粉煤灰混凝土的性能研究

文章编号:1009-6825(2011)19-0112-03 粉煤灰混凝土的性能研究 收稿日期:2011-03-18 作者简介:刘 刚(1978-)，男，助理工程师，广州市水务科学研究所，广东 广州 510220 刘 刚 摘 要:指出粉煤灰是高性能混凝土的主要掺合料之一，掺加粉煤灰直接影响到混凝土的各方面性能，通过实验和理论 分析，研究了粉煤灰混凝土的施工性能、力学性能以及耐久性，认为混凝土中掺加适量的粉煤灰能够很大程度上使混凝 土性能优化。 关键词:粉煤灰，混凝土，施工性能，力学性能，耐久性 中图分类号:TU528． 2 文献标识码:A 粉煤灰是火力发电厂煤粉在锅炉中燃烧后排出的灰色粉状 废弃物，是一种具有活性的人工火山灰质材料。当前，其全球的 产量约 6． 5 亿 t，其中超过 50%未被利用，不是被长期堆积，就是 被处理掉。只有很小比例的粉煤灰被当作一种高价值的资源材 料，用作混凝土中的水泥组分材料。用粉煤灰大量替代水泥掺加 到混凝土中不仅可以减少污染、节约能源、降低混凝土的经济成 本，而且使混凝土的各方面性能得到改善。因此粉煤灰混凝土具 有“绿色环保”的应用前景，能产生良好的经济效益和社会效益。 粉煤灰作为混凝土的矿物活性掺合料，具有形态效应、活性 效应和微集料效应。在显微镜下显示，粉煤灰中含 70%以上的玻 璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地致密。这种形态能起到减水作 用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌 和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送 混凝土，能起到良好的润滑作用，这就是粉煤灰的“形态效应”。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 因 控制各种材料用量，将水加温至 60 ℃～ 70 ℃之间，加入乳化 剂搅拌均匀，与温度在 120 ℃～140 ℃之间的普通(165 ℃～175 ℃ SBS改性)沥青同时进入胶体磨进行高速剪切，即完成整个生产 过程，必须保证成品乳化沥青的温度不超过 85 ℃，最后放至成品 罐中储存。 3． 4 生产操作顺序 1)接通电源，在控制柜上点动启动每台电机，确认可以正常 运转后，方可开始生产。 2)开启沥青罐出口阀门和一个乳液罐出口阀门。 3)关闭加热管路的导热油阀门，停止对胶体磨加热，启动胶 体磨。 4)启动乳液泵，设定电机转速。 5)启动沥青泵，设定电机转速。沥青泵与乳液泵的转速应根 据乳化沥青中油水比的不同和系统压力的不同进行调节。 6)沥青和乳液流入胶体磨，在胶体磨的作用下从胶体磨内流 出的即为乳化沥青。随时启动乳化沥青中转泵，将乳化沥青泵入 成品罐贮存或泵入车内待用。 胶体磨间隙的调整(即转子与定子间的间隙) :原则上出厂前 已调好，不需再调整，但在生产过程中，随着温度升高，机体随之 受热膨胀，有可能使原设定的间隙破坏。调整时先旋松紧固螺 母，调时顺时针旋手柄调节环，使转子与定子间间隙减小，反之增 大，刻度盘上 1 格为 0． 01 mm 左右。调间隙时应观察电流表，电 流值应小于 56 A。 7)检验乳化沥青油水比与乳化沥青的细度。生产过程中，化 验员要定时做油水比试样检验，随时掌握油水比应符合设定的比 例。生产过程中，化验员应对乳化沥青试样进行沥青粒度观察检 验，粒度小于 5 μm的占 80%以上即为合格。 8)停机。a．停机前先关闭对设备加热的导热油阀门;b．停止 调速沥青泵;c．停止调速乳液泵;d．停止胶体磨;e．切断设备总电 源。 4 结语 随着我国多种沥青乳化剂和乳化机械的研究应用日趋成熟， 乳化沥青筑路的技术已为大家所熟识。2007 年我厂已开始生产 普通乳化沥青、改性乳化沥青，已成功使用到市内晋祠路、机场大 道、南内环街、新建路、双塔街、平阳路等各大工程，实践证明，用 我厂生产的普通乳化沥青与改性乳化沥青在沥青铺筑路面方面 已取得很好的效果。 参考文献: ［1］ 魏彦朋．乳化沥青设备的安装及乳化沥青的生产以沥青拌 和站为基础生产乳化沥青［Z］． 2009． ［2］ 西安达刚路面机械股份有限公司． GLR-6 型改性沥青乳化 设备使用说明［Z］． 2009． ［3］ 王 毅，杜 菲，黄 震．不同蒸发温度对乳化改性沥青的 性质影响［J］．山西建筑，2010，36(19) :156-157． Research on production craft of common emulsified asphalt and SBS modified emulsified asphalt LIU Yue-zhi Abstract:Taking GLR-6 modified asphalt emulsified equipment as the example，the paper researches the production crafts for the common e- mulsified asphalt and the SBS modified emulsified asphalt from the production principle，the raw materials and the operation points，and indi- cates the adoption of the common emulsified asphalt and the SBS modified emulsified asphalt to lay the pavement can achieve better effect． Key words:emulsified asphalt，emulsified equipment，production craft，principle ·211· 第 37 卷 第 19 期 2 0 1 1 年 7 月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol． 37 No． 19 Jul． 2011 粉煤灰中的化学成分含有大量活性 SiO2 及 Al2O3，在潮湿的环境 中与 Ca(OH)2 等碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化 铝酸钙等胶凝物质，对粉煤灰制品及混凝土能起到增强作用和堵 塞混凝土中的毛细组织，提高混凝土的抗腐蚀能力，这是粉煤灰 的“活性效应”。粉煤灰的“微集料效应”是指粉煤灰中粒径很小 的微珠和碎屑，在水泥石中可以相当于未水化的水泥颗粒，极细 小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显改善和增强混凝土及制 品的结构强度，提高匀质性和致密性。 1 粉煤灰对混凝土施工性能的影响 掺加粉煤灰可以改变混凝土和易性，增加混凝土粘性，减少 离析与泌水，降低由于水化热带来的混凝土温度升高，减少或消 除混凝土中碱集料反应，同时也可以节省水泥用量。 1． 1 和易性 粉煤灰混凝土中胶凝物质———水泥和粉煤灰数量要比水泥 混凝土多。粉煤灰比重较轻，同样重量粉煤灰的体积大于水泥的 体积，胶凝材料的浆体体积增加将使混凝土有较好的塑性和较好 的粘性，粉煤灰的球形颗粒将有利于混凝土的流动性能，这些使 混凝土的和易性得到改善。 1． 2 泌水 粉煤灰含有较多的微细颗粒，有助于截断混凝土内泌水通 道，降低混凝土的泌水率。 1． 3 改善泵送性能 粉煤灰与水泥细度相近或比水泥还细，粘聚性强，提高了抗 离析能力，提高了混凝土的稳定性，保持混凝土可泵性和匀质性。 掺加粉煤灰的混凝土坍落度损失小，凝结时间延长，从而延长了 允许的运送时间和运送距离，扩大了泵送混凝土应用范围，不仅 改变混凝土的泵送性能，而且还可以延长泵送机械使用寿命。 1． 4 减少碱—骨料反应 碱—骨料反应是指骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生 反应，生成吸水产物，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。发生 碱骨料反应需要具备三个条件: 1)混凝土的原材料水泥、混合材、外加剂和水中含碱量高; 2)骨料中有相当数量的活性成分; 3)潮湿环境，有充分的水分或湿空气供应。粉煤灰取代部分 水泥，不仅能降低混凝土的有效含碱量，还能产生物理化学作用， 抑制碱—骨料反应。 2 粉煤灰的掺加对混凝土力学性能的影响 混凝土的力学性能一般包括:强度指标、弹性模量等性能，而 强度指标是其中最重要的力学性能。通常研究中把混凝土的 7 d 和 28 d的抗压强度以及劈拉强度作为衡量混凝土力学性能是否 合格的最重要的指标，弹性模量也是比较重要的指标。随着粉煤 灰的掺入，混凝土的早期强度会比不掺粉煤灰的普通混凝土的强 度低，但是其增长速率快，到中后期会达到甚至超过普通混凝土。 与工作性能相似，掺入不同量的粉煤灰对混凝土强度也有较大的 影响:随着粉煤灰掺量增加，混凝土的表观密度减小，混凝土早期 强度随着粉煤灰掺量而变化，当掺量较低(在 20 左右)时，对 7 d 强度影响不大，而当掺量较高(＞ 30)时，早期强度明显降低;而掺 加粉煤灰混凝土后期强度增长较快，而且在一定范围内(＜ 50)随 粉煤灰掺量增加而增大。然而，在掺加粉煤灰后，混凝土劈裂抗 拉强度的提高幅度不如抗压强度提高的幅度大，因此，劈拉强度 成为限制粉煤灰混凝土抗拉性能的一个重要因素。在弹性模量 方面，掺粉煤灰混凝土的弹性模量较普通混凝土略高，但随粉煤 灰掺量的增大而降低。此外，由于粉煤灰的掺入，会使混凝土的 早期强度和极限拉伸值过低，有可能使混凝土无法承受早期的温 度应力和干缩应力而导致结构出现裂缝。在混凝土中掺入粉煤 灰替代水泥，可以有效提高混凝土的抗压强度、抗拉强度和弹性 模量等力学性能，但要进行反复实验，以确定其最佳掺量。此外， 在施工中还要注意掺粉煤灰混凝土早期强度较低的特点。 3 粉煤灰混凝土的耐久性能 3． 1 抗渗性、抗冻性 在粉煤灰掺量很高的情况下，混凝土仍具有良好的抗渗性 能。粉煤灰混凝土优良的抗渗性能为实验和工程实践所证实，如 有防水要求的建筑工程，常采用掺加粉煤灰的措施来提高混凝土 的抗渗性能。混凝土的抗冻性与混凝土的抗拉强度、孔隙率和孔 隙结构特征有关。混凝土的抗拉强度高，孔隙率低，孔隙细小不 连通，其抗冻性就好。粉煤灰恰恰改善了混凝土这几方面的性 能，使混凝土的抗冻性提高。高掺量粉煤灰混凝土亦具有适宜的 气孔参数及令人满意的抗冻性;但与普通混凝土相比，其抗盐冻 剥蚀性能较差。 3． 2 耐蚀性 粉煤灰混凝土耐溶出性侵蚀、酸性侵蚀和盐类侵蚀的能力增 强。其效应如下: 1)粉煤灰使混凝土的密实度提高，阻止了软水和腐蚀介质的 渗透; 2)粉煤灰混凝土中水泥水化产物 Ca(OH)2 的量少; 3)粉煤灰使高盐基的水化铝酸钙水解成为极限石灰浓度较 低的低盐基水化铝酸钙，因而消除或减少了高硫型水化硫铝酸钙 形成的可能性，更易形成低硫型水化硫铝酸钙。低硫型水化硫铝 酸钙在远离含铝固相表面的液相中以分散状析出结晶，填充原来 的充水空间，不仅不会产生有害的内应力，而且还可作为水泥石 的有效组织结构，增强水泥石的密实性和强度。 3． 3 碳化 粉煤灰对混凝土碳化的影响具有两面性:一方面，粉煤灰的 取代效应和二次反应使混凝土中 Ca(OH)2 的量减少，碳化进程 加快，这是不利的一面;另一方面，粉煤灰的微集料效应使混凝土 孔隙细化，结构致密，阻止 CO2 和水的渗透，延缓了碳化进程。粉 煤灰混凝土综合抗碳化性能有所提高，有利于保护钢筋表面的钝 化膜。 3． 4 钢筋防锈 粉煤灰混凝土因密实性提高，孔隙结构改善和水化产物的变 化，具有较高的抗氯离子渗透能力和较高的电阻抗，从而有效地 抑制氯离子对钢筋的电化学锈蚀及杂散电流对钢筋的腐蚀，使混 凝土对钢筋的保护能力提高。 3． 5 碱骨料反应 水泥中强碱含量高、活性骨料和水的存在是碱骨料反应发生 的充要条件。粉煤灰结合了水泥中 95%的强碱，且不会浸出，破 坏了产生碱骨料反应的条件，消除或减轻了碱骨料反应的危害。 此外，粉煤灰还能提高混凝土的耐磨性和耐热性。 4 结语 粉煤灰作为燃煤电厂的副产品，量大且来源稳定，如果利用 不好，不仅占地、占水域，而且污染环境。对于工程中添加粉煤灰 作为混凝土的成分，不但节约了成本，而且提高了混凝土的强度， 明显改善混凝土的工作性、力学性能和耐久性。由于粉煤灰混凝 土的性能较好，在各种大大小小的工程中应用变得日益广泛，具有 ·311· 第 37 卷 第 19 期 2 0 1 1 年 7 月 刘 刚:粉煤灰混凝土的性能研究 文章编号:1009-6825(2011)19-0114-02 纤维沥青混凝土路用性能研究 收稿日期:2011-03-01 作者简介:曾靖钰(1973-)，女，陕西省榆林公路管理局农村管理处，陕西 榆林 719000 高 莉(1973-)，女，工程师，陕西省榆林公路管理局第三工程处，陕西 榆林 719000 曾靖钰 高 莉 摘 要:分析了纤维在沥青混凝土中的吸附、稳定和阻滞作用，并指出纤维沥青混凝土对裂缝扩展的影响，阐述了其抗疲 劳性能、高温稳定性能和低温抗裂性能方面的作用，以延长沥青路面的使用寿命。 关键词:道路工程，纤维沥青混凝土，路用性能 中图分类号:TU528． 42 文献标识码:A 0 引言 如何改善沥青路面使用品质，延长路面的使用寿命，提高投 资效益，是公路交通部门面临的重要问题。欧美一些国家广泛开 展了纤维加强沥青材料的应用研究，并形成了一些专利产品。主 要有橡胶改性、塑料改性和纤维改性等，其中德国首先提出并采 用了纤维增强改性方法，使用结果表明 1 g 纤维增强改性沥青可 以显著地提高公路沥青的稳定性和强度，大大地延长了沥青路面 的使用寿命，取得了明显的经济和社会效益。 1 机理分析 1． 1 吸附作用 纤维直径一般小于 20 μm，有相当大的比表面积，每克纤维的 表面积可达数平方米以上。纤维分散到沥青中，其巨大的表面积 成为可使沥青浸润的界面，在此界面上纤维可以吸附大量的沥 青，形成有一定厚度的、一个新形成的相，称为界面层。界面层的 结构与性质取决于沥青与纤维两相的性质，界面层的作用是连接 两相并传递、缓冲两相间的应力，是影响整个纤维沥青材料物理、 力学性能的关键。沥青中酸性树脂组分是一种表面活性物质，它 与纤维表面产生的吸附作用、物理浸润作用以及有时存在的化学 键作用，使沥青呈单分子状排列在纤维表面，形成结合力牢固的 “结构沥青”界面层。 结构沥青比界面层以外的自由沥青粘性大，温度敏感性低， 耐热性好。同时，由于纤维直径纤细，纤维及其周围结构沥青一 同裹覆于集料表面，使集料表面沥青膜厚度增大。混合料中由于 纤维加入，使沥青用量增加，从而导致沥青膜较常规密级配混合 料增厚 65% ～ 113%。较厚的沥青膜与其形成较小的孔隙，减慢 了沥青老化速率，从而可使沥青较长时间地维持其粘弹性，降低 了沥青的温度敏感性，改善了沥青混合料的高温和低温性能。 1． 2 稳定作用 短纤维在沥青基体内的分布是三向随机的。由于截面纤细， 使得纤维掺量不大的沥青基体内，短纤维数目却相当大，形成纵 横交织的空间网络。如纤维掺量为 3． 2%时(约占沥青混合料重 0． 2%，以下以 0． 2%表示该掺量) ，每克沥青中约有 5 200 根纤 维。纵横交错的纤维形成的纤维骨架结构网以及“结构沥青”网， 增大了结构沥青比例，减薄了自由沥青膜，使玛 脂粘性增大，软 化点上升，温度稳定性大幅度提高。同时纤维的“加劲”使沥青混 合料可使用稠度较低的沥青，这样也有助于减少低温裂缝的出 现。美国铺筑的 86 个 SMA路段检查结果表明，这些路段几乎没 有裂缝产生，观察到的少量裂缝仅是反射裂缝，这与纤维改性的 较高的沥青用量和稠度较低沥青所组成的玛 脂性能是密切有 关的。 1． 3 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 阻滞作用 显著的技术、经济和社会效益。 参考文献: ［1］ 张云莲．粉煤灰与混凝土结构的耐久性［J］． 腐蚀与防护， 2002，23(7) :305． ［2］ 李秋义，李家和，杨向宁．高掺量粉煤灰混凝土力学性能试 验研究［J］．低温建筑技术，2002(2) :42-43． ［3］ 牛季收，王保君．粉煤灰在混凝土的效应及应用［J］．铁道建 筑，2004(3) :74-77． ［4］ 陈月顺，刘 莉，吴宏伟．粉煤灰的掺量对混凝土抗渗性的 影响［J］．新型建筑材料，2007(3) :19-22． ［5］ 余学芳，董邑宁．粉煤灰混凝土的抗裂性分析［J］．混凝土， 2003(2) :48-49，63． ［6］ 谷章昭，杨钱荣，吴学礼．大掺量粉煤灰混凝土［J］．粉煤灰， 2002，2(25) :28． ［7］ 钱觉时．粉煤灰特性与粉煤灰混凝土［M］． 北京:科学出版 社，2002． ［8］ 李景民．试论粉煤灰混凝土的耐久性［J］．科技情报开发与 经济，2002，12(1) :160． ［9］ 刘数华，方坤河，申海莲，等．粉煤灰对混凝土的需水量、坍落 度和泌水性的影响［J］．粉煤灰综合利用，2005(3):47-48． Study on ability of fly ash concrete LIU Gang Abstract:Points out fly ash was one of major mineral admixtures，and affected the abilities of concrete． Through experiment and theoretical a- nalysis，the workability，mechanical properties and durability of fly ash concrete were studied in the paper． It is considered that the proper a- mount of fly ash could optimize the ability of concrete． Key words:fly ash，concrete，workability，mechanical properties，durability ·411· 第 37 卷 第 19 期 2 0 1 1 年 7 月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECTURE Vol． 37 No． 19 Jul． 2011