粉煤灰的特性及對混凝土的影響研究

1、粉煤灰的特性及對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、級和級，其適用范圍如下：）級粉煤灰可用于抗凍、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)級粉煤灰的需水量比小于 100%時，可用于有抗凍、防腐蝕等有耐久性要求的混凝土。）級粉煤灰主要用于C30 以下的素混凝土。粉煤灰對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。級粉煤灰細(xì)度不大于 12.0%；粉煤灰細(xì)度不大于30.0%；級粉煤灰細(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。需水量比測定試驗(yàn)方法是測定試驗(yàn)?zāi)z砂和對比膠砂 （用 0.5 1.0mm 的標(biāo)準(zhǔn)砂） 的流動度， 二者達(dá)到規(guī)定流動度范圍時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、粉煤灰對混凝土最直觀的工作性能，以及對硬化后混凝土的強(qiáng)度， 是粉煤灰和水的混合物達(dá)到某一流動度下所需的用水量，粉煤灰需水量越小，工程利用價值越高。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外加劑具有很強(qiáng)的吸附作用，尤其對引氣劑、 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）會生成鈣礬石，鈣礬石體積膨脹會導(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)量的一個重要指標(biāo)，粉煤灰的加入對混凝土強(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)， 同時由于粉煤灰二次水化作用的生成物會堵塞混凝土中的滲透通道， 所以摻