低等级湿排粉煤灰在混凝土中的应用
2006-12-06 00:00
通过水力排灰管道输入贮灰池中堆放的粉煤灰被称为湿排粉煤灰，简称湿排灰。在我国其含量约占总排灰量的90％。当前，国内对粉煤灰的利用主要是对价格相对较高的干排粉煤灰，由于湿排灰的活性差，颗粒粗，利用率很低，每年须耗费巨资建设堆放场地，不但占用良田，大风天气还极易扬尘，严重污染环境，湿排灰的开发利用刻不容缓。如能直接加以利用将产生很大的社会效益。提高湿排粉煤灰的活性是加大其利用的关键。研究发现：掺人混凝土中的粉煤灰因具备了火山灰活性效应、微集料密实填充及颗粒形态效应等一系列可贵的品质，大大提高了混凝土的性能。早在1954年美国的Davis教授就提出：粉煤灰等火山灰质材料不是波特兰水泥的替代物，而是混凝土的另一组成部分。直到今天，关于粉煤灰作为混凝土除水泥、骨料、水之外的第四组分，业已达成共识。
我国电厂占排放量90％以上的低等级粉煤灰(Ⅲ级灰或等外灰)由于活性较低，需水量大、灰样的需水量为105％一114％；不能直接用作混凝土的活性掺合料；同时大掺量粉煤灰的混凝土早期强度偏低也限制了粉煤灰的应用。随着我国经济建设的高速增长，混凝土的用量急剧增大，对混凝土材料实现绿色的要求也日益迫切，为此，国内已有一些试验研究了用排放量较大的低等级湿排粉煤灰配制中低强度混凝土，取得了良好的效果。基于我国对高强度混凝土的利用日益增多，因此我们通过试验，对低等级湿排粉煤灰配制C20～C50混凝土进行了研究。
1 试验材料
粉煤灰：白武汉青山热电厂Ⅲ级湿排粉煤灰，原状灰含水率30％左右，45µ m方孔筛筛余34，8％，烧失量4．85％，需水量比105％，为低钙粉煤灰。
熟石灰：广西贵港市平南县大成熟石灰厂生产的普通“建美”牌熟石灰粉，Ca(OH)2含量为55％以上，酸不溶物0．5％左右，细度大于100目。
生石膏：湖北应城产的生石膏，SO3含量38．3％。
水泥：黎家坪水泥厂浯溪52．5普通硅酸盐水泥，新生水泥厂牛力42．5级普通硅酸盐水泥、32．5级矿渣硅酸盐水泥。
骨料：细骨料为中砂，M小＝2．62，表观密度2 500kg／m3；粗骨料为卵石，Dmax=20mm，表观密度2 590kg／m3。
减水剂：广州市瀚邦化工有限公司生产的SPS高效减水剂。
助磨剂：jH型高效粉煤灰矿粉助磨剂
2 试验方法及结果
2．1 粉煤灰的活化
根据国内外经验，发现粉煤灰的45 vm方孔筛筛余物是一些粗大多孔的颗粒，严重影响了粉煤灰的细度，大大提高需水量，使粉煤灰的早期活性明显降低。本研究采用化学激发、水热激发与机械磨细相结合的高效复合活化技术对低等级粉煤灰进行活化处理，制成具有高活性的活化粉煤灰。其方法为：将含水湿排粉煤灰在100℃左右烘干后，加助磨剂细磨40min(试验证明，掺加jH型粉煤灰助磨剂粉磨40min效果较好，见表1)，细度达到45µm方孔筛筛余4％左右即成为活化粉煤灰。通过SEM观察，可以看到粉磨后的粉煤灰存在大量比原状粉煤灰小得多的微珠以及一定量的不规则小块，颗粒表面被磨蚀，不再光滑致密，表面凸凹不平并有许多磨伤裂纹。正是由于粉煤灰颗粒表面积的增加和外部损伤的存在，大大加速了其早期水化反应。
表1 助磨剂与粉磨时间对粉煤灰比表面积的影响 m2／kg
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项目 |
原灰 |
粉磨20min |
粉磨40min |
|
不掺助磨剂 |
289 |
436 |
490 |
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掺0.03%JH型高效粉煤灰矿粉助磨剂 |
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546 |
675 |
2．2 试验结果
对经活化的粉煤灰进行不同掺量配制C20～C50混凝土的试验研究，其中C20混凝土用32．5级矿渣硅酸盐水泥，粉煤灰超代系数为1．2；C30～C50混凝土用42．5级普通硅酸盐水泥，超量系数为1．3。为比较活化效果，同时做了仅采用机械磨细活化方式，粉煤灰掺量为30％的C30混凝土的对比试验。试验配合比及结果见表2。
表2 低等级湿排活化粉煤灰混凝土的配合比及试验结果
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试
件 |
配合比／（kg·m－3） |
粉煤灰
取代率
／% |
水胶比 |
坍落度／mm |
抗压强度／MPa |
P火山／% | |||||||
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水泥 |
粉煤灰 |
砂 |
石 |
水 |
JH |
7d |
28d |
60d | |||||
|
A1 353 0 579 1 288 180 3.53 0 0.51 160 20.7 27.7 32.0 0
A2 282 85 565 1 288 180 3.66 20 0.49 160 22.3 35.7 36.8 39.63
A3 247 127 555 1 288 180 3.74 30 0.48 160 21.1 34.0 35.6 42.94
A4 212 169 547 1 288 180 3.81 40 0.47 160 20.7 32.8 36.1 49.30
A5 177 211 539 1 288 180 3.88 50 0.46 160 20.5 33.9 37.2 59.14
B1 355 0 580 1 290 175 3.55 0 0.49 150 28.1 37.7 40.0 0
B2 284 92 558 1 290 175 3.72 20 0.47 150 30.2 44.2 48.7 33.94
B3 249 138 546 1 290 175 3.87 30 0.45 150 39.7 43.0 48.2 36.84
B33 249 138 546 1 290 175 3.87 30 0.45 150 24.5 35.3 40.7 25.26
B4 213 185 531 1 290 175 4.78 40 0.44 150 28.7 40.5 43.2 44.15
B5 178 230 521 1 290 175 4.90 50 0.43 150 28.4 38.6 42.4 51.16
C1 449 0 584 1 424 175 366 0 0.39 150 39.7 46.8 533 0
C2 359 108 564 1 424 175 3.75 20 0.37 150 41.3 553 60.1 32.31
C3 314 176 538 1 424 175 3.81 30 0.36 150 40.8 49.4 566 33.67
C4 270 234 523 1 424 175 40 0.35 150 40.7 474 552 40.76
C5 225 291 508 1 424 175 428 50 0.34 150 40.2 487 55.8 51.95
D1 485 0 576 1 430 175 4.49 0 0.36 140 49.5 58.4 663 0
D2 388 126 545 1 430 175 4.67 20 0.34 140 49.3 623 682 25.01
D3 340 189 528 1 430 175 5.90 30 0.33 150 47.6 589 706 30.59
D4 291 252 512 1 430 175 6.55 40 0.32 150 43.8 582 679 39.79
D5 243 315 498 1 430 175 7.74 50 0.31 140 41.5 583 698 49.94 | |||||||||||||
注：表中各试样混凝土强度等级：A1~A4试样为C20；B1～B4试样为C30；C1~C5试样为C40；D1～D5试样为C50；B22试样为C30,采用原状磨细粉煤灰。
3 结果分析
3．1 混凝土的和易性
试验中发现，当粉煤灰掺量在20％～40％，同时掺高效减水剂，混凝土的流动性、和易性良好无离析泌水现象，坍落度经时损失小，粘聚性、保水性均优于基准混凝土；当粉煤灰掺量大于40％时，混凝土的流动性下降，对于C50混凝土尤为明显，需加大减水剂掺量，才能保证成型质量。这说明低等级粉煤灰虽经活化处理，需水性有所降低，但仍大于100％，不及优质I级灰(≤95％)。
3．2 混凝土的强度
(1)掺活性粉煤灰20％～50％的C20混凝土，7d强度除掺量50％的外，均达到基准混凝土的强度，28d与60 d均超过基准混凝土，当粉煤灰掺量为50％时，28 d强度仍达到基准混凝土的122％；(2)C30的混凝土，孔抗压强度与基准混凝土相近且略超过基准混凝土，28d与60d强度也均超过基准混凝土。而掺30％仅采用机械磨细方式活化的粉煤灰配制的混凝土试件，其7 d、28d的抗压强度均低于基准混凝土，分别为87％、94％，60d抗压强度才与基准混凝土相当。(3)对于C40混凝土，不论何种掺量，7d、28d、60d的强度均达到或超过基准混凝土的强度。(4)对于C50混凝土，当粉煤灰掺量在20％～30％时，7 d抗压强度与基准混凝土相当或略低，粉煤灰掺量在40％～50％时，7 d混凝土强度分别为88％和84％，低于基准试样，但对28d、60d强度而言，不论何种掺量，均达到或超过基准混凝土。(5)混凝土的早期强度随着粉煤灰掺量的增大而降低，对于C50混凝土降低的最快；(6)对混凝土的28d强度提高最多的粉煤灰掺量为20％，其中C40混凝土由为明显；(?)无论粉煤灰以何种掺量，C20～C50混凝土的晚期强度均能达到要求。粉煤灰不同掺量混凝土的?d、28d、60d强度比如图1一图4所示。
3．3 粉煤灰的火山灰活性
活性掺合料对混凝土强度的贡献可用掺合料的火山灰效应强度贡献率或掺料的活性指数来定量表征。根据文献L1]，单位活性矿物(1％的活性矿物掺料)所提供的火山灰效应强度贡献率定义为该掺料的活性指数／4，即
A=p火山／q掺
式中，q掺为活性矿物掺料掺量，％；P火山为掺料的火山灰效应强度贡献率，％。
P火山＝R比火／R比掺×100％
式中，R比火为混凝土的火山效应比强度；R比掺为含掺料混凝土的比强度。
活性掺料的火山灰效应强度贡献率愈大，则其火山灰效应对混凝土强度的贡献愈大；活性掺料的活性指数愈大，则其火山灰活性愈高。计算出的混凝土28 d强度的粉煤灰的火山灰效应强度贡献率见表2，其活性指数A如图5所示。
图5 掺料的活性指数A
由表2及图5可知：(1)对于C20～C50混凝土，随着活化粉煤灰掺量的增大，粉煤灰在混凝土中的火山灰效应强度贡献率也相应增大；(2)经复合活化的粉煤灰活性指数除D4、D5接近1外，其它均大于l，具有较高活性，说明采用复合活化方式对低等级湿排灰进行活化处理后，其火山灰活性大大提高；(3)仅采用机械磨细活化方式处理的粉煤灰配制的B33试件，其火山灰效应强度贡献率和活性指数分别为25．26％与0．842，明显低于相同掺量的B3试件的36．84％与1．288，说明其活性不如采用复合活化方式处理的粉煤灰。(4)当粉煤灰掺量为20％时，C20～C50混凝土的粉煤灰活性指数A最大；(5)对于粉煤灰相同掺量的C20～C50混凝土，粉煤灰活性指数A随着混凝土等级的提高而降低。
4 结论
（1）采用化学激发、水热激发与机械磨细相结合的高效复合活化对低等级湿排粉煤灰进行预活化处理，可较大地提高其化学活性，制备成高活性的粉煤灰掺合料，可用于配制高掺量粉煤灰的混凝土。
（2）当粉煤灰超代系数为1.2～1.3时：对C20～C40卵石混凝土，粉煤灰取代水泥率可达到40%～50%，7d强度与基准混凝土相当，28d与60d强度均超过基准混凝土；对于C50卵石混凝土，粉煤灰取代水泥率仍可达到40%～50%，但7d强度稍低于基准混凝土，面28d与60d强度均达到或超过基准混凝土。
摘自：中国混凝土网
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