摘要: 本文概述了高掺量粉煤灰砼的主要特点、技术现状和应用前景。
关键词: 粉煤灰; 混凝土; 技术现状; 应用前景
1 引言
砼材料是目前最重要的建筑材料, 专家预言, 21世纪砼仍为主要的建筑材料, 砼产品的开发与研究仍具有重大意义。
砼原材料的选择、配制与工艺都比较简单。从上世纪70 年代开始, 高科技进入了砼行业, 其表现为:砼除水泥、集料等基础材料外, 还可掺和硅粉、粉煤灰、矿渣以及高效减水剂等, 以配制高强度、高性能砼。
一般情况下, 钢筋砼结构设计者往往只注重其强度, 但是, 许多事例表明, 由于钢筋砼结构过早破坏而引发工程事故, 其原因不只是由于强度而是由于耐久性不足。据有关资料, 高掺量粉煤灰砼能显著改善砼的耐久性, 因此, 进行高掺量粉煤灰砼的研究具有重要的现实意义。
2 高掺量粉煤灰砼的主要特点
粉煤灰是磨成一定细度的煤粉在锅炉中燃烧( 1100～1500℃) 后, 由收尘器收集到的细灰, 是燃烧煤的火力发电厂排出的一种工业废渣, 高掺量粉煤灰砼是一种新材料。
2.1 主要物理力学性能
2.1.1 和易性高掺量粉煤灰砼具有良好的黏聚性,能减少泌水。高掺量粉煤灰砼的和易性与粉煤灰的质量、外加剂的品种及掺量等有关。总之, 只要高掺量粉煤灰砼配合比恰当, 搅拌时间充分, 其和易性能满足不同工程的需要。Malhotra 等用8 种不同粉煤灰配制的高掺量粉煤灰砼的坍落度在95～210mm 之间, 含气量为4.5%～6.15%。
2.1.2 强度砼中掺粉煤灰后, 其早期强度一般会随掺量的增加而降低。由于高掺量粉煤灰砼各组分的配合比有较大的灵活性, 因此, 可以通过降低水胶比、添加激发剂等方法配制出早期强度高的砼。Malhotra 等用F 型粉煤灰配制的高掺量粉煤灰砼的1, 3, 7, 28d的抗压强度分别达到了13.7, 22.4, 34.2, 57.1MPa。
2.1.3 耐久性砼的耐久性关系到建筑物结构的安全性。目前检验砼耐久性的指标主要有抗冻性、渗透性、抗碳化能力、钢筋锈蚀作用以及碱骨料反应等。高掺量粉煤灰砼抑制碱骨料反应已被世界所公认, 这是由于砼中大量掺入粉煤灰, 吸收了砼中大量的Ca(OH)2和一些碱组分。另外, 高掺量粉煤灰砼的密实性及孔结构都有很大改善, 渗透系数很小, 一般在( 1.6×10- 14)～( 5.7×10- 13) m·s- 1。由表1 可知, 高掺量粉煤灰砼的抗冻性、抗碳化能力及对钢筋的锈蚀作用与基准砼( 硅酸盐水泥砼) 相当, 其耐久性完全可以满足现行国家规范规定和工程要求。
2.2 原材料的要求
高掺量粉煤灰砼与普通砼对水泥、集料的要求相同, 在原材料方面的最大区别是掺和大量的粉煤灰。高掺量粉煤灰砼的水胶比较小, 单位用水量亦较少,须掺加超塑化剂。为使砼拌合物具有好的流动性, 一般在掺加塑化剂的同时还要掺加引气剂。国外一些学者经过研究认为, 并不是优质的粉煤灰才能用于高掺量粉煤灰砼, 只要粉煤灰的质量稳定, 用低质量的粉煤灰同样可以配制高性能的高掺量粉煤灰砼。
2.3 配合比设计
高掺量粉煤灰砼的配合比设计具有较大的灵活性。英国人Dunstan 把粉煤灰作为砼的“ 第四组分”进行配合比设计, 这使配合比设计在具有较大灵活性的同时, 也产生了一些困难, 设计者必须考虑每个组分的特性, 尤其是粉煤灰的需水量和水泥的质量, 因为高掺量粉煤灰砼的强度对用水量的变化更加敏感,水泥的质量对高掺量粉煤灰砼的强度有显著影响。表2 为一些典型的高掺量粉煤灰砼的配合比。
3 高掺量粉煤灰砼的技术现状及国内目前急需解决的课题
3.1 技术现状
高掺量粉煤灰砼是在对粉煤灰认识及砼利用基础上逐渐发展起来的, 它是一种新材料, 砼中粉煤灰掺量一般在40%以上, 高掺量粉煤灰砼的发展过程, 是由把粉煤灰看成“经济”掺合料转向“功能”材料以充分发挥粉煤灰的形态效应、填充效应和活性作用的过程。英国人Dunstan 在第一届砼耐久性国际会议上,以伦敦国际第二机场两条相邻面为典型例证, 说明了大量掺粉煤灰砼的耐磨性比未掺粉煤灰砼的耐磨性更优异。近年来, 加拿大Malhotra 等人把高掺量粉煤灰砼研究向前推进了一步, 以大量掺有不同来源的普通质量的粉煤灰砼的试验数据, 证明了在低水泥用量(约150kg·m- 3)、高粉煤灰用量( 190～210kg·m- 3) 的条件下, 掺用高效减水剂与引气剂, 可以制备各种性能均相当优异的高性能砼。
我国在常态砼中掺用粉煤灰已有40 多年的历史,迄今为止, 其掺量一般占胶凝材料总量的15%～30%,且早期强度低。国内对高掺量粉煤灰砼方面的研究起步较晚, 掺量达40%以上的研究和应用实例较少。目前粉煤灰利用技术存在的主要问题: 一是如何增大粉煤灰在砼中的掺量, 使其达到40%以上; 二是如何解决早期强度低的问题, 不致影响砼施工周期。为此,研究人员多年来一直在掺量粉煤灰利用项目上积极进行研究与开发。
3.2 国内目前急需解决的课题
3.2.1 研制超高效减水剂, 而不是现在的普通高效减水剂由于国家标准(GB 8076—87) 对减水率规定得较低(≥12%), 所以大部分高效减水剂的减水率达不到15%～25%, 用这种减水剂不可能配制出高掺量的粉煤灰砼。超高效减水剂的减水率应该达到25%～35%, 才能经济合理地配制出既具有高强度又具有大流动性的砼, 这是发展高掺量粉煤灰砼的关键所在,只要这个问题能够得到解决, 我国的高掺量粉煤灰砼技术就能在短期内赶上发达国家的水平。据资料, 目前国内已研制出减水率达到25%以上的超高效减水剂的雏形。如交通部天津港湾工程研究所研制的TH 型减水剂, 广东湛江外加剂厂生产的FDN 减水剂, 北京城建集团总公司构件厂研制的复合I 型减水剂、复合Ⅱ型减水剂等。
3.2.2 制定高掺量粉煤灰砼有关应用方面的规范组织科研单位和大专院校对高掺量粉煤灰砼拌合物的性能进行系统试验研究, 在此基础上制定出高掺量粉煤灰砼的设计规范和施工验收规范, 将我国高掺量粉煤灰砼技术的应用和发展纳入法制轨道, 以使设计单位、施工单位和监理单位有章可循。
3.2.3 加大宣传力度, 增加投入, 促进粉煤灰利用技术发展充分利用各种手段和途径广泛宣传粉煤灰利用的意义, 提高人们对粉煤灰利用在节能和环境保护方面重要性的认识。利用粉煤灰资源是一项微利的事业, 国家对用灰户应在政策上给以扶持, 只有这样,才能调动用灰户的积极性, 才能使粉煤灰的利用率得以稳定和提高, 才能促进粉煤灰利用技术的发展。
4 高掺量粉煤灰砼的应用前景
4.1 国内外粉煤灰利用情况
世界主要产煤国家中, 粉煤灰排放量大国主要是前苏联、中国和美国, 其次是印度、德国、波兰及罗马尼亚等, 煤灰利用率接近和超过50%的国家有意大利、丹麦、比利时、法国、德国、英国和日本, 荷兰达100%以上, 而前苏联不足10%。除前苏联外, 大部分欧洲国家粉煤灰产量都不太高, 但粉煤灰的利用率却比世界其他国家和地区高很多。粉煤灰的利用率受各种因素制约, 如政府的重视程度、有关法规的制定、大众的环境意识、国家的经济条件、粉煤灰利用的研究水平等。
我国各地的粉煤灰利用率差别甚大, 1986～1990年间, 全国大型燃煤发电厂的粉煤灰年平均利用率由22.7%增至27.65%。在此期间, 上海市年平均利用率最高为74.5%( 1986 年) , 最低为45.85%( 1990 年) ;天津市为70.0%( 1988 年) ; 成都市为60.7%( 1987年) ; 江苏省为35.3%( 1988 年) , 而江苏省南通市最高为151.3%( 1987 年, 包括用往年的储灰) ; 西安某燃煤热电厂在1979～1989 年的10 年中, 每年利用率为100%～120%。
4.2 高掺量粉煤灰砼在工程中的应用情况
4.2.1 在大坝工程中的应用开发高掺量粉煤灰砼开始是为了用于碾压砼筑坝。如英国的Milton Brook 坝,芯部碾压砼粉煤灰掺量为73%; 美国的上静水坝, 芯部碾压砼粉煤灰掺量为75%。我国广西岩滩水电站的围堰施工, 亦采用了碾压砼, 粉煤灰掺量为70%。高掺量粉煤灰砼除用于大坝芯部碾压砼外, 还适用于面层滑模砼施工。
4.2.2 在道路工程中的应用高掺量粉煤灰砼除用于大坝施工外, 很快被推广应用到道路工程中。如英国Heathrow机场、M25 公路、Didcot 电站煤运区的路基、Gatwick 机场、A126 干线公路的路面等均采用了高掺量粉煤灰砼。
4.2.3 在结构砼中的应用高掺量粉煤灰砼从路面用的低坍落度砼扩展到中或大坍落度的配筋结构砼。如英国的Didcot 储油罐钢筋砼基础、Wincanton 污水处理厂和Grangetown 高架桥等工程均采用了高掺量粉煤灰砼, 其中Wincanton 污水处理厂的砼有高抗硫酸盐的要求, 其集料可能会发生碱硅反应, 而高掺量粉煤灰砼能经济有效地解决这些问题。
4.3 高掺量粉煤灰砼应用前景分析
当前, 随着我国经济社会的发展, 高层建筑、高速公路、桥梁工程等大规模发展, 节省投资、确保工程质量、特别是建筑物的耐久性显得尤为重要。同时, 我国粉煤灰的年排放量已达到8000 万t 以上, 且增长迅猛, 但粉煤灰的利用率很低, 发展高掺量粉煤灰砼为充分利用资源、节约能源、维护环境以及降低成本提供了新的途径。因此, 研究和开发高掺量粉煤灰砼具有十分广阔的应用前景。
4.4 效益分析
4.4.1 经济效益分析表3 列出了基准砼和粉煤灰砼
C20、C30 两个强度等级的砼材料成本分析的结果。可以看出每m3 C20、C30 粉煤灰砼较基准粉煤灰砼分别节省材料费8.67 元和8.60 元。
4.4.2 社会效益分析高掺量粉煤灰砼的应用具有显著的社会效益和生态效益, 可以吃掉大量的粉煤灰,减少环境污染, 节约能源, 化害为利, 变废为宝, 为国家节约大量水泥, 并且工程造价大幅度下降。发展高掺量粉煤灰砼是一项造福社会、造福人类的综合利用项目。
5 结语
高掺量粉煤灰砼是一种既实用又经济的建筑材料, 随着高掺量粉煤灰砼应用范围的扩大, 进一步研究和开发高掺量粉煤灰砼的配制技术, 配制更优性能的高掺量粉煤灰砼, 其应用前景是相当诱人的。
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