粉煤灰在混凝土路面工程中的应用

李月英

(邯郸市青红高速公路管理处)

燃煤发电是我主要的发电形式,每年数以百计的火电厂向外排放了大量的粉煤灰。目前,我国每年的粉煤灰排放量已经达到了 1.5亿t,但粉煤灰的利用率一直较低,只占总量的 25%左右,留下的是堆积如山的粉煤灰,这在河北省各地乃至全国地区都是普遍的现象,怎样把这些粉煤灰利用起来,是各级政府非常关心的问题,政府通过税收优惠政策鼓励建材企业怎么科学研究、技术应用,促进新型建材的发展。

到 2010年底,河北省农村公路通车里程将达到13万 km以上,路网内重要县道贯通率大幅提高,农村公路修筑混凝土路面,如果粉煤灰替代一部分水泥掺入混凝土中,不仅可以大量消耗工业废渣粉煤灰,提高粉煤灰的利用效率,而且还能够节约大量水泥。

1 粉煤灰的矿物组成及品质

粉煤灰作为一种混凝土掺合料,其物理和化学性质都会对其使用性能产生重要影响。

1.1 粉煤灰的矿物组成

粉煤灰中有不少结晶的矿物,如石英、莫来石、赤铁矿、磁铁矿等和玻璃体,并含有其他少量矿物,然而大量的还是非晶态玻璃体。研究表明,这些结晶的矿物在正常温度下往往是惰性的,而非晶态的玻璃体却具有化学活性。粉煤灰中玻璃体结构非常复杂,有关玻璃体结构的研究结果以及玻璃体结构对粉煤灰活性影响的研究至今仍然较少。粉煤灰的矿物组成见表 1。

表1 粉煤灰矿物组成

1.2 粉煤灰品质参数

(1)细度

电厂吸尘和分选的工艺决定了粉煤灰的细度,同时粉煤灰对混凝土强度贡献与细度有很好的相关性,有试验已证明:在有水泥存在的条件下,粉煤灰越细,其颗粒的比表面积就越大,与水泥反应物接触越充分,更有利于粉煤灰活性的激发,这表现为粉煤灰火山灰活性随着细度的提高而提高。即粉煤灰越细,其反应能力越强,混凝土后期强度就会越高。

(2)需水量

粉煤灰的需水量比掺30%粉煤灰的硅酸盐水泥胶砂与不掺粉煤灰的硅酸盐水泥胶砂在相同稠度下的需水量的比值。这个数值越小,说明粉煤灰的质量越好。建筑科研院曾进行过粉煤灰试样研究以验证需水量比与混凝土强度贡献的关系,见表 2。

表2 粉煤灰需水量比与强度相关性

从表 2中可以看出,需水量比与混凝土强度贡献具有良好的相关性。相关性为负,说明需水量比小的粉煤灰掺入混凝土中,可增加其流动度,改善和易性,提高混凝土强度。

(3)烧失量

燃煤在燃烧过程中通常不能完全燃烧,因此粉煤灰中含有残留的未燃碳分,烧失量就是指粉煤灰在高温煅烧下损失了的质量。损失部分主要为未烧尽的固态碳,碳成分的增加,意味着有效活性成分的减少,因此要加以控制。由于多方面因素的影响,不同粉煤灰中残留碳分含量差异较大,我国粉煤灰的未燃碳分范围在1.2%～23.6%之间。

(4)SO3的含量

SO3的含量过高,会导致混凝土后期生成钙钒石,对混凝土产生不利影响。因此,应对粉煤灰中的 SO3含量进行严格控制。

2 粉煤灰对混凝土的改善作用

2.1 粉煤灰对混凝土工作性能的改善

由于粉煤灰颗粒大部分为光滑球状,以粉煤灰置换一部分水泥后,若保持拌合物坍落度不变,混凝土的拌和用水量会明显降低;若采用同样的用水量,则拌合物的坍落度明显提高。图1是VonFay等采用粉煤灰等量取代水泥,同时保证混凝土坍落度基本相同的试验结果。

图1 混凝土需水量与粉煤灰掺量的关系

以上的试验结果表明,无论粉煤灰的品质如何,在一定掺量范围内,粉煤灰都有一定的减水作用,粉煤灰对混凝土的工作性都有一定程度的改善作用。

2.2 粉煤灰对混凝土力学性能的改善

粉煤灰对混凝土强度影响表现在三个方面:减少用水量、增大胶结材含量以及通过长时间的火山灰反应提高其强度。

粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒,使水泥水化更充分,提高水泥浆的密实度,使混凝土中骨料与水泥浆的界面强度提高。粉煤灰对抗拉强度和抗弯强度的贡献比抗压强度还要大,这对混凝土的抗裂性能有利。粉煤灰混凝土的弹性模量与抗压强度相类似,早期偏低,后期逐步提高,到 28d时可比基准混凝土提高 5%～10%。与钢筋的握裹力,粉煤灰混凝土的 28d粘结强度基本与等标号的基准混凝土相同,但粉煤灰混凝土的均匀性好,粘结强度试验值的离散性比基准混凝土好。

2.3 粉煤灰对混凝土耐久性能的改善

(1)抗冻性

粉煤灰混凝土的龄期在 28d以前时,混凝土的孔结构较纯水泥混凝土的粗大,故粉煤灰混凝土的早期抗冻性较低。随着粉煤灰掺量的增加,抗冻性下降的幅度也越大。但随着龄期的增长,其抗冻性下降的幅度大大缩小。在等强度超量取代的条件下,则对抗冻性的影响不大。

(2)抗渗性

粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之中,发生火山灰反应生成二次C-S-H凝胶,可以填充其中的孔隙,改善混凝土中水泥石的孔结构,使总的孔隙率降低,大孔数量减少,小孔数量增多,孔结构进一步细化,分布更为合理,混凝土更加密实,抗渗性能得以提高。同时,粉煤灰的火山灰反应是一个长期进行的过程,不断进行的火山灰反应,使粉煤灰混凝土的孔结构进一步优化,混凝土的抗渗性也进一步改善。

(3)碱-集料反应

粉煤灰对有效抑制混凝土碱-集料反应的作用已被世界公认。一方面粉煤灰中的活性成分SiO2、Al2O3与水泥的水化产物Ca(OH)2反应,降低混凝土的碱度;另一方面粉煤灰较大的比表面可吸收K+、Na+、OH-,使之富集在粉煤灰微粒的表面,使骨料周围的碱金属离子及 OH-减少,降低混凝土孔隙中的碱浓度,从而削弱了混凝土的碱-集料反应。

2.4 粉煤灰对混凝土耐磨性能的改善

掺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问题,水化充分,提高了水泥石自身结构的均匀密实度,强度提高,混凝土的耐磨性能增强;另一方面,为保证混凝土强度等效,水泥 -粉煤灰混凝土中水胶比比普通水泥混凝土中的水胶比小,粉煤灰的加入填充了部分空隙,使得混凝土中颗粒分布更均匀,弥补了混凝土部分缺陷,使得混凝土耐磨性得到改善。

3 小 结

本文主要论述了粉煤灰的组成和对混凝土的改善作用,针对粉煤灰及其对混凝土的作用和粉煤灰混凝土的性能进行了分析,讨论了粉煤灰混凝土相比于普通水泥混凝土在力学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决粉煤灰所带来的环境问题,符合国家环境保护和经济可持续发展的政策,又能够将其作为一个新兴的资源以发展多种实用性产品。因此在水泥混凝土中合理掺入粉煤灰,既有利于公路工程的建设,又节约工程造价,是值得推广的节能环保措施。

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

[2] 胡如进 .水泥水化热对混凝土早期开裂的影响[J].水泥, 2007,(4).

[3] 钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土[M].科学出版社, 2002.

[4] 刘毅 .掺粉煤灰高性能路面混凝土耐久性研究[D].长安大学硕士论文,2005.