□文/段莉新

粉煤灰是從煤粉爐煙道氣中收集到的粉末，屬于人工火山灰質(zhì)材料，顆粒很小，多呈球形（通稱(chēng)微珠），是一種工業(yè)廢渣，堆放不僅造成浪費(fèi)，還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。研究成果表明，粉煤灰經(jīng)二級(jí)電場(chǎng)收集、磨細(xì)或風(fēng)選達(dá)到一定品質(zhì)要求后，摻入混凝土中能起到節(jié)約水泥、降低成本、改善混凝土性能的作用。

工程概況

跨京山鐵路橋位于天津?yàn)I海新區(qū)內(nèi)環(huán)線上，瀕臨天津港。濱海新區(qū)地處鹽田舊址，地下水所含C1-、Mg2+、SO4-2等濃度較高。由于硫酸鹽對(duì)混凝土有侵蝕性，因此要求樁基與承臺(tái)混凝土達(dá)到Ⅱ類(lèi)防腐等級(jí)，這就需要使用抗硫酸鹽水泥。

抗硫酸鹽水泥屬于特種水泥，生產(chǎn)廠家少且價(jià)格高，使用抗硫酸鹽水泥既提高了工程成本，又為施工帶來(lái)了不便。通過(guò)查找資料，從分析硫酸鹽侵蝕原理和解決硫酸鹽侵蝕的途徑入手，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，使用普通硅酸鹽水泥摻加粉煤灰的方法可以滿(mǎn)足混凝土抗硫酸鹽侵蝕的要求。每立方米水泥中摻入50～120kg粉煤灰可節(jié)約50～100kg水泥，既降低了施工成本又能保證了施工質(zhì)量。

硫酸鹽侵蝕的機(jī)理

硫酸鹽侵蝕是一種比較常見(jiàn)的化學(xué)侵蝕形式，其實(shí)質(zhì)為膨脹型化學(xué)腐蝕。侵蝕性地質(zhì)中的地下水實(shí)際上是硫酸鹽溶液，如果其濃度高于一定值，即可對(duì)混凝土產(chǎn)生侵蝕作用。溶液中的硫酸鹽與水泥水化生成的Ca（OH）2反應(yīng)生成硫酸鈣，如式（1）所示。

在流動(dòng)的水中，反應(yīng)可以不斷進(jìn)行。硫酸鈣與水泥熟料礦物Ca3A1O2水化生成的水化鋁酸鈣，能反應(yīng)生成比原來(lái)體積大1.5倍的三硫型水化硫鋁酸鈣（又稱(chēng)鈣礬石）。鈣礬石的溶解度極低，沉淀結(jié)晶出來(lái)的鈣礬石晶體長(zhǎng)大造成的結(jié)晶壓使混凝土因膨脹而開(kāi)裂。因此，硫酸鹽侵蝕的根源是硫酸鹽溶液與水泥中Ca3A1O2礦物的水化生成物和硫酸鈣反應(yīng)形成鈣礬石的膨脹。

若水中鎂的含量較大，則侵蝕更為嚴(yán)重，因?yàn)榱蛩徭V除了會(huì)產(chǎn)生鈣礬石膨脹外，還能與水泥中硅酸鹽礦物水化生成的水化硅酸鈣凝膠反應(yīng)，使其分解，破壞了C-S-H的膠凝性。

外摻法摻加粉煤灰

一方面外摻方式可以簡(jiǎn)化工藝流程，另一方面它不僅能取代部分水泥，還能起到微細(xì)料的作用。大量分散細(xì)小的粉煤灰顆粒為水化Ca(OH)2的成核提供了大量無(wú)序排列的晶種，使Ca(OH)2結(jié)晶分散而細(xì)小，避免其在集料表面的定向排列，有效地改善了混凝土過(guò)渡帶結(jié)構(gòu)。這些均使混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能得以明顯的增強(qiáng)。另外，粉煤灰的加入還能降低過(guò)渡帶厚度。

根據(jù)基準(zhǔn)混凝土計(jì)算出各種材料用量，對(duì)各種材料進(jìn)行計(jì)算調(diào)整。

（1）外加粉煤灰的質(zhì)量按式（2）計(jì)算。

式中：Fm——外加粉煤灰的質(zhì)量，t；

C0——水泥用量，t；

fm——選定外加粉煤灰摻入率，%。

（2）調(diào)整后砂的質(zhì)量按式（3）計(jì)算。

式中：Sm——調(diào)整后砂的質(zhì)量，t；

S0——砂料質(zhì)量，t；

Fm——外加粉煤灰的質(zhì)量，t；

ρf——粉煤灰密度，t/m3；

ρa(bǔ)s——砂料密度，t/m3。

配合比的確定

在配合比設(shè)計(jì)中，張亞梅等[1]全部采用再生骨料作為粗骨料并摻加了高效減水劑和粉煤灰，配制出強(qiáng)度為54.6MPa再生混凝土；邢振賢等[2]采用基體強(qiáng)度為C20或C25的廢棄混凝土骨料，通過(guò)摻加高效減水劑使水灰比降低到0.35，配制出了強(qiáng)度為40.4MPa的再生混凝土。由此可見(jiàn)，再生混凝土配合比設(shè)計(jì)要比普通混凝土復(fù)雜，但只要措施得當(dāng)，可以獲得比較滿(mǎn)意的力學(xué)性能。

按照本工程設(shè)計(jì)要求，配制的混凝土必須達(dá)到抗中等硫酸鹽侵蝕強(qiáng)度，坍落度要求達(dá)到180～220mm且混凝土的總堿量≯3.0kg/m3。抗中等硫酸鹽侵蝕就必須符合以下要求：最大水膠比≯0.45，最小水泥用量為360kg/m3，抗?jié)B等級(jí)應(yīng)達(dá)到P8以上。具體的試驗(yàn)配合比見(jiàn)表1。

表1 配合比試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試拌調(diào)整后3個(gè)配合比的流動(dòng)性、粘聚性和保水性均很好且各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)要求。本著既節(jié)約成本又能滿(mǎn)足施工要求的原則，在實(shí)際施工中選用了1號(hào)配合比并取得了較好的效果?，F(xiàn)場(chǎng)的176根樁經(jīng)無(wú)破損檢測(cè)大部分為Ⅰ類(lèi)樁，只有極個(gè)別樁因?yàn)槠渌驅(qū)儆冖蝾?lèi)樁，28d平均強(qiáng)度達(dá)到36.2MPa，抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P10以上。

摻加粉煤灰的優(yōu)點(diǎn)

提高混凝土的密實(shí)度

細(xì)化孔結(jié)構(gòu)提高抗?jié)B性，使其內(nèi)部毛孔和毛細(xì)管盡可能不形成通道，降低其滲透性以提高混凝土的抗侵蝕性能。施工時(shí)混凝土水膠比≯0.45，水泥用量≮360kg，加入非引氣型減水劑，使混凝土有良好的和易性，保證混凝土密實(shí)。

在混凝土拌和料中摻加不少于20%的Ⅱ級(jí)粉煤灰。這是因?yàn)榉勖夯沂蔷哂幸欢ɑ钚缘幕鹕交屹|(zhì)混合料，其主要的化學(xué)成分是 SO2、A12O3、Fe2O3、CaO 和未燃的炭，品質(zhì)優(yōu)良的粉煤灰以較高的摻量加入到混凝土中能明顯地細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，減少硫酸鹽引起的膨脹，有效地改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性。同時(shí)由于粉煤灰顆粒呈圓球狀，加入到混凝土中能起到潤(rùn)滑作用，顯著地改善混凝土的和易性、減少干縮、增加后期強(qiáng)度、增強(qiáng)抗?jié)B及抗硫酸鹽性能。粉煤灰的細(xì)度對(duì)混凝土強(qiáng)度有很大影響，細(xì)灰中含有大量火山灰活性的玻璃微珠，摻入混凝土后與水泥中的Ca(OH)2反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)且微珠均勻地分布于水泥漿體中，增加漿體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度但不改變混凝土的均勻性，填充并細(xì)化了混凝土的空隙和毛細(xì)孔；而顆粒較粗的粉煤灰多為海綿狀多孔體、珠連體和沒(méi)燒透的碳粒，其強(qiáng)度低、活性小，用于拌制混凝土不但增加水泥漿體中的疏松顆粒，還增加用水量，對(duì)混凝土有不良影響。

降低Ca3A1O2及Ca(OH)2的含量

從硫酸鹽侵蝕的機(jī)理可知，要生成鈣釩石必須有水化鋁酸鈣，而水化鋁酸鈣是Ca3A1O2的水化產(chǎn)物。用粉煤灰取代部分水泥，對(duì)混凝土中總的Ca3A1O2含量有一定的稀釋作用且消耗大量Ca(OH)2，降低混凝土中的堿度，這就使生成鈣釩石和鈣釩石穩(wěn)定存在的難度增加，減少了鈣釩石等膨脹性物質(zhì)的產(chǎn)生，增強(qiáng)了混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

減少溫度裂縫

由于粉煤灰水化速度慢，混凝土水化過(guò)程中釋放出的熱量容易散發(fā)出去，從而減少溫度裂縫，改善了混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，這對(duì)大體積工程尤其重要。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，普通硅酸鹽水泥摻加粉煤灰不僅滿(mǎn)足混凝土抗硫酸鹽侵蝕的要求，而且大大降低施工成本且給施工帶來(lái)了方便，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也為以后遇到類(lèi)似的問(wèn)題找到了行之有效地解決方法。

［1］張亞梅，秦鴻根，孫偉，等.再生混凝土配合比設(shè)計(jì)初探[J].混凝土與水泥制品，2002，（1）：7-9.

［2］邢振賢，周曰農(nóng).再生混凝土的基本性能研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，19（2）:30-32.