摘要: 本文概述了高摻量粉煤灰砼的主要特點、技術現狀和應用前景。
關鍵詞: 粉煤灰; 混凝土; 技術現狀; 應用前景
1 引言
砼材料是目前最重要的建筑材料, 專家預言, 21世紀砼仍為主要的建筑材料, 砼產品的開發與研究仍具有重大意義。
砼原材料的選擇、配制與工藝都比較簡單。從上世紀70 年代開始, 高科技進入了砼行業, 其表現為:砼除水泥、集料等基礎材料外, 還可摻和硅粉、粉煤灰、礦渣以及高效減水劑等, 以配制高強度、高性能砼。
一般情況下, 鋼筋砼結構設計者往往只注重其強度, 但是, 許多事例表明, 由于鋼筋砼結構過早破壞而引發工程事故, 其原因不只是由于強度而是由于耐久性不足。據有關資料, 高摻量粉煤灰砼能顯著改善砼的耐久性, 因此, 進行高摻量粉煤灰砼的研究具有重要的現實意義。
2 高摻量粉煤灰砼的主要特點
粉煤灰是磨成一定細度的煤粉在鍋爐中燃燒( 1100～1500℃) 后, 由收塵器收集到的細灰, 是燃燒煤的火力發電廠排出的一種工業廢渣, 高摻量粉煤灰砼是一種新材料。
2.1 主要物理力學性能
2.1.1 和易性高摻量粉煤灰砼具有良好的黏聚性,能減少泌水。高摻量粉煤灰砼的和易性與粉煤灰的質量、外加劑的品種及摻量等有關。總之, 只要高摻量粉煤灰砼配合比恰當, 攪拌時間充分, 其和易性能滿足不同工程的需要。Malhotra 等用8 種不同粉煤灰配制的高摻量粉煤灰砼的坍落度在95～210mm 之間, 含氣量為4.5%～6.15%。
2.1.2 強度砼中摻粉煤灰后, 其早期強度一般會隨摻量的增加而降低。由于高摻量粉煤灰砼各組分的配合比有較大的靈活性, 因此, 可以通過降低水膠比、添加激發劑等方法配制出早期強度高的砼。Malhotra 等用F 型粉煤灰配制的高摻量粉煤灰砼的1, 3, 7, 28d的抗壓強度分別達到了13.7, 22.4, 34.2, 57.1MPa。
2.1.3 耐久性砼的耐久性關系到建筑物結構的安全性。目前檢驗砼耐久性的指標主要有抗凍性、滲透性、抗碳化能力、鋼筋銹蝕作用以及堿骨料反應等。高摻量粉煤灰砼抑制堿骨料反應已被世界所公認, 這是由于砼中大量摻入粉煤灰, 吸收了砼中大量的Ca(OH)2和一些堿組分。另外, 高摻量粉煤灰砼的密實性及孔結構都有很大改善, 滲透系數很小, 一般在( 1.6×10- 14)～( 5.7×10- 13) m·s- 1。由表1 可知, 高摻量粉煤灰砼的抗凍性、抗碳化能力及對鋼筋的銹蝕作用與基準砼( 硅酸鹽水泥砼) 相當, 其耐久性完全可以滿足現行國家規范規定和工程要求。
2.2 原材料的要求
高摻量粉煤灰砼與普通砼對水泥、集料的要求相同, 在原材料方面的最大區別是摻和大量的粉煤灰。高摻量粉煤灰砼的水膠比較小, 單位用水量亦較少,須摻加超塑化劑。為使砼拌合物具有好的流動性, 一般在摻加塑化劑的同時還要摻加引氣劑。國外一些學者經過研究認為, 并不是優質的粉煤灰才能用于高摻量粉煤灰砼, 只要粉煤灰的質量穩定, 用低質量的粉煤灰同樣可以配制高性能的高摻量粉煤灰砼。
2.3 配合比設計
高摻量粉煤灰砼的配合比設計具有較大的靈活性。英國人Dunstan 把粉煤灰作為砼的“ 第四組分”進行配合比設計, 這使配合比設計在具有較大靈活性的同時, 也產生了一些困難, 設計者必須考慮每個組分的特性, 尤其是粉煤灰的需水量和水泥的質量, 因為高摻量粉煤灰砼的強度對用水量的變化更加敏感,水泥的質量對高摻量粉煤灰砼的強度有顯著影響。表2 為一些典型的高摻量粉煤灰砼的配合比。
3 高摻量粉煤灰砼的技術現狀及國內目前急需解決的課題
3.1 技術現狀
高摻量粉煤灰砼是在對粉煤灰認識及砼利用基礎上逐漸發展起來的, 它是一種新材料, 砼中粉煤灰摻量一般在40%以上, 高摻量粉煤灰砼的發展過程, 是由把粉煤灰看成“經濟”摻合料轉向“功能”材料以充分發揮粉煤灰的形態效應、填充效應和活性作用的過程。英國人Dunstan 在第一屆砼耐久性國際會議上,以倫敦國際第二機場兩條相鄰面為典型例證, 說明了大量摻粉煤灰砼的耐磨性比未摻粉煤灰砼的耐磨性更優異。近年來, 加拿大Malhotra 等人把高摻量粉煤灰砼研究向前推進了一步, 以大量摻有不同來源的普通質量的粉煤灰砼的試驗數據, 證明了在低水泥用量(約150kg·m- 3)、高粉煤灰用量( 190～210kg·m- 3) 的條件下, 摻用高效減水劑與引氣劑, 可以制備各種性能均相當優異的高性能砼。
我國在常態砼中摻用粉煤灰已有40 多年的歷史,迄今為止, 其摻量一般占膠凝材料總量的15%～30%,且早期強度低。國內對高摻量粉煤灰砼方面的研究起步較晚, 摻量達40%以上的研究和應用實例較少。目前粉煤灰利用技術存在的主要問題: 一是如何增大粉煤灰在砼中的摻量, 使其達到40%以上; 二是如何解決早期強度低的問題, 不致影響砼施工周期。為此,研究人員多年來一直在摻量粉煤灰利用項目上積極進行研究與開發。
3.2 國內目前急需解決的課題
3.2.1 研制超高效減水劑, 而不是現在的普通高效減水劑由于國家標準(GB 8076—87) 對減水率規定得較低(≥12%), 所以大部分高效減水劑的減水率達不到15%～25%, 用這種減水劑不可能配制出高摻量的粉煤灰砼。超高效減水劑的減水率應該達到25%～35%, 才能經濟合理地配制出既具有高強度又具有大流動性的砼, 這是發展高摻量粉煤灰砼的關鍵所在,只要這個問題能夠得到解決, 我國的高摻量粉煤灰砼技術就能在短期內趕上發達國家的水平。據資料, 目前國內已研制出減水率達到25%以上的超高效減水劑的雛形。如交通部天津港灣工程研究所研制的TH 型減水劑, 廣東湛江外加劑廠生產的FDN 減水劑, 北京城建集團總公司構件廠研制的復合I 型減水劑、復合Ⅱ型減水劑等。
3.2.2 制定高摻量粉煤灰砼有關應用方面的規范組織科研單位和大專院校對高摻量粉煤灰砼拌合物的性能進行系統試驗研究, 在此基礎上制定出高摻量粉煤灰砼的設計規范和施工驗收規范, 將我國高摻量粉煤灰砼技術的應用和發展納入法制軌道, 以使設計單位、施工單位和監理單位有章可循。
3.2.3 加大宣傳力度, 增加投入, 促進粉煤灰利用技術發展充分利用各種手段和途徑廣泛宣傳粉煤灰利用的意義, 提高人們對粉煤灰利用在節能和環境保護方面重要性的認識。利用粉煤灰資源是一項微利的事業, 國家對用灰戶應在政策上給以扶持, 只有這樣,才能調動用灰戶的積極性, 才能使粉煤灰的利用率得以穩定和提高, 才能促進粉煤灰利用技術的發展。
4 高摻量粉煤灰砼的應用前景
4.1 國內外粉煤灰利用情況
世界主要產煤國家中, 粉煤灰排放量大國主要是前蘇聯、中國和美國, 其次是印度、德國、波蘭及羅馬尼亞等, 煤灰利用率接近和超過50%的國家有意大利、丹麥、比利時、法國、德國、英國和日本, 荷蘭達100%以上, 而前蘇聯不足10%。除前蘇聯外, 大部分歐洲國家粉煤灰產量都不太高, 但粉煤灰的利用率卻比世界其他國家和地區高很多。粉煤灰的利用率受各種因素制約, 如政府的重視程度、有關法規的制定、大眾的環境意識、國家的經濟條件、粉煤灰利用的研究水平等。
我國各地的粉煤灰利用率差別甚大, 1986～1990年間, 全國大型燃煤發電廠的粉煤灰年平均利用率由22.7%增至27.65%。在此期間, 上海市年平均利用率最高為74.5%( 1986 年) , 最低為45.85%( 1990 年) ;天津市為70.0%( 1988 年) ; 成都市為60.7%( 1987年) ; 江蘇省為35.3%( 1988 年) , 而江蘇省南通市最高為151.3%( 1987 年, 包括用往年的儲灰) ; 西安某燃煤熱電廠在1979～1989 年的10 年中, 每年利用率為100%～120%。
4.2 高摻量粉煤灰砼在工程中的應用情況
4.2.1 在大壩工程中的應用開發高摻量粉煤灰砼開始是為了用于碾壓砼筑壩。如英國的Milton Brook 壩,芯部碾壓砼粉煤灰摻量為73%; 美國的上靜水壩, 芯部碾壓砼粉煤灰摻量為75%。我國廣西巖灘水電站的圍堰施工, 亦采用了碾壓砼, 粉煤灰摻量為70%。高摻量粉煤灰砼除用于大壩芯部碾壓砼外, 還適用于面層滑模砼施工。
4.2.2 在道路工程中的應用高摻量粉煤灰砼除用于大壩施工外, 很快被推廣應用到道路工程中。如英國Heathrow機場、M25 公路、Didcot 電站煤運區的路基、Gatwick 機場、A126 干線公路的路面等均采用了高摻量粉煤灰砼。
4.2.3 在結構砼中的應用高摻量粉煤灰砼從路面用的低坍落度砼擴展到中或大坍落度的配筋結構砼。如英國的Didcot 儲油罐鋼筋砼基礎、Wincanton 污水處理廠和Grangetown 高架橋等工程均采用了高摻量粉煤灰砼, 其中Wincanton 污水處理廠的砼有高抗硫酸鹽的要求, 其集料可能會發生堿硅反應, 而高摻量粉煤灰砼能經濟有效地解決這些問題。
4.3 高摻量粉煤灰砼應用前景分析
當前, 隨著我國經濟社會的發展, 高層建筑、高速公路、橋梁工程等大規模發展, 節省投資、確保工程質量、特別是建筑物的耐久性顯得尤為重要。同時, 我國粉煤灰的年排放量已達到8000 萬t 以上, 且增長迅猛, 但粉煤灰的利用率很低, 發展高摻量粉煤灰砼為充分利用資源、節約能源、維護環境以及降低成本提供了新的途徑。因此, 研究和開發高摻量粉煤灰砼具有十分廣闊的應用前景。
4.4 效益分析
4.4.1 經濟效益分析表3 列出了基準砼和粉煤灰砼C20、C30 兩個強度等級的砼材料成本分析的結果。可以看出每m3 C20、C30 粉煤灰砼較基準粉煤灰砼分別節省材料費8.67 元和8.60 元。
4.4.2 社會效益分析高摻量粉煤灰砼的應用具有顯著的社會效益和生態效益, 可以吃掉大量的粉煤灰,減少環境污染, 節約能源, 化害為利, 變廢為寶, 為國家節約大量水泥, 并且工程造價大幅度下降。發展高摻量粉煤灰砼是一項造福社會、造福人類的綜合利用項目。
5 結語
高摻量粉煤灰砼是一種既實用又經濟的建筑材料, 隨著高摻量粉煤灰砼應用范圍的擴大, 進一步研究和開發高摻量粉煤灰砼的配制技術, 配制更優性能的高摻量粉煤灰砼, 其應用前景是相當誘人的。
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