粉煤灰在抗硫酸盐侵蚀混凝土中的应用

2010-10-18段莉新

天津建设科技 2010年1期

□文/段莉新

粉煤灰是从煤粉炉烟道气中收集到的粉末，属于人工火山灰质材料，颗粒很小，多呈球形（通称微珠），是一种工业废渣，堆放不仅造成浪费，还会造成严重的环境污染。研究成果表明，粉煤灰经二级电场收集、磨细或风选达到一定品质要求后，掺入混凝土中能起到节约水泥、降低成本、改善混凝土性能的作用。

工程概况

跨京山铁路桥位于天津滨海新区内环线上，濒临天津港。滨海新区地处盐田旧址，地下水所含C1-、Mg2+、SO4-2等浓度较高。由于硫酸盐对混凝土有侵蚀性，因此要求桩基与承台混凝土达到Ⅱ类防腐等级，这就需要使用抗硫酸盐水泥。

抗硫酸盐水泥属于特种水泥，生产厂家少且价格高，使用抗硫酸盐水泥既提高了工程成本，又为施工带来了不便。通过查找资料，从分析硫酸盐侵蚀原理和解决硫酸盐侵蚀的途径入手，经过试验验证，使用普通硅酸盐水泥掺加粉煤灰的方法可以满足混凝土抗硫酸盐侵蚀的要求。每立方米水泥中掺入50～120kg粉煤灰可节约50～100kg水泥，既降低了施工成本又能保证了施工质量。

硫酸盐侵蚀的机理

硫酸盐侵蚀是一种比较常见的化学侵蚀形式，其实质为膨胀型化学腐蚀。侵蚀性地质中的地下水实际上是硫酸盐溶液，如果其浓度高于一定值，即可对混凝土产生侵蚀作用。溶液中的硫酸盐与水泥水化生成的Ca（OH）2反应生成硫酸钙，如式（1）所示。

在流动的水中，反应可以不断进行。硫酸钙与水泥熟料矿物Ca3A1O2水化生成的水化铝酸钙，能反应生成比原来体积大1.5倍的三硫型水化硫铝酸钙（又称钙矾石）。钙矾石的溶解度极低，沉淀结晶出来的钙矾石晶体长大造成的结晶压使混凝土因膨胀而开裂。因此，硫酸盐侵蚀的根源是硫酸盐溶液与水泥中Ca3A1O2矿物的水化生成物和硫酸钙反应形成钙矾石的膨胀。

若水中镁的含量较大，则侵蚀更为严重，因为硫酸镁除了会产生钙矾石膨胀外，还能与水泥中硅酸盐矿物水化生成的水化硅酸钙凝胶反应，使其分解，破坏了C-S-H的胶凝性。

外掺法掺加粉煤灰

一方面外掺方式可以简化工艺流程，另一方面它不仅能取代部分水泥，还能起到微细料的作用。大量分散细小的粉煤灰颗粒为水化Ca(OH)2的成核提供了大量无序排列的晶种，使Ca(OH)2结晶分散而细小，避免其在集料表面的定向排列，有效地改善了混凝土过渡带结构。这些均使混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能得以明显的增强。另外，粉煤灰的加入还能降低过渡带厚度。

根据基准混凝土计算出各种材料用量，对各种材料进行计算调整。

（1）外加粉煤灰的质量按式（2）计算。

式中：Fm——外加粉煤灰的质量，t；

C0——水泥用量，t；

fm——选定外加粉煤灰掺入率，%。

（2）调整后砂的质量按式（3）计算。

式中：Sm——调整后砂的质量，t；

S0——砂料质量，t；

Fm——外加粉煤灰的质量，t；

ρf——粉煤灰密度，t/m3；

ρas——砂料密度，t/m3。

配合比的确定

在配合比设计中，张亚梅等[1]全部采用再生骨料作为粗骨料并掺加了高效减水剂和粉煤灰，配制出强度为54.6MPa再生混凝土；邢振贤等[2]采用基体强度为C20或C25的废弃混凝土骨料，通过掺加高效减水剂使水灰比降低到0.35，配制出了强度为40.4MPa的再生混凝土。由此可见，再生混凝土配合比设计要比普通混凝土复杂，但只要措施得当，可以获得比较满意的力学性能。

按照本工程设计要求，配制的混凝土必须达到抗中等硫酸盐侵蚀强度，坍落度要求达到180～220mm且混凝土的总碱量≯3.0kg/m3。抗中等硫酸盐侵蚀就必须符合以下要求：最大水胶比≯0.45，最小水泥用量为360kg/m3，抗渗等级应达到P8以上。具体的试验配合比见表1。

表1 配合比试验结果

经试拌调整后3个配合比的流动性、粘聚性和保水性均很好且各项指标都符合设计要求。本着既节约成本又能满足施工要求的原则，在实际施工中选用了1号配合比并取得了较好的效果。现场的176根桩经无破损检测大部分为Ⅰ类桩，只有极个别桩因为其他原因属于Ⅱ类桩，28d平均强度达到36.2MPa，抗渗等级达到P10以上。

掺加粉煤灰的优点

提高混凝土的密实度

细化孔结构提高抗渗性，使其内部毛孔和毛细管尽可能不形成通道，降低其渗透性以提高混凝土的抗侵蚀性能。施工时混凝土水胶比≯0.45，水泥用量≮360kg，加入非引气型减水剂，使混凝土有良好的和易性，保证混凝土密实。

在混凝土拌和料中掺加不少于20%的Ⅱ级粉煤灰。这是因为粉煤灰是具有一定活性的火山灰质混合料，其主要的化学成分是 SO2、A12O3、Fe2O3、CaO 和未燃的炭，品质优良的粉煤灰以较高的掺量加入到混凝土中能明显地细化孔结构，减少硫酸盐引起的膨胀，有效地改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀性。同时由于粉煤灰颗粒呈圆球状，加入到混凝土中能起到润滑作用，显著地改善混凝土的和易性、减少干缩、增加后期强度、增强抗渗及抗硫酸盐性能。粉煤灰的细度对混凝土强度有很大影响，细灰中含有大量火山灰活性的玻璃微珠，掺入混凝土后与水泥中的Ca(OH)2反应生成胶凝物质且微珠均匀地分布于水泥浆体中，增加浆体的结构强度但不改变混凝土的均匀性，填充并细化了混凝土的空隙和毛细孔；而颗粒较粗的粉煤灰多为海绵状多孔体、珠连体和没烧透的碳粒，其强度低、活性小，用于拌制混凝土不但增加水泥浆体中的疏松颗粒，还增加用水量，对混凝土有不良影响。

降低Ca3A1O2及Ca(OH)2的含量

从硫酸盐侵蚀的机理可知，要生成钙钒石必须有水化铝酸钙，而水化铝酸钙是Ca3A1O2的水化产物。用粉煤灰取代部分水泥，对混凝土中总的Ca3A1O2含量有一定的稀释作用且消耗大量Ca(OH)2，降低混凝土中的碱度，这就使生成钙钒石和钙钒石稳定存在的难度增加，减少了钙钒石等膨胀性物质的产生，增强了混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力。