低等級濕排粉煤灰在混凝土中的應用
2006-12-06 00:00
通過水力排灰管道輸入貯灰池中堆放的粉煤灰被稱為濕排粉煤灰，簡稱濕排灰。在我國其含量約占總排灰量的90％。當前，國內對粉煤灰的利用主要是對價格相對較高的干排粉煤灰，由于濕排灰的活性差，顆粒粗，利用率很低，每年須耗費巨資建設堆放場地，不但占用良田，大風天氣還極易揚塵，嚴重污染環境，濕排灰的開發利用刻不容緩。如能直接加以利用將產生很大的社會效益。提高濕排粉煤灰的活性是加大其利用的關鍵。研究發現：摻人混凝土中的粉煤灰因具備了火山灰活性效應、微集料密實填充及顆粒形態效應等一系列可貴的品質，大大提高了混凝土的性能。早在1954年美國的Davis教授就提出：粉煤灰等火山灰質材料不是波特蘭水泥的替代物，而是混凝土的另一組成部分。直到今天，關于粉煤灰作為混凝土除水泥、骨料、水之外的第四組分，業已達成共識。
我國電廠占排放量90％以上的低等級粉煤灰(Ⅲ級灰或等外灰)由于活性較低，需水量大、灰樣的需水量為105％一114％；不能直接用作混凝土的活性摻合料；同時大摻量粉煤灰的混凝土早期強度偏低也限制了粉煤灰的應用。隨著我國經濟建設的高速增長，混凝土的用量急劇增大，對混凝土材料實現綠色的要求也日益迫切，為此，國內已有一些試驗研究了用排放量較大的低等級濕排粉煤灰配制中低強度混凝土，取得了良好的效果。基于我國對高強度混凝土的利用日益增多，因此我們通過試驗，對低等級濕排粉煤灰配制C20～C50混凝土進行了研究。
1 試驗材料
粉煤灰：白武漢青山熱電廠Ⅲ級濕排粉煤灰，原狀灰含水率30％左右，45µ m方孔篩篩余34，8％，燒失量4．85％，需水量比105％，為低鈣粉煤灰。
熟石灰：廣西貴港市平南縣大成熟石灰廠生產的普通“建美”牌熟石灰粉，Ca(OH)2含量為55％以上，酸不溶物0．5％左右，細度大于100目。
生石膏：湖北應城產的生石膏，SO3含量38．3％。
水泥：黎家坪水泥廠浯溪52．5普通硅酸鹽水泥，新生水泥廠牛力42．5級普通硅酸鹽水泥、32．5級礦渣硅酸鹽水泥。
骨料：細骨料為中砂，M小＝2．62，表觀密度2 500kg／m3；粗骨料為卵石，Dmax=20mm，表觀密度2 590kg／m3。
減水劑：廣州市瀚邦化工有限公司生產的SPS高效減水劑。
助磨劑：jH型高效粉煤灰礦粉助磨劑
2 試驗方法及結果
2．1 粉煤灰的活化
根據國內外經驗，發現粉煤灰的45 vm方孔篩篩余物是一些粗大多孔的顆粒，嚴重影響了粉煤灰的細度，大大提高需水量，使粉煤灰的早期活性明顯降低。本研究采用化學激發、水熱激發與機械磨細相結合的高效復合活化技術對低等級粉煤灰進行活化處理，制成具有高活性的活化粉煤灰。其方法為：將含水濕排粉煤灰在100℃左右烘干后，加助磨劑細磨40min(試驗證明，摻加jH型粉煤灰助磨劑粉磨40min效果較好，見表1)，細度達到45µm方孔篩篩余4％左右即成為活化粉煤灰。通過SEM觀察，可以看到粉磨后的粉煤灰存在大量比原狀粉煤灰小得多的微珠以及一定量的不規則小塊，顆粒表面被磨蝕，不再光滑致密，表面凸凹不平并有許多磨傷裂紋。正是由于粉煤灰顆粒表面積的增加和外部損傷的存在，大大加速了其早期水化反應。
表1 助磨劑與粉磨時間對粉煤灰比表面積的影響 m2／kg
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項目 |
原灰 |
粉磨20min |
粉磨40min |
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不摻助磨劑 |
289 |
436 |
490 |
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摻0.03%JH型高效粉煤灰礦粉助磨劑 |
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546 |
675 |
2．2 試驗結果
對經活化的粉煤灰進行不同摻量配制C20～C50混凝土的試驗研究，其中C20混凝土用32．5級礦渣硅酸鹽水泥，粉煤灰超代系數為1．2；C30～C50混凝土用42．5級普通硅酸鹽水泥，超量系數為1．3。為比較活化效果，同時做了僅采用機械磨細活化方式，粉煤灰摻量為30％的C30混凝土的對比試驗。試驗配合比及結果見表2。
表2 低等級濕排活化粉煤灰混凝土的配合比及試驗結果
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試
件 |
配合比／（kg·m－3） |
粉煤灰
取代率
／% |
水膠比 |
坍落度／mm |
抗壓強度／MPa |
P火山／% | |||||||
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水泥 |
粉煤灰 |
砂 |
石 |
水 |
JH |
7d |
28d |
60d | |||||
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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：表中各試樣混凝土強度等級：A1~A4試樣為C20；B1～B4試樣為C30；C1~C5試樣為C40；D1～D5試樣為C50；B22試樣為C30,采用原狀磨細粉煤灰。
3 結果分析
3．1 混凝土的和易性
試驗中發現，當粉煤灰摻量在20％～40％，同時摻高效減水劑，混凝土的流動性、和易性良好無離析泌水現象，坍落度經時損失小，粘聚性、保水性均優于基準混凝土；當粉煤灰摻量大于40％時，混凝土的流動性下降，對于C50混凝土尤為明顯，需加大減水劑摻量，才能保證成型質量。這說明低等級粉煤灰雖經活化處理，需水性有所降低，但仍大于100％，不及優質I級灰(≤95％)。
3．2 混凝土的強度
(1)摻活性粉煤灰20％～50％的C20混凝土，7d強度除摻量50％的外，均達到基準混凝土的強度，28d與60 d均超過基準混凝土，當粉煤灰摻量為50％時，28 d強度仍達到基準混凝土的122％；(2)C30的混凝土，孔抗壓強度與基準混凝土相近且略超過基準混凝土，28d與60d強度也均超過基準混凝土。而摻30％僅采用機械磨細方式活化的粉煤灰配制的混凝土試件，其7 d、28d的抗壓強度均低于基準混凝土，分別為87％、94％，60d抗壓強度才與基準混凝土相當。(3)對于C40混凝土，不論何種摻量，7d、28d、60d的強度均達到或超過基準混凝土的強度。(4)對于C50混凝土，當粉煤灰摻量在20％～30％時，7 d抗壓強度與基準混凝土相當或略低，粉煤灰摻量在40％～50％時，7 d混凝土強度分別為88％和84％，低于基準試樣，但對28d、60d強度而言，不論何種摻量，均達到或超過基準混凝土。(5)混凝土的早期強度隨著粉煤灰摻量的增大而降低，對于C50混凝土降低的最快；(6)對混凝土的28d強度提高最多的粉煤灰摻量為20％，其中C40混凝土由為明顯；(?)無論粉煤灰以何種摻量，C20～C50混凝土的晚期強度均能達到要求。粉煤灰不同摻量混凝土的?d、28d、60d強度比如圖1一圖4所示。
3．3 粉煤灰的火山灰活性
活性摻合料對混凝土強度的貢獻可用摻合料的火山灰效應強度貢獻率或摻料的活性指數來定量表征。根據文獻L1]，單位活性礦物(1％的活性礦物摻料)所提供的火山灰效應強度貢獻率定義為該摻料的活性指數／4，即
A=p火山／q摻
式中，q摻為活性礦物摻料摻量，％；P火山為摻料的火山灰效應強度貢獻率，％。
P火山＝R比火／R比摻×100％
式中，R比火為混凝土的火山效應比強度；R比摻為含摻料混凝土的比強度。
活性摻料的火山灰效應強度貢獻率愈大，則其火山灰效應對混凝土強度的貢獻愈大；活性摻料的活性指數愈大，則其火山灰活性愈高。計算出的混凝土28 d強度的粉煤灰的火山灰效應強度貢獻率見表2，其活性指數A如圖5所示。
圖5 摻料的活性指數A
由表2及圖5可知：(1)對于C20～C50混凝土，隨著活化粉煤灰摻量的增大，粉煤灰在混凝土中的火山灰效應強度貢獻率也相應增大；(2)經復合活化的粉煤灰活性指數除D4、D5接近1外，其它均大于l，具有較高活性，說明采用復合活化方式對低等級濕排灰進行活化處理后，其火山灰活性大大提高；(3)僅采用機械磨細活化方式處理的粉煤灰配制的B33試件，其火山灰效應強度貢獻率和活性指數分別為25．26％與0．842，明顯低于相同摻量的B3試件的36．84％與1．288，說明其活性不如采用復合活化方式處理的粉煤灰。(4)當粉煤灰摻量為20％時，C20～C50混凝土的粉煤灰活性指數A最大；(5)對于粉煤灰相同摻量的C20～C50混凝土，粉煤灰活性指數A隨著混凝土等級的提高而降低。
4 結論
（1）采用化學激發、水熱激發與機械磨細相結合的高效復合活化對低等級濕排粉煤灰進行預活化處理，可較大地提高其化學活性，制備成高活性的粉煤灰摻合料，可用于配制高摻量粉煤灰的混凝土。
（2）當粉煤灰超代系數為1.2～1.3時：對C20～C40卵石混凝土，粉煤灰取代水泥率可達到40%～50%，7d強度與基準混凝土相當，28d與60d強度均超過基準混凝土；對于C50卵石混凝土，粉煤灰取代水泥率仍可達到40%～50%，但7d強度稍低于基準混凝土，面28d與60d強度均達到或超過基準混凝土。
摘自：中國混凝土網
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