大掺量粉煤灰高性能混凝土在土建工程中应用现状及其分析

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应用技术

大掺量粉煤灰高性能混凝土在土建工程中应用现状及其分析Present Application Status of High Performance Large Volume Fly Ash in Civil Engineering Projects and Its Analysis

　陈　瑜　(中南大学土木建筑学院长沙410075)

　张大千　(省审计署驻长沙办事处410001)

　周士琼　(长沙交通学院育才———布朗公沙410076)

　　摘　要:　混凝土能否长期作为最主要的建筑材料,关键在于能否成为经济的、与环境协调的绿色材料,纳入可持续发展的轨道。本文探讨了大掺量粉煤灰高性能混凝土的主要性能特点,介绍了大掺量粉煤灰高性能混凝土在土建工程

中的几个应用实例,并简要分析了当前存在的问题。

　　关键词:　高性能混凝土;道路工程;粉煤灰;耐磨性

　　中图分类号:TU528.31　　　　文献标识码:B　

1　前言

　　近年来,粉煤灰等量取代水泥40%～70%的大掺量粉煤灰高性能混凝土已日趋发展成熟,并逐步在商品混凝土、道路、水工、房建等工程中得到越来越广泛的应用。笔者在大掺量粉煤灰高性能混凝土相关试验和典型工程实践的基础上,结合国内同行研究及工程应用成果,主要介绍了大掺量粉煤灰高性能混凝土的几个应用实例及其可喜的技术经济效益,并初步分析了目前大掺量粉煤灰混凝土推广应用存在的问题。2　大掺量粉煤灰高性能混凝土的性能及应用现状

　　通过掺加高效减水剂,降低水胶比,对于提高混凝土的中、后期强度与耐久性是非常必要的。然而一方面,水胶比的降低虽对于粉煤灰混凝土的早期强度有一定效果,但仍不能从根本上解决粉煤灰混凝土早期强度低的问题;另一方面,水胶比也不是可以无降低的,而且一些混凝土结构对强度要求不太高,过多地掺入减水剂一再降低水胶比显然没有必要,经济上也不划算。因此必须从挖掘粉煤灰自身潜力出发,如能采用机械粉磨和化学激发等方法提高粉煤灰的早期活性,无疑对粉煤灰的推广应用具有重要意义。

　　笔者采用粉煤灰复合超细粉(PFAC)等量取代30%～70%水泥和高效复合减水剂制备的粉煤灰HPC具有如下优异的工作性、力学性能、体积稳定性以及耐久性。所谓PFAC(FA+CF),即在超细磨粉煤灰中掺入少量某种无机活性激发剂CF复合改性而成。2.1　性能特点

　　良好的流动性和粘聚性,不离析、不泌水,坍落度易于控制,混凝土内部均匀密实,施工性好且其凝结硬化较普通混凝土慢的特点有利于商品混凝土的长距离运输。当粉煤灰掺量大于40%后,可适当降低砂率(降低0.04左右),以克服新拌混凝土粘度偏大。

　　早期强度的发展能满足一般建筑工程的要求,后期强度高。大掺量粉煤灰高性能混凝土中各组分的配合比可以有较大的灵活性,完全可以根据工程具体要求配制出早期强度较高的混凝土。例如,我们配制的混凝土,胶凝材料总量为460kg/m3,粉煤灰掺量占60%左右,水胶比0.28,其1d、3d、7d和28d抗压强度分别达到18.2MPa、21.5MPa、34.7MPa和48.6MPa,完全满足一般工程的要求。同时,大掺量粉煤灰高性能混凝土的后期强度储备大,随着时间的推移,其后期强度发展空间远胜于普通混凝土。28d设计抗压强度为25MPa、粉煤灰掺量为55%的广东省某大坝工程,2年后钻芯取样测其抗压强度达56.3MPa。此外,大掺量粉煤灰高性能混凝土的变形性能也优于普通混凝土,弹性模量和干缩较小、徐变较大,在一定程度上改善了高强混凝土的脆性,因此不易开裂。

　　值得一提的是,笔者关于道路粉煤灰混凝土耐磨性能的专项研究结果说明:过去认为粉煤灰混凝土耐磨能力低于普通混凝土的观点至少是不全面的,粉煤灰颗粒是由很坚硬的壳层组成,从颗粒本身来说,掺入混凝土后,对耐磨性能应该有利。试验保持各组混凝土的胶凝材料360kg恒定不变,调整用水量及高效减

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　5/2003　粉煤灰水剂剂量以控制道路混凝土坍落度20～40mm,28d抗压强度在C45左右变化不大。考察混凝土在胶凝材料总量一定、坍落度和强度大致相等的条件下,PFAC 对粉煤灰HPC耐磨性的影响(见表1)。

　　　表1PFAC对HPC耐磨性能的影响

编号PFAC

(%)

方　　案

用水量

(kg/m3)

潭建

(%)

坍落度

(mm)

抗压强度

(MPa)

平均磨耗率

(%)

相对磨耗率

(%)

1 2 3 40

20

40

60

PFAC掺量变化

166

144

130

104

0.3

0.4

0.8

20

30

30

20

44.4

48.7

50.6

51.6

4.57

3.62

4.16

4.18

100

79

91

92

100

5

6 740

超细磨粉煤灰

未改性原状粉煤灰

掺入8%硅粉

1300.4

3551.8 3.9494

2544.6 4.48108108

2051.2 4.0699

　　注:①湘乡525号普硅水泥,5～25mm连续级配碎卵石,砂率0.32;

②磨耗率指试件磨耗前后的质量差占磨耗前的质量百分比;相对磨耗率1号～4号以1号为基准,5号～7号以3号为基准,来进行对比。

　　表1说明,同强度条件下即使不增加胶凝材料用量,粉煤灰HPC的耐磨性能尽管随着PFAC掺量的增加呈逐渐下降趋势,但仍明显高于基准混凝土的。2号PFAC掺量20%,其磨耗率仅为基准混凝土的79%;即使掺量高达60%,混凝土的耐磨性能仍略强于基准混凝土。5号使用超细磨粉煤灰配制的PFAC,其耐磨效果略好于同掺量3号粉煤灰HPC,这可能是由于粉煤灰经过机械粉磨后,其未破碎的颗粒已证明更加坚硬耐磨的缘故。而未掺活性激发剂CF 的6号混凝土,耐磨能力明显弱于3号,磨耗率上升8%。7号说明掺入适量硅粉有利于混凝土耐磨性能的提高。

2.2　工程应用现状

　　(1)道路工程

　　1996年12月,大掺量粉煤灰混凝土在南昌大学车流量最大的路段修筑了一段长70m,宽12m,厚24cm的道路。该路下层16cm厚用掺量70%的原状粉煤灰混凝土,路面8cm厚用掺量为50%的磨细粉煤灰混凝土,水胶比均为0.40左右。14d时混凝土强度为35MPa,数年来正常承受交通和环境作用,目前道路质量优良。

　　为解决当前混凝土路面破损严重,且一旦修补会造成交通中断的后果,用粉煤灰复合超细粉(PFAC)取代40%左右水泥,加入一定量硅粉和其它无机矿物配制的快硬高性能混凝土,12h抗折强度为3.2MPa,抗压强度26.9MPa,达到施工结束后12h迅速恢复交通的目的。笔者于2001年7月21日～24日在河南省新郑州市公路管理局管辖的豫03线K27+800～K28 +000段进行了12h和24h开放交通的高性能快速修补混凝土的现场应用。现场应用表明,该技术是成功的。该修补区自浇注后12h和24h后开放交通以来,截止到目前还没有出现路面承载能力不足或出现裂缝等情况,且混凝土的耐磨性好。我们认为用高性能快速修补混凝土技术来修补破损的水泥混凝土路面以达到快速开放交通是值得推广应用的。1m3高性能快速修补混凝土中,12h开放交通的水泥用量用52.5级普硅水泥时为340kg/m3,24h开放交通的用42.5级早强普硅水泥时为320kg/m3,同时粉煤灰的用量为130～135kg/m3,这在国内路面混凝土快速修补工程应用中尚属首次。

　　某高速公路路段要求混凝土的设计抗折强度5. 0MPa,7d达到通车要求。由于施工地点距离混凝土公司30km,当时气温在35℃以上,坍落度损失大,加上另半幅路面正常通车,只能采用泵送混凝土布料。为满足施工要求,采用表2的配合比生产大掺量粉煤灰高性能商品混凝土,配制出厂坍落度18～22cm,施工现场14～16cm,共泵送230m3混凝土。通过取芯劈裂试验7d抗折强度达4.76MPa,28d达6.2MPa,满足通车要求。

43COAL AS H CHINA　5/2003　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表2粉煤灰路用商品混凝土的配比及性能

编号水泥

(kg)

粉煤灰

(kg)

水胶比

减水剂

(kg)

坍落度

(cm)

28d抗折强度

(MPa)

28d抗压强度

(MPa)

折压比

(%)

1370450.437.014 6.155.30.11

2463650.3213.122 6.870.40.097

　　表3是笔者配制的一个中等强度典型商品粉煤灰高性能混凝土与普通混凝土的配合比和有关技术性能对比,显见前者的优越性。

　　　表3商品粉煤灰高性能混凝土与普通混凝土的配合比及性能

编号水泥

(kg)

粉煤灰

(kg)

水胶比FDN

(%)

坍落度

(mm)

3h坍落度

(mm)

28d抗折强度

(MPa)

28d抗压强度

(MPa)

OPC42000.330340 5.352.0 HPC2521680.30 1.2140132 5.555.3

　　(2)结构工程

　　湖南省图书城位于长沙市中心,主楼地面20层,地下2层,建筑高度92.4m,采用全现浇框架—剪力墙结构。C80粉煤灰高性能泵送混凝土应用试验选在图书城第二十层,共浇筑断面尺寸800×800mm柱子四根,试点应用混凝土量约10m3,泵送高度78m。C80粉煤灰高性能泵送混凝土经搅拌、泵送、振捣、养护全过程均按确定的方案进行,现场施工混凝土具有优异的物理力学性能,浇筑的钢筋混凝土柱表面光洁,气孔少,经三年多的观察未发现开裂现象。现场配制的C80粉煤灰高性能泵送混凝土的配合比为:C∶PFACⅠ∶S∶G∶W∶FDN=350∶190∶600∶1100∶140∶7.56;现场测定了八盘混凝土拌和物坍落度为195～235mm,粘聚性好,无泌水现象,且有良好的可泵性;成型的八盘混凝土立方体试件(100×100×100mm)采用人工插捣成型,待混凝土凝结后移至标准养护室,测定28d抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量、抗折强度。结果表明:八盘混凝土抗压强度平均值为88.3MPa,标准差3.5MPa,变异系数4%。由此可见,混凝土施工质量稳定,劈裂抗拉强度平均值8.2MPa,抗折强度10. 1MPa,弹性模量4.26×104MPa。由试验结果可知, 28d龄期混凝土强度拉压比为1/11,与普通高强混凝土相比,拉压比升高,特别是抗折强度达10.1MPa,说明掺粉煤灰复合超细粉的HPC表现了其增韧降脆特性。从1998年浇注至今,使用情况良好,尚未出现开裂现象(见表3)。

　　　　　　　表4省图书城混凝土的坍落度28d抗压强度检验结果

编　　号12345678

坍落度(mm)210210215225205235220195

抗压强度(MPa)90.0.291.782.586.8.591.284.0

3　存在问题与建议

　　(1)更新和转变观念。随着现代粉煤灰混凝土技术的发展,粉煤灰高性能混凝土已无可争辩地体现出一系列优异性能,在其掺量问题上再不该持保守态度了。另一方面,结构的耐久性理应受到高度重视,推广应用使用寿命长的大掺量粉煤灰混凝土无疑是问题的解决途径之一。

　　(2)提高粉煤灰品质。近年来由于电厂在很大程度上革新粉煤灰的收集技术,其品质有了明显的提高,如细度更细、烧失量更小等,当前,研究粉煤灰活性效应的激发机理和研制粉煤灰激发剂成为一个热点课题,这无疑是进一步提高粉煤灰品质的关键。

　　(3)制定相关技术规范。大掺量粉煤灰高性能混凝土属于一种新型的建筑结构材料,仅仅局限在试验室研究和部分工程中应用是很难推动其发展的,必须尽快制定严格的、可操作的相关技术规范以指导工程实践。

　　(4)规范粉煤灰的销售市场。工程承包商往往更多的是考虑经济效益,而粉煤灰的综合利用不仅仅是一个经济问题,更是一个社会问题。有关部门应规范粉煤灰的销售市场,必要时给予一定的扶持,使粉煤灰利用得到有序、良性持续发展。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　5/2003　粉煤灰