粉煤灰及粉煤灰泵送混凝土的性能研究

粉煤灰及粉煤灰泵送混凝土的性能研究

王明荃

大唐同舟科技有限公司

摘要:粉煤灰具有一定细度和活性的矿物掺合料，既能改善混凝土的工作性能，又能节能减排、保护环境，在工程建设领域中得以广泛的应用。本文对粉煤灰及粉煤灰泵送混凝土的性能进行研究。

关键词:粉煤灰；粉煤灰泵送混凝土；性能；研究 

引言      

中国是世界上最大的生产和消耗煤炭的国家。特别是改革开放以来，电力工业迅猛发展，导致粉煤灰排量逐年锐增。若对粉煤灰综合利用不加大研究和处理力度，将会给能源生产、资源利用和环境保护带来不可估量的严重后果。在建筑业中，我们采用了把粉煤灰掺入到混凝土中以改善混凝土的某些主要技术性能的技术来达到提高性能、降低造价、废物利用、有效环保的目的。长期处于引水潮湿环境下的混凝土，对混凝土的抗裂抗渗性能有着非常较高的要求。不仅要防止山体水渗入混凝土内部，而且还要防止引水渗入混凝土内部，对混凝土内钢筋造成双重锈蚀，严重影响混凝土结构的耐久性和缩短其使用寿命。

1.概念

        粉煤灰作为一种掺和料作用于混凝土不但可以减少混凝土的收缩，节约水泥，还可以调节混凝土拌合物的和易性，改善硬化混凝土的各种性能，因此得到广泛的应用。通过对粉煤灰混凝土的抗渗性能进行试验表明，在混凝土中掺入粉煤灰，既起到微细集料的作用，又可以改善界面微观结构，细化了孔结构，再加上他的活性效应，能改善混凝土的性能。减水剂的加入可以使水泥颗粒分散，改善混凝土拌合物的和易性，因而减少拌合用水量，使硬化混凝土中毛细孔数量相应减少，毛细孔更加均匀，分散，降低渗透性和扩散性。提高了混凝土的抗渗性能，能防止和减少水和各种侵蚀介质的渗入，从而有效地提高耐腐蚀性；并相应减少了水的冻融循环导致混凝土破坏的可能性，提高了抗冻性[1]。       

2.粉煤灰分类与等级

        粉煤灰按煤种分为F 类和C 类。F类粉煤灰是指由无烟煤或烟煤燃烧收集而成的粉煤灰，C类粉煤灰是指由褐煤或次烟煤燃烧收集而成的粉煤灰，其CaO含量应大于10%。

        拌制混凝土用粉煤灰分为三个等级：Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级。Ⅲ级粉煤灰主要用于无筋混凝土，不得用于结构钢筋混凝土[2]。

        3.粉煤灰对混凝土的作用

        3.1 正面作用

        粉煤灰作为生产水泥的一种活性混合材料。在混凝土中掺入适量的粉煤灰，具有既可以替代一部分水泥，节省混凝土材料成本，又能改善混凝土拌合物的工作性能，减少混凝土拌合物泌水和离析现象，提高混凝土密实性和后期强度，降低混凝土水化热，抑制混凝土干裂和收缩，增强其抗酸碱反应能力等作用。

        （1）改善混凝土拌合物的工作性能

        掺入适量的粉煤灰可以提高混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性，使混凝土拌合物易于泵送、浇筑成型，并可减少坍落度的经时损失，满足混凝土运输、浇筑的要求。

        （2）降低混凝土的温升

        掺入粉煤灰后，由于水泥熟料含量少， 水化放热变慢，单位时间内产生的水化热明显降低。与不掺粉煤灰的普通混凝土相比，绝热温升降低27～23℃，最高温升降低30% ，并且可以减少或完全不需要人工冷却，因此减少了热胀冷缩产生的结构裂缝[3]。

        （3）提高混凝土的耐久性能

        在混凝土中掺入粉煤灰，可以改善混凝土中砂子的级配，填充混凝土部分空隙，使混凝土填充更加密实；由于粉煤灰的二次水化作用，从而更加提高了混凝土的密实程度、抗渗性能及抗化学腐蚀性能等，使混凝土的耐久性能得到显著的提高。

        （4）提高混凝土的抗裂能力

        在混凝土中掺入粉煤灰可以减少水泥的用量，也减少水泥在水化过程中的硬化收缩；粉煤灰二次水化的产物填充了混凝土的毛细孔，减少了混凝土中游离水的数量，阻断了混凝土中的泌水管路，减少了因泌水、水份蒸发引起的失水收缩；由于粉煤灰的二次水化后，改变了混凝土内部微观结构，增强了水泥石与骨料间的界面强度，减少混凝土中的泌水发生和内部缺陷，从而提高了混凝土的抗裂能力。

        （5）提高混凝土的强度

 由于粉煤灰的水化速度较慢将导致混凝土的早期强度偏低，但其最终强度不低于不掺粉煤灰的混凝土。粉煤灰在混凝土中的水化速度较慢于水泥，待水泥水化后，粉煤灰才发生水化，既改变了水泥石与骨料间的界面结构，又起到了填充和密实水泥石孔的作用，从而提高了混凝土的强度。
        在粉煤灰混凝土中待水泥发生水化后，粉煤灰才发生水化产生水，促使水泥的继续水化，从而更进一步提高了混凝土的强度。
        （6）提高混凝土的耐磨性
        在粉煤灰混凝土中由于部分粉煤灰相当于砂的作用，填充混凝土部分空隙，提高混凝土的密实性和强度，而混凝土的强度决定其耐磨性，因此掺入粉煤灰混凝土的耐磨性优于不掺粉煤灰混凝土。如粉煤灰混凝土的养护环境达不到规定要求时，也会导致其耐磨性降低。

        （7）降低成本
        在混凝土强度等级相同的情况下，掺入粉煤灰的混凝土可以节省约10%～15%的水泥用量，从而降低了混凝土材料成本。
        3.2 负面作用及解决措施
        （1）强度早期较低、发展速度较慢
        由于粉煤灰的水化速度慢于水泥的水化速度，故掺入粉煤灰后混凝土的早期强度低于不掺粉煤灰的混凝土，且粉煤灰掺量越高早期强度越低。粉煤灰混凝土的强度发展相对较慢，为保证强度的正常发展，需将养护时间延长至14d以上。
        为了保证混凝土的早期强度，尽量控制水胶比在0.40 以下。在合适的水胶比条件下，采用磨细技术、颗粒分级、化学激活的方法来提高早期强度。
        （2）抗碳化能力和护筋性差
        粉煤灰与水泥的二次水化反应，造成混凝土氢氧化钙的含量降低，导致抵抗CO2侵蚀能力降低，使钢筋锈蚀，结构产生开裂现象。
        粉煤灰混凝土在保证低水胶比（0.40以下）的同时掺入高效减水剂，提高混凝土的密实度，可有效地延缓碳化的进行，从而提高对钢筋的保护能力。
        （3）抗冻性能降低
        掺入粉煤灰混凝土的抗冻性能比不掺粉煤灰混凝土的抗冻性能有所降低，尤其是掺入劣质等级的粉煤灰时。对有抗冻性能特殊要求的混凝土必须掺入优质等级的粉煤灰，当抗冻性能等级较高时应掺加引气剂。
        （4）对养护依赖大
        掺入粉煤灰的混凝土比不掺粉煤灰的混凝土对温度和湿度更为敏感。在气温较低时拌制粉煤灰混凝土，其强度发展较为缓慢，在冬天施工后如果保护不当，就很容易遭破坏。同时粉煤灰的保水性很差，在天气特别干燥时，表面不进行覆盖，干缩将尤其明显。
        混凝土浇筑后， 要及时喷洒养护剂或覆盖外露表面， 但无需喷雾或浇水养护；气温过低时， 要采用保温养护措施，使混凝土硬化和强度发展满足施工要求。一般采取蒸汽或蒸压养护来促进粉煤灰的水化。
        4.泵送混凝土对粉煤灰的技术要求
        基于本工程施工现场场地狭窄、地下埋置较深，且位于城市市中心和市郊区等特殊性，兼顾节能减排、保护环境的要求，混凝土采用预拌（商品）粉煤灰泵送混凝土，这就要求混凝土具有可泵送施工、抗渗抗裂等功能。
        4.1 质量要求

在混凝土中掺入适量的粉煤灰，除改善混凝土拌合物的和易性、降低成本等优点外，还应对粉煤灰的质量有严格的要求。
        粉煤灰的主要控制项目包括细度、需水量比、烧失量和三氧化硫含量；C类粉煤灰的主要控制项目还应包括游离氧化钙含量和安定性等。
        4.2 应用要求
        （1）粉煤灰宜与高效减水剂同时使用。
        （2）对于有抗渗要求的混凝土，不宜采用低于Ⅱ级的粉煤灰。
        （3）掺入粉煤灰的混凝土，宜采用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。
        （4）在混凝土中掺入粉煤灰，粉煤灰的种类和掺量须经试验确定。
        （5）掺粉煤灰的泵送混凝土配合比设计，必须经过试配确定，并应符合现行有关标准的规定。
        （6）混凝土搅拌时，须按规定顺序进行投料，并且粉煤灰与水泥同步，外加剂的添加宜滞后于水和水泥。
        5.泵送混凝土的施工技术要求
        5.1 坍落度要求
        本工程的混凝土均采用预拌（商品）混凝土公司生产的C25P6商品混凝土。混凝土拌合物的坍落度控制在150±30mm之内，经时损失坍落度小于30mm/h，符合泵送混凝土的入泵坍落度大于100mm且不大于180mm的施工要求。
        5.2 运输要求
        （1）混凝土运输采用搅拌运输车运送，确保混凝土连续泵送，符合现行行业标准JGJ/T 10《混凝土泵送技术规程》的有关规定。
        （2）混凝土拌合物从预拌（商品）混凝土公司搅拌机卸出至施工现场接收的时间间隔控制在90min之内[4]。
        （3）严禁将质量不符合泵送要求的混凝土入泵。
        5.3 浇筑成型
        （1）在混凝土浇筑施工前，应检查并控制
        模板（本工程使用台车钢模板）、钢筋及其保护层等的几何尺寸、规格型号、数量及安装位置，其施工误差值应满足相关工程施工技术规范的有关规定，并应检查钢模板的支撑体系是否稳定牢固以及钢模板拼装接缝处的密封情况，以保证钢模板在混凝土整个浇筑过程中不发生失稳、跑模和漏浆现象。
        （2）在混凝土浇筑施工前，必须清除钢模板内的杂物。
        （3）混凝土拌合物的入模温度，夏季不高于35℃（隧洞工程不高于32℃），冬季不低于5℃，并有保温措施。
        （4）不同配合比或不同强度等级泵送混凝土在同一时间段交替浇筑时，输送管道中的混凝土不得混入其他不同配合比或不同强度等级混凝土。

        （5）当混凝土自由倾落高度大于2.0m时，采用串筒、溜管或振动溜管等辅助设备，确保混凝土在浇筑时不发生离析。
        （6）浇筑时，混凝土须分层浇筑，每层厚度为300mm。每层振捣棒插入下层拌合物约50mm进行振捣。当混凝土拌合物表面出现泛浆，基本无气泡逸出，视为捣实[5]。
        （7）掺入粉煤灰的混凝土， 由于粉煤灰的表观密度比水泥、石子、砂的表观密度小。在混凝土浇筑振捣时，如果过振，粉煤灰就会从混凝土中析出来，浮在混凝土表面，形成无强度的黑色泡沫层。
        在新混凝土浇筑前，应先将黑色泡沫层进行清除、用水冲洗干净后再进行新混凝土浇筑施工，保证新、旧混凝土的衔接密实。
        5.4 混凝土养护
        混凝土成型后，要及时采用喷洒养护剂或土工布覆盖保湿方法进行养护。养护时间不少于14d。
        6.结语

综上所述，粉煤灰是工业“三废”之一，所造成恶劣的环境污染长期困扰着我们。随着人们对粉煤灰的研究和认识深入，逐渐将其应用到工程建设领域，变废为宝。粉煤灰在混凝土中的广泛应用，既能提高和改善混凝土性能的需要，又能节能减排、保护环境，实现可持续发展的需要。
参考文献
[1]邢世海.超掺粉煤灰混凝土在大体积混凝土工程中的应用研究[J].混凝土，2014，3.
[2]杜代军.粉煤灰混凝土的试验研究[J].山东水利，2019.
[3]李志明.大掺量增钙灰配制高性能混凝土的研究[Ｊ].混凝土，2017.
[4]陈益民.三峡大坝混凝土耐久性[Ｊ].山西建筑，2017.
[5]刘应应.混凝土掺合料与混凝土耐久性[Ｊ].山西建筑，2017