然較少。粉煤灰的礦物組成見(jiàn)表 1。

表1 粉煤灰礦物組成

1.2 粉煤灰品質(zhì)參數(shù)

(1)細(xì)度

電廠吸塵和分選的工藝決定了粉煤灰的細(xì)度,同時(shí)粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)與細(xì)度有很好的相關(guān)性,有試驗(yàn)已證明:在有水泥存在的條件下,粉煤灰越細(xì),其顆粒的比表面積就越大,與水泥反應(yīng)物接觸越充分,更有利于粉煤灰活性的激發(fā),這表現(xiàn)為粉煤灰火山灰活性隨著細(xì)度的提高而提高。即粉煤灰越細(xì),其反應(yīng)能力越強(qiáng),混凝土后期強(qiáng)度就會(huì)越高。

(2)需水量

粉煤灰的需水量比摻30%粉煤灰的硅酸鹽水泥膠砂與不摻粉煤灰的硅酸鹽水泥膠砂在相同稠度下的需水量的比值。這個(gè)數(shù)值越小,說(shuō)明粉煤灰的質(zhì)量越好。建筑科研院曾進(jìn)行過(guò)粉煤灰試樣研究以驗(yàn)證需水量比與混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)的關(guān)系,見(jiàn)表 2。

表2 粉煤灰需水量比與強(qiáng)度相關(guān)性

從表 2中可以看出,需水量比與混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)具有良好的相關(guān)性。相關(guān)性為負(fù),說(shuō)明需水量比小的粉煤灰摻入混凝土中,可增加其流動(dòng)度,改善和易性,提高混凝土強(qiáng)度。

(3)燒失量

燃煤在燃燒過(guò)程中通常不能完全燃燒,因此粉煤灰中含有殘留的未燃碳分,燒失量就是指粉煤灰在高溫煅燒下?lián)p失了的質(zhì)量。損失部分主要為未燒盡的固態(tài)碳,碳成分的增加,意味著有效活性成分的減少,因此要加以控制。由于多方面因素的影響,不同粉煤灰中殘留碳分含量差異較大,我國(guó)粉煤灰的未燃碳分范圍在1.2%～23.6%之間。

(4)SO3的含量

SO3的含量過(guò)高,會(huì)導(dǎo)致混凝土后期生成鈣釩石,對(duì)混凝土產(chǎn)生不利影響。因此,應(yīng)對(duì)粉煤灰中的 SO3含量進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2 粉煤灰對(duì)混凝土的改善作用

2.1 粉煤灰對(duì)混凝土工作性能的改善

由于粉煤灰顆粒大部分為光滑球狀,以粉煤灰置換一部分水泥后,若保持拌合物坍落度不變,混凝土的拌和用水量會(huì)明顯降低;若采用同樣的用水量,則拌合物的坍落度明顯提高。圖1是VonFay等采用粉煤灰等量取代水泥,同時(shí)保證混凝土坍落度基本相同的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 混凝土需水量與粉煤灰摻量的關(guān)系

以上的試驗(yàn)結(jié)果表明,無(wú)論粉煤灰的品質(zhì)如何,在一定摻量范圍內(nèi),粉煤灰都有一定的減水作用,粉煤灰對(duì)混凝土的工作性都有一定程度的改善作用。

2.2 粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的改善

粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度影響表現(xiàn)在三個(gè)方面:減少用水量、增大膠結(jié)材含量以及通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的火山灰反應(yīng)提高其強(qiáng)度。

粉煤灰的摻入可分散水泥顆粒,使水泥水化更充分,提高水泥漿的密實(shí)度,使混凝土中骨料與水泥漿的界面強(qiáng)度提高。粉煤灰對(duì)抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的貢獻(xiàn)比抗壓強(qiáng)度還要大,這對(duì)混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的彈性模量與抗壓強(qiáng)度相類似,早期偏低,后期逐步提高,到 28d時(shí)可比基準(zhǔn)混凝土提高 5%～10%。與鋼筋的握裹力,粉煤灰混凝土的 28d粘結(jié)強(qiáng)度基本與等標(biāo)號(hào)的基準(zhǔn)混凝土相同,但粉煤灰混凝土的均勻性好,粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)值的離散性比基準(zhǔn)混凝土好。

2.3 粉煤灰對(duì)混凝土耐久性能的改善

(1)抗凍性

粉煤灰混凝土的齡期在 28d以前時(shí),混凝土的孔結(jié)構(gòu)較純水泥混凝土的粗大,故粉煤灰混凝土的早期抗凍性較低。隨著粉煤灰摻量的增加,抗凍性下降的幅度也越大。但隨著齡期的增長(zhǎng),其抗凍性下降的幅度大大縮小。在等強(qiáng)度超量取代的條件下,則對(duì)抗凍性的影響不大。

(2)抗?jié)B性

粉煤灰中的微細(xì)顆粒均勻分布在水泥顆粒之中,發(fā)生火山灰反應(yīng)生成二次C-S-H凝膠,可以填充其中的孔隙,改善混凝土中水泥石的孔結(jié)構(gòu),使總的孔隙率降低,大孔數(shù)量減少,小孔數(shù)量增多,孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化,分布更為合理,混凝土更加密實(shí),抗?jié)B性能得以提高。同時(shí),粉煤灰的火山灰反應(yīng)是一個(gè)長(zhǎng)期進(jìn)行的過(guò)程,不斷進(jìn)行的火山灰反應(yīng),使粉煤灰混凝土的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,混凝土的抗?jié)B性也進(jìn)一步改善。

(3)堿-集料反應(yīng)

粉煤灰對(duì)有效抑制混凝土堿-集料反應(yīng)的作用已被世界公認(rèn)。一方面粉煤灰中的活性成分SiO2、Al2O3與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng),降低混凝土的堿度;另一方面粉煤灰較大的比表面可吸收K+、Na+、OH-,使之富集在粉煤灰微粒的表面,使骨料周圍的堿金屬離子及 OH-減少,降低混凝土孔隙中的堿濃度,從而削弱了混凝土的堿-集料反應(yīng)。

2.4 粉煤灰對(duì)混凝土耐磨性能的改善

摻加粉煤灰可以提高混凝土的耐磨性能,一方面是水化程度的問(wèn)題,水化充分,提高了水泥石自身結(jié)構(gòu)的均勻密實(shí)度,強(qiáng)度提高,混凝土的耐磨性能增強(qiáng);另一方面,為保證混凝土強(qiáng)度等效,水泥 -粉煤灰混凝土中水膠比比普通水泥混凝土中的水膠比小,粉煤灰的加入填充了部分空隙,使得混凝土中顆粒分布更均勻,彌補(bǔ)了混凝土部分缺陷,使得混凝土耐磨性得到改善。

3 小 結(jié)

本文主要論述了粉煤灰的組成和對(duì)混凝土的改善作用,針對(duì)粉煤灰及其對(duì)混凝土的作用和粉煤灰混凝土的性能進(jìn)行了分析,討論了粉煤灰混凝土相比于普通水泥混凝土在力學(xué)性能和使用性能各方面改善作用。合理利用使用粉煤灰既能解決粉煤灰所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題,符合國(guó)家環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的政策,又能夠?qū)⑵渥鳛橐粋€(gè)新興的資源以發(fā)展多種實(shí)用性產(chǎn)品。因此在水泥混凝土中合理?yè)饺敕勖夯?既有利于公路工程的建設(shè),又節(jié)約工程造價(jià),是值得推廣的節(jié)能環(huán)保措施。

[1] 楊志兵.粉煤灰在高速公路水泥混凝土路面中的應(yīng)用[J].科技信息,2007,(34).

[2] 胡如進(jìn) .水泥水化熱對(duì)混凝土早期開(kāi)裂的影響[J].水泥, 2007,(4).

[3] 錢覺(jué)時(shí).粉煤灰特性與粉煤灰混凝土[M].科學(xué)出版社, 2002.

[4] 劉毅 .摻粉煤灰高性能路面混凝土耐久性研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文,2005.