粉煤灰在大体积混凝土中的应用

应 巍

郑州市第一建筑工程集团有限公司（450004）

粉煤灰是工业废料,在混凝土中适量掺用,可改善混凝土的某些性能,并减少粉煤灰对环境的污染。特别是在大体积混凝土,如水工大坝中掺用,可以大大降低块体内部混凝土温升、简化温控措施,节约水泥效果也十分显著。在大体积混凝土施工中,混凝土浇筑后,水泥在水化凝结过程中要散发大量的水化热，由于混凝土是热的不良导体,集中大量地浇筑大体积混凝土,混凝土内部水化放热相对集中，热量不易散发导致温升很大。如果保温措施不利的情况,容易出现混凝土开裂的问题。混凝土的内部温升主要是水泥的水化热引起的绝对温升，有效降低水化热或推迟水化热时间,是保证大体积混凝土的关键技术所在。采取在大体积混凝土中大量掺入粉煤灰可减少水泥用量、降低水化热、且能改善泵送混凝土的性能,不失为一种良好的方法。在掺入大量粉煤灰的同时,加入缓凝剂延迟热锋出现的时间。

1 混凝土的原材料及配合比

1.1 原材料

1）水泥:选用强度等级为42.5的硅酸盐水泥。2）粉煤灰:取自某电厂。该粉煤灰品质接近级标准,需水量比为103%,强度比为76%。3）砂:人工砂,细度模数 2.8～2.9。4）粗集料:人工石,小石、中石、大石和特大石的粒径分别为 5～20 mm、20～40 mm、40～80mm、80～150mm。

1.2 配合比设计

1）掺加粉煤灰的混凝土强度发展比较快，掺量为30%～35%的粉煤灰混凝土，90 d的强度和极限拉伸值已趋近,甚至超过了基准混凝土。这说明掺用的粉煤灰品质能够满足此水工混凝土工程的要求。

2）由于早期二次水化反应进行缓慢,使得掺粉煤灰混凝土的早期强度(7 d、28 d)和极限拉伸值均低于基准混凝土,且掺量越大,降低越多。对于一般的建筑工程来说,工期要求较短,28 d龄期粉煤灰混凝土的性能与基准混凝土差别偏大。因此,应改善粉煤灰的品质,如改用接近级标准的粉煤灰,或对此粉煤灰进行磨细筛分使其接近级标准。

3）掺粉煤灰的混凝土拉压强度比高于基准混凝土，说明掺入粉煤灰后改善了混凝土的弹塑性。另外，掺粉煤灰的混凝土早期强度低，相应弹性模量也低,可降低混凝土的早期应力。这对大体积混凝土的早期抗裂产生有利的影响。

1.3 粉煤灰混凝土抗裂性能分析

试验结果表明，掺粉煤灰的混凝土其早期强度和极限拉伸值等一般要低于基准混凝土。为此,工程技术人员对大掺量粉煤灰混凝土在大体积混凝土中，尤其是在水工高坝中的应用不够放心，担心容易产生早期裂缝,给大坝带来严重的后果。实际上,掺粉煤灰虽然降低了混凝土的抗拉强度和极限拉伸值,但与此同时混凝土的弹性模量、干缩和水化热温升也有所减小,即破坏应力也下降。从这一方面来看,掺加粉煤灰增强了混凝土的抗裂能力。特别是对水工大体积混凝土来说，混凝土中水泥水化热温升是产生早期裂缝的一个主要因素，掺用粉煤灰代替部分水泥可有效地降低早期水化热温升，对大体积混凝土抗裂十分有利。因此，仅用极限拉伸值来衡量、评价粉煤灰混凝土的抗裂能力是不够合理的。它不能反映其它诸因素对粉煤灰混凝土抗裂性能的综合影响。例如,40%掺量的粉煤灰混凝土与基准混凝土相比,7 d抗拉强度和极限拉伸值虽然分别降低49%和36%，但弹性模量和干缩也分别降低了22%和49%,水化热温升也肯定降低。有人提出了一个抗裂安全系数法[1],即用抵抗能力(如抗拉强度)和破坏效应(如干缩应力)的相对比值来衡量粉煤灰混凝土的抗裂能力。通过这个综合分析方法,可得出粉煤灰混凝土的早期抗裂能力并不亚于基准混凝土。

1.4 粉煤灰掺量对混凝土水化温升的影响

粉煤灰掺入混凝土中，混凝土内部的水化温升特征明显不同于普通水泥混凝土:①粉煤灰掺入后,取代了部分水泥，混凝土的水泥水化热峰值明显降低并随着粉煤灰掺量的增加,最高热峰值逐渐降低；粉煤灰掺量为50%时,混凝土内的水化温升值可降低近10℃左右；②粉煤灰的掺入不仅可以降低混凝间,粉煤灰掺量为30%～50%时,一般可延缓6～10 h；③粉煤灰混凝土与基准混凝土相比，其在水化早期的升温速率与水化后期的降温速率都减小，从曲线上看,峰值两侧曲线的斜率变小,对于大体积混凝土来说,粉煤灰的掺入可以降低混凝土内部的最高水化温升,并减小了混凝土内部的温升与温降速率,降低混凝土表面与内部的温度梯度,有利于降低温差裂缝发生的概率；④粉煤灰混凝土在水化热峰出现之后的降温阶段，其各测试点的温度值较普通混凝土的同期温度要高,并随粉煤灰掺量的增加,体现越明显,这是粉煤灰在水泥水化产物Ca(OH)2存在的条件下进行的二次水化反应,从长期的结果来看,粉煤灰混凝土的水化热总和接近于普通混凝土的水化放热总和，这也是为何粉煤灰混凝土较普通混凝土强度不降低的主要因素之一。

1.5 质量控制及结果

1）严把原材料质量关。按规范对水泥、砂、石等进行检测,加强对骨料含泥量、针片状含量、级配的检测,保证采用合格原材料。2）控制水灰比。搅拌站及时测定砂石含水率并相应调整配比,使施工配合比符合试验室提供的基准配合比。3）施工现场的养护,采用顶浆覆盖塑料布薄膜的方法进行养护。4）振捣密实,不漏振、欠振。在混凝土终凝以前,用人工进行多次的抹压,防止表面沉缩裂缝的产生。混凝土浇筑后内部温度第3 d达最高为66度，然后温度下降,混凝土表面没有出现有害裂缝,经检测，混凝土28 d抗压强度达95%,60 d抗压强度达120%。通过以上的措施，混凝土的质量得到了保证。

粉煤灰混凝土的早期强度和极限拉伸值与基准混凝土相比降低较多,而后期会接近或超过基准混凝土,这对以后期性能作为控制指标的水工混凝土具有实际意义。

粉煤灰混凝土的弹性模量比基准混凝土低；抗拉强度和极限拉伸值降低率小于抗压强度降低率,塑性相对较好。

在合适的粉煤灰掺量下，粉煤灰混凝土的早期抗裂能力并不亚于基准混凝土的抗裂能力。

总之,只要粉煤灰的品质和掺量选择适当,并与优质外加剂复掺,不但能节约水泥，降低混凝土造价,而且能充分发挥粉煤灰的活性,改善混凝土的性能。大掺量粉煤灰混凝土在大体积混凝土中的应用前景光明。