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劣質粉煤灰在混凝土中新問題頻出,甚至被建議不再使用!
瀏覽: 發布日期:2019-10-10

根據《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1956)定義,粉煤灰是電廠煤粉爐煙道氣體中收集的粉末,是一種有活性的火山灰質材料,也是預拌混凝土常用的摻和料之一。粉煤灰摻入混凝土中不僅可以節約水泥用量、降低成本,還能改善混凝土拌合物的和易性、可泵性和抹面性,降低水化熱,提高混凝土的抗滲性、抗硫酸鹽腐蝕性,抑制堿骨料反應等。摻粉煤灰的混凝土已被廣泛應用于泵送混凝土、大體積混凝土、抗滲混凝土、抗硫酸鹽和抗軟水侵蝕混凝土、蒸養混凝土、輕骨料混凝土、地下和水下工程混凝土、碾壓混凝土等,具有一定的社會效益和經濟效益。但是近年來,由于粉煤灰市場供不應求,基于利益驅使,很多品質較差的粉煤灰流入市場,這類粉煤灰生產企業在粉煤灰生產時,添加了對混凝土有害的無機礦物組分,致使粉煤灰在預拌混凝土中的應用出現了很多新問題。本文就某些預拌混凝土公司在使用這類粉煤灰后所產生的一些問題談談看法,供同行參考。

1、 粉煤灰的基本特性及激發機理

(1)粉煤灰的化學組成

粉煤灰是由煤粉經高溫燃燒后生成的火山灰質材料,經化學分析,除含有少量未燒盡的煤粉外,其主要化學成分為SiO2、Al2O3及少量Fe2O3、CaO、MgO和SO3等氧化物,其中SiO2和Al2O3含量占總含量的60%以上。我國大多數粉煤灰的氧化物含量范圍是:SiO2(40%~60%),Al2O3(15%~40%),CaO(2%~8%),MgO(0.5%~5%),Fe2O3(3%~10%)。

(2)粉煤灰的礦物成分

粉煤灰中的礦物與母煤的礦物組成有關。母煤中主要含有鋁硅酸鹽礦物、氧化硅、黃鐵礦、磁鐵礦、赤鐵礦、碳酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽及氯化物等,其中主要是鋁硅酸鹽類的黏土質礦物和氧化硅。在煤粉燃燒的過程中,這些原礦物會發生化學反應,冷卻后形成各種粉煤灰中的礦物和玻璃體。粉煤灰通常含有60%~90%的玻璃體,而玻璃體的化學成分和活性主要取決于鈣的含量。有煙煤生產的低鈣粉煤灰含有鋁硅玻璃體,其活性通常低于高鈣粉煤灰中的鈣鋁硅酸鹽玻璃體。在低鈣粉煤灰中發現的晶體礦物主要是石英、莫來石(3Al2O3·2SiO2)、硅線石(Al2O3·SiO2)、赤鐵礦和磁鐵礦,這些礦物并不具備任何的火山灰活性。高鈣粉煤灰中的晶體礦物主要是石英、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)、硫鋁酸鈣(4CaO·3Al2O3·SO3)、硬石膏(CaSO4)、游離氧化鈣、方鎂石和堿性硫酸鹽。除了石英和方鎂石外,高鈣粉煤灰中所有的晶體礦物均具有較高活性。高鈣粉煤灰不僅具有膠凝性,也具有火山灰活性,如果沒有石膏或其他外加劑的緩凝作用,還會加速水泥的凝結硬化。

(3)粉煤灰的顆粒特性

一般來講,在機理上礦物摻和料對新拌混凝土和硬化混凝土性能的影響主要取決于顆粒的粒徑、形狀和結構。粉煤灰的火山灰活性通常與小于10μm的顆粒含量呈正比,而大于45μm的粉煤灰顆粒很小或不具備火山灰活性。相對于高爐礦渣等其他膠凝材料,粉煤灰為球形顆粒,這對于減少混凝土拌合物的需水量和提高混凝土拌合物的工作性具有積極意義。

(4)粉煤灰活性激發機理

粉煤灰的活性是指粉煤灰在和石灰、水混合后所顯示出來的凝結硬化性能。粉煤灰的活性是潛在的,需要激發劑的激發才能發揮出來。具體作用方式包括兩個方面,一是提供有效的氫氧根離子,以形成較強的堿性環境,促進活性SiO2、Al2O3溶蝕,提高火山灰反應的速度;二是提供堿性較強的堿,直接參與反應,加快基本火山灰膠結產物的生成。常用的激發劑有石灰、石膏、水泥熟料等,例如石灰對粉煤灰的激發機理為:

mCaO+nH2O+SiO2→mCaO·SiO2·nH2O

mCaO+nH2O+Al2O3→mCaO·Al2O3·nH2O

粉煤灰中含有較多的活性氧化物SiO2、Al2O3,它們能與氫氧化鈣在常溫下發生化學反應,生成較穩定的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。因此粉煤灰和其他火山灰質材料一樣,當與石灰、水泥熟料等堿性物質混合加水拌合成膠泥狀態后,能凝結、硬化并具有一定強度。

粉煤灰的活性不僅決定于它的化學組成,而且與它的物相組成和結構特征有著密切的關系。高溫熔融并經過驟冷的粉煤灰,含大量的表面光滑的玻璃微珠,這些玻璃微珠含有較高的化學內能,是粉煤灰具有活性的主要礦物相。

2 粉煤灰對混凝土性能的影響及原因

粉煤灰摻入混凝土中會對混凝土的許多性能產生影響,如對新拌混凝土的和易性、泌水率、流動度和泵送性、凝結時間、均勻性、含氣量等方面的影響;對硬化中混凝土性能會有早期強度、水化熱、養護溫度和濕度等方面的影響;對硬化混凝土性能會有抗壓強度、彈性模量、密度、蠕變、干縮性、抗滲性、抗凍性、碳化、堿-集料反應、抗硫酸鹽能力、抗氯化物能力等方面的影響。

粉煤灰之所以能改善混凝土的諸多性能,主要是因為粉煤灰具有形態效應、填充效應和火山灰活性。

(1)形態效應

水是混凝土拌制與硬化過程中必不可少的組分之一。加入混凝土中的水具有兩方面的作用,一方面是滿足水泥水化作用所需,這方面的水約占膠凝材料用量的20%~25%;另一方面是使所配制出來的混凝土拌合物具有一定的流動性,便于施工操作。超過水化作用所需的水在混凝土澆筑工作完成后就成了有害部分,其中大部分水分在混凝土硬化后形成的直徑較大的空隙會給混凝土結構造成永久性傷害,降低混凝土強度、耐久性等性能。

粉煤灰具有形態效應,可以產生減水勢能。粉煤灰顆粒中絕大多數為玻璃微珠,是一種表面光滑的球形顆粒。由于粉煤灰玻璃微珠的滾珠軸承作用,粉煤灰在混凝土中有減水作用。這將有利于減少混凝土的單位用水量,從而減少多余水在混凝土硬化后形成的直徑較大的空隙。在保證混凝土強度的前提下,還可減少水泥用量,降低混凝土的絕熱溫升和混凝土中溫度裂縫發生的概率,使混凝土更為致密。

(2)填充效應

粉煤灰還具有微骨料填充效應,能產生致密勢能,可減少硬化混凝土的有害孔的比例,有效提高混凝土的密實性;化學作用產生的水化產物起到骨架作用,可提高粘結強度,從而提高混凝土的抗裂性能。

混凝土中應用優質粉煤灰,在新拌混凝土階段,粉煤灰充填于水泥顆粒之間,使水泥顆粒“解絮”擴散,改善了和易性,增加了粘聚性和澆筑密實性,從而使混凝土初始結構致密化;在硬化發展階段,發揮物理充填料的作用;在硬化后,又發揮活性充填料的作用,改善混凝土中水泥石的孔結構。

過去往往只注意粉煤灰的火山灰活性,其實按照現代混凝土技術來衡量,粉煤灰的致密作用的重要意義不亞于火山灰活性。因為優質粉煤灰的細度較小,顆粒強度較高,粉煤灰的致密作用對混凝土強度的發展有利。另外,粉煤灰充填效應減少了混凝土中孔隙體積和較粗的孔隙,特別是充填了漿體中毛細孔的通道,對混凝土的強度和耐久性十分有利,是提高混凝土性能的一項重要技術措施。

(3)火山灰活性

粉煤灰火山灰活性,其反應的過程主要是:受擴散控制的溶解反應早期粉煤灰微珠表面溶解,反應生成物沉淀在顆粒的表面上,后期鈣離子繼續通過表層和沉淀的水化產物層向芯部擴散。混凝土中普遍摻加高效減水劑,能大大減少混凝土中因釋放多余水分而留下的毛細孔通道,使水泥中硅酸鈣水化所產生的Ca(OH)2通過液相擴散到粉煤灰球形玻璃體表面而發生化學吸附和侵蝕,并生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。大部分水化產物開始以凝膠狀出現,填充了混凝土內部孔隙,改善了混凝土中水泥石的孔結構,使水泥石中總的孔隙率降低,使孔結構進一步細化,分布更為合理,并隨齡期的增長,數量不斷增加,形成網絡結構,使混凝土更加致密,從而切斷混凝土滲水的通道。不斷進行的火山灰反應使粉煤灰混凝土的孔結構進一步優化,使得混凝土的后期強度和耐久性得到進一步提高。

3 、粉煤灰使用中出現的新問題

  對于當前的預拌混凝土而言,粉煤灰的品質至關重要。同樣叫作粉煤灰,摻加優質粉煤灰與劣質粉煤灰生產的混凝土性能差別很大。劣質的粉煤灰不僅不能改善混凝土的性能,而且會造成很多問題。現如今,通過預拌混凝土公司現有的常規檢測手段很難判別粉煤灰品質的好壞,例如,某預拌混凝土公司使用的粉煤灰(Ⅱ級粉煤灰)在原料進場按照規定檢驗時所做的檢驗結果是:細度17.8%,需水量比96%,燒失量2.9%。檢測數據對于預拌混凝土生產來說應該沒有問題,但使用時卻偏偏出現了問題,具體表現在以下幾個方面:

(1)混凝土和易性差

和易性是評價新拌混凝土性能的重要指標,也是施工單位最為關注的、直接影響混凝土使用情況的一項內容。該預拌混凝土公司生產的混凝土出機與正常混凝土并沒有明顯區別,但經過一段時間后就會有大量的水析出,從而造成混凝土的離析分層,澆筑后造成嚴重的工程質量事故。

(2)混凝土產生氨氣的味道

摻加這種粉煤灰生產的混凝土時常出現一股強烈的氨氣味,并且隨著繼續攪拌,氣味逐漸濃烈。對出現問題的混凝土所用原材料進行逐一排查后發現,所有的材料在單獨檢查時并沒有任何異味,唯獨粉煤灰與水泥混合加水攪拌后會出現濃烈的氨氣味。

(3)混凝土凝結時間延長

結合工地拆模時間及預拌混凝土公司自留試塊凝結時間發現,混凝土凝結時間明顯延長。正常情況下,混凝土終凝時間大概為8~10小時,使用此種粉煤灰后混凝土的終凝時間達到了18~20小時。

終凝時間的延長不僅耽誤了施工進度,而且這種變化往往不能夠事先預測到,通過正常的檢測手段也不能夠發現。這樣,在預拌混凝土正常生產的情況下,混凝土結構按照正常的時間拆模,等到拆模后,因混凝土的硬化和強度增長程度尚未達到拆模條件,甚至局部尚未終凝,于是粘模、缺陷自然不可避免,甚至造成更加嚴重的后果。

(4)混凝土強度降低

經多次試驗發現,使用這種粉煤灰配制的混凝土,在新拌混凝土和易性較好的情況下,其標準養護試塊抗壓強度低于正常值。以C35試塊強度為例,表1(a)是有氨味的混凝土試塊強度,(b)是正常混凝土試塊強度。經對比不難發現,有氨味的混凝土試塊強度明顯低于正常試塊強度,而且差值很大。

(5)混凝土結構缺陷由于混凝土和易性差、凝結時間長、強度降低等原因,應適當延長混凝土結構拆模時間,但因為所有材料檢測結果正常,生產情況正常,事先沒有預料到會發生問題,自然也沒有采取相應的防范措施;于是按正常時間拆模,拆模后發現混凝土強度未達到拆模條件,局部甚至尚未完全硬化,造成大面積粘模,甚至脫落。

4、 原因分析混凝土由于其原材料豐富、抗壓強度高、耐久性好等一系列的優良性能,成為現代土木工程中用途最廣、用量最大的一種建筑材料。粉煤灰作為現代商品混凝土中廣泛使用的一種材料,需求量也日益增加。粉煤灰市場的供不應求,導致許多材料供應商開始作假,以次充好

如有的材料供應商將爐底灰和爐渣磨細后摻入優質的粉煤灰中,而混凝土企業按照現行粉煤灰相關標準規范規定的常規手段檢測往往是不能發現問題的,只有在生產過程中,甚至澆筑完成后才能發現,而這種滯后通常會伴隨巨大的經濟損失甚至致命性的事故。問題粉煤灰往往是磷含量超標。粉煤灰中所含的磷酸鹽與混凝土中的堿發生反應產生氨氣,緩慢釋放氨氣氣味,并且磷酸根富集會造成混凝土凝結時間過長、強度降低等問題。

為了生產質量更好的混凝土,建設優質工程,作者在此建議:

(1)找到合理有效的檢測方法,能夠準確地甄別粉煤灰品質的好壞。(2)針對現今粉煤灰的加工工藝,出臺新的技術規范及檢測標準。(3)必要時采用其他品種的礦物摻和料取代粉煤灰。

(4)優化配合比,尋找配合比新思路,在不使用粉煤灰的情況下生產性能優良的混凝土。

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