粉煤灰在大體積混凝土中的應用

應 巍

鄭州市第一建筑工程集團有限公司（450004）

粉煤灰是工業廢料,在混凝土中適量摻用,可改善混凝土的某些性能,并減少粉煤灰對環境的污染。特別是在大體積混凝土,如水工大壩中摻用,可以大大降低塊體內部混凝土溫升、簡化溫控措施,節約水泥效果也十分顯著。在大體積混凝土施工中,混凝土澆筑后,水泥在水化凝結過程中要散發大量的水化熱，由于混凝土是熱的不良導體,集中大量地澆筑大體積混凝土,混凝土內部水化放熱相對集中，熱量不易散發導致溫升很大。如果保溫措施不利的情況,容易出現混凝土開裂的問題。混凝土的內部溫升主要是水泥的水化熱引起的絕對溫升，有效降低水化熱或推遲水化熱時間,是保證大體積混凝土的關鍵技術所在。采取在大體積混凝土中大量摻入粉煤灰可減少水泥用量、降低水化熱、且能改善泵送混凝土的性能,不失為一種良好的方法。在摻入大量粉煤灰的同時,加入緩凝劑延遲熱鋒出現的時間。

1 混凝土的原材料及配合比

1.1 原材料

1）水泥:選用強度等級為42.5的硅酸鹽水泥。2）粉煤灰:取自某電廠。該粉煤灰品質接近級標準,需水量比為103%,強度比為76%。3）砂:人工砂,細度模數 2.8～2.9。4）粗集料:人工石,小石、中石、大石和特大石的粒徑分別為 5～20 mm、20～40 mm、40～80mm、80～150mm。

1.2 配合比設計

1）摻加粉煤灰的混凝土強度發展比較快，摻量為30%～35%的粉煤灰混凝土，90 d的強度和極限拉伸值已趨近,甚至超過了基準混凝土。這說明摻用的粉煤灰品質能夠滿足此水工混凝土工程的要求。

2）由于早期二次水化反應進行緩慢,使得摻粉煤灰混凝土的早期強度(7 d、28 d)和極限拉伸值均低于基準混凝土,且摻量越大,降低越多。對于一般的建筑工程來說,工期要求較短,28 d齡期粉煤灰混凝土的性能與基準混凝土差別偏大。因此,應改善粉煤灰的品質,如改用接近級標準的粉煤灰,或對此粉煤灰進行磨細篩分使其接近級標準。

3）摻粉煤灰的混凝土拉壓強度比高于基準混凝土，說明摻入粉煤灰后改善了混凝土的彈塑性。另外，摻粉煤灰的混凝土早期強度低，相應彈性模量也低,可降低混凝土的早期應力。這對大體積混凝土的早期抗裂產生有利的影響。

1.3 粉煤灰混凝土抗裂性能分析

試驗結果表明，摻粉煤灰的混凝土其早期強度和極限拉伸值等一般要低于基準混凝土。為此,工程技術人員對大摻量粉煤灰混凝土在大體積混凝土中，尤其是在水工高壩中的應用不夠放心，擔心容易產生早期裂縫,給大壩帶來嚴重的后果。實際上,摻粉煤灰雖然降低了混凝土的抗拉強度和極限拉伸值,但與此同時混凝土的彈性模量、干縮和水化熱溫升也有所減小,即破壞應力也下降。從這一方面來看,摻加粉煤灰增強了混凝土的抗裂能力。特別是對水工大體積混凝土來說，混凝土中水泥水化熱溫升是產生早期裂縫的一個主要因素，摻用粉煤灰代替部分水泥可有效地降低早期水化熱溫升，對大體積混凝土抗裂十分有利。因此，僅用極限拉伸值來衡量、評價粉煤灰混凝土的抗裂能力是不夠合理的。它不能反映其它諸因素對粉煤灰混凝土抗裂性能的綜合影響。例如,40%摻量的粉煤灰混凝土與基準混凝土相比,7 d抗拉強度和極限拉伸值雖然分別降低49%和36%，但彈性模量和干縮也分別降低了22%和49%,水化熱溫升也肯定降低。有人提出了一個抗裂安全系數法[1],即用抵抗能力(如抗拉強度)和破壞效應(如干縮應力)的相對比值來衡量粉煤灰混凝土的抗裂能力。通過這個綜合分析方法,可得出粉煤灰混凝土的早期抗裂能力并不亞于基準混凝土。

1.4 粉煤灰摻量對混凝土水化溫升的影響

粉煤灰摻入混凝土中，混凝土內部的水化溫升特征明顯不同于普通水泥混凝土:①粉煤灰摻入后,取代了部分水泥，混凝土的水泥水化熱峰值明顯降低并隨著粉煤灰摻量的增加,最高熱峰值逐漸降低；粉煤灰摻量為50%時,混凝土內的水化溫升值可降低近10℃左右；②粉煤灰的摻入不僅可以降低混凝間,粉煤灰摻量為30%～50%時,一般可延緩6～10 h；③粉煤灰混凝土與基準混凝土相比，其在水化早期的升溫速率與水化后期的降溫速率都減小，從曲線上看,峰值兩側曲線的斜率變小,對于大體積混凝土來說,粉煤灰的摻入可以降低混凝土內部的最高水化溫升,并減小了混凝土內部的溫升與溫降速率,降低混凝土表面與內部的溫度梯度,有利于降低溫差裂縫發生的概率；④粉煤灰混凝土在水化熱峰出現之后的降溫階段，其各測試點的溫度值較普通混凝土的同期溫度要高,并隨粉煤灰摻量的增加,體現越明顯,這是粉煤灰在水泥水化產物Ca(OH)2存在的條件下進行的二次水化反應,從長期的結果來看,粉煤灰混凝土的水化熱總和接近于普通混凝土的水化放熱總和，這也是為何粉煤灰混凝土較普通混凝土強度不降低的主要因素之一。

1.5 質量控制及結果

1）嚴把原材料質量關。按規范對水泥、砂、石等進行檢測,加強對骨料含泥量、針片狀含量、級配的檢測,保證采用合格原材料。2）控制水灰比。攪拌站及時測定砂石含水率并相應調整配比,使施工配合比符合試驗室提供的基準配合比。3）施工現場的養護,采用頂漿覆蓋塑料布薄膜的方法進行養護。4）振搗密實,不漏振、欠振。在混凝土終凝以前,用人工進行多次的抹壓,防止表面沉縮裂縫的產生。混凝土澆筑后內部溫度第3 d達最高為66度，然后溫度下降,混凝土表面沒有出現有害裂縫,經檢測，混凝土28 d抗壓強度達95%,60 d抗壓強度達120%。通過以上的措施，混凝土的質量得到了保證。

粉煤灰混凝土的早期強度和極限拉伸值與基準混凝土相比降低較多,而后期會接近或超過基準混凝土,這對以后期性能作為控制指標的水工混凝土具有實際意義。

粉煤灰混凝土的彈性模量比基準混凝土低；抗拉強度和極限拉伸值降低率小于抗壓強度降低率,塑性相對較好。

在合適的粉煤灰摻量下，粉煤灰混凝土的早期抗裂能力并不亞于基準混凝土的抗裂能力。

總之,只要粉煤灰的品質和摻量選擇適當,并與優質外加劑復摻,不但能節約水泥，降低混凝土造價,而且能充分發揮粉煤灰的活性,改善混凝土的性能。大摻量粉煤灰混凝土在大體積混凝土中的應用前景光明。