论文部分内容阅读
[摘 要]粉煤灰是燃煤电厂排出的主要废弃物，对于环境有着很严重的污染。但是将其作为掺合料使用在混凝土中，能够大幅度提升混凝土的各项性能，而且对于环境保护有着深远的影响。本文结合望海珍珠湾重力式码头工程的实际情况，将粉煤灰掺加到混凝土以后，混凝土的和易性、强度、耐久性和经济成本等各方面指标都有很大程度的改善，是一种优质的混凝土掺合料。
[关键词]粉煤灰；预制方块混凝土；和易性；耐久性；经济成本
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0001-02
1.前言
本文结合望海珍珠湾重力式码头工程实际，预制实心方块作为重力式码头的墙身结构，是重力式码头的主体结构，它有着挡土、承受并传递外力、构成整体的功能，所以预制方块的耐久性是整个码头使用年限的重要保障。文章通过试验研究和分析了向预制方块混凝土中加入粉煤灰，对于其和易性、强度、耐久性以及经济合理性等方面的影响。
2.粉煤灰性能指标及作用机理
2.1 粉煤灰的主要性能指标
粉煤灰按种类分为F类和C类，其中F类是指由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰；而C类粉煤灰由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于10%，由于其中较高的游离氧化钙含量，容易出现安定性不良的问题。为了保证工程质量，在粉煤灰的选择上，宜选用F类。
粉煤灰的主要性能指标有细度、需水量比、烧失量、含水量、三氧化硫含量、游离氧化钙含量以及安定性等，依据这些指标，粉煤灰可以划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级[1]。具体如表1所示：
2.2 粉煤灰在混凝土中的作用机理
2.2.1 改善混凝土拌合物和易性
在混凝土中掺入优质粉煤灰可以有效改善其和易性，主要是由于粉煤灰自身的形态效应。粉煤灰颗粒细小，而且球形颗粒含量高，正是由于大量微小球形颗粒的存在，一方面改善了混凝土的初始结构，不仅提高了胶结材料的绝对体积，增加了水泥浆的体积。另一方面，粉煤灰球形颗粒吸附于水泥颗粒表面，起到滚珠轴承的作用，能够大幅度降低水泥、集料等粗颗粒之间的摩擦力，显著提高混凝土的和易性。
2.2.2 改善硬化混凝土强度及耐久性能
向混凝土中掺入优质的粉煤灰掺合料时，由于其细度远远小于水泥，会对水泥浆体结构起到填充致密的作用。粉煤灰属于活性掺合料，其中含有大量的活性氧化硅和氧化铝，掺加到混凝土中以后，会与水泥的水化产物Ca（OH）2发生二次水化反应，生成新的水化产物水化硅酸钙，它能够填充混凝土中的粗孔隙和连通孔隙，细化和改善了水泥石的孔结构，使其结构更加致密。这种二次水化反应不仅在水化水泥的颗粒周围及生成物之间进行，同时还会在骨料与浆体之间进行，使骨料与浆体界面的结合更加致密，从而使混凝土无论在强度、耐久性以及体积稳定性等很多方面得以显著提高。
3.望海珍珠湾重力式码头工程概况
望海珍珠湾综合开发建设项目码头工程是重力式方块结构，其结构有一层方块、两层方块、两层方块加一层卸荷板三种类型，这种结构具有坚固、耐用、经济、施工简单等特点。码头工程分为游艇码头工程、交通码头工程、深水码头工程3个单位工程。码头结构为重力式方块结构，方块总量为699块，其中游艇码头299块，交通码头168块，深水码头及过渡段232块。方块类型82种，其中A型块24种，B型块20种，C型块9种，D型块6种，E型块1种，F型块11种，G型块9种，H型塊2种。
由于预制方块实体的最小几何尺寸都大于1m，属大体积混凝土。混凝土浇筑以后，其中的水泥水化反应会产生大量的水化热，引起温度变化幅度很大，构件内外温差控制困难，造成方块表面有害裂缝的产生。混凝土开裂以后，不仅影响构件的美观，而且对于构件的耐久性也会产生很严重的影响，往往需要对裂缝进行二次处理，既费工又废料。为了避免上述问题的发生，向混凝土中掺入优质的粉煤灰掺合料是一种直接有效的处理方法。
4.粉煤灰混凝土配合比设计
4.1 现场原材料基本情况
首先，在水泥的选择上，针对码头预制方块的实际情况，一方面由于方块混凝土有着F300的抗冻融等级，宜选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥[2]；而另一方面，由于预制方块属大体积混凝土，应选用中、低水化热品种的水泥以防止水化热过高造成混凝土开裂，考虑到硅酸盐水泥的水化热远高于普通硅酸盐水泥，所以通过比较性能、价格等因素综合考虑，选择天瑞水泥厂生产的天瑞普硅P.O42.5水泥。
粗骨料方面，选择距离施工现场不远的四方台供应5-25mm以及20-40mm两种规格的碎石，石质属于花岗岩类，四方台料源供应比较稳定，碎石的级配、针片状含量能够满足水运工程混凝土施工规范的要求，碎石进场以后，会经过水洗去除其中的石粉以及夹杂的粘土等有害杂质，所以碎石中含泥量、石粉的含量也能够满足要求。
细骨料方面，选择望海周边的李官作为供应砂子的料源。砂子属于河砂，级配较好，属于Ⅱ区的中砂，其含泥量、泥块含量、云母以及轻物质等杂质的含量均不超过规范要求。
用水方面，选择与施工现场就进的沙河河水作为混凝土的拌合用水，对河水取样检验结果，其主要检验指标PH值、氯化物以及硫酸盐均符合混凝土用水的要求。
由于码头预制方块既属于大体积混凝土，同时又有着F300的抗冻融循环等级，所以我们选择了两种混凝土外加剂，一种是普通的高效减水剂TH-2，产自大连天华，掺量1.8%时其减水率可以达到17%左右；另一种是引气剂PC-2Y，常规掺量1.2/万的时候可以使混凝土中的含气量达到4%-5%，完全可以满足规范中对于抗冻融混凝土的技术要求[3]。
4.2 配合比设计
结合码头工程的实际情况，在进行方块混凝土配合比设计的过程中，主要进行了三个方面的考虑： 1、首先是对于混凝土配合比设计的通用要求，即试拌的混凝土拌合物坍落度、保水性、粘聚性能要满足施工操作的需要，硬化后的混凝土强度符合设计要求，与此同时，在满足上述要求的前提下，成本最低；
2、符合抗冻融混凝土的技术要求，即满足规范中对于配合比最大水灰比和最小水泥用量的限制，并且混凝土拌合物的含气量控制在要求的一定范围之内；
3、符合大体积混凝土配合比设计的技术要求，即在满足设计和施工要求的基础之上，尽量降低其中的水泥用量，外加剂使用缓凝类型，粗骨料采用多级配，并宜向混凝土中掺入适量的优质掺合料[4]。
通过分析原材料的技术性能，并结合施工现场的运输、浇筑方式等各个因素，最终决定将掺入的粉煤灰取代水泥比例定在15%，满足规范对于粉煤灰取代普通硅酸盐水泥最大限制的要求，并采用超量取代的方法，取代系数确定为1.6。而根据强度、和易性等因素确定混凝土的基本指标：单位用水量165Kg/m3，水灰比0.45，砂率39%。与此同时，我们还进行了比对试验，提出了不掺加粉煤灰混凝土的配合比，与前者的水灰比是相同的，并根据和易性能调整了用水量和砂率，使两者的坍落度均控制在140-160mm范围之内。
5.掺加粉煤灰对混凝土性能影响
5.1 对于混凝土拌合物性能的影响
从表9中不难发现，虽然两种配合比坍落度基本相同，但是两者单位用水量相差很大，差值达到11Kg/m3，这是由于粉煤灰的需水量比只有94%，比水泥需要的用水量要小很多。因为粉煤灰中含有较多粒形完整、表面光滑、粒度较细、质地致密的球状微粒吸附在水泥粗颗粒上，掺加粉煤灰以后，混凝土的粘聚性能和保水性能相比不掺加粉煤灰的混凝土配合比也改善了很多，提高了混凝土的施工性能。
5.2 对于混凝土早期性能的影响
待混凝土拆模以后，施工技术人员会每天定时测定预制方块构件的表面温度、中心温度和大气温度，并根据测温记录调整混凝土的养护措施，以防止内外温差过大引起混凝土开裂。因为掺加粉煤灰以后，混凝土的中心温度和表面温度相比不掺加时都下降了很多，这是由于粉煤灰的加入取代了一部分水泥，大幅度降低了混凝土中的水泥用量。因为水泥总量的减少，造成了水化热升温一定程度的下降，同时也大大降低了预制构件出现裂缝的可能性。分析图1中三条曲线的间距情况：在任何时点，混凝土的中心温度与表面温度，表面温度与大气温度的差值从未超过25℃；相反，图2中三条曲线上有多个时点温差超过25℃，这样就导致了构件表面出现多条裂缝的结果。如图3所示：
5.3 对于混凝土后期性能的影响
5.3.1 对于强度的影响
加入粉煤灰以后，由于一部分水泥被粉煤灰所取代，参与水化反应的水泥数量减少，而二次水化反应还需要在首次水化反应之后延迟一段时间，因此，粉煤灰混凝土的早期强度要低于普通混凝土；但是一段龄期之后，粉煤灰参与的二次水化反应开始以后，粉煤灰混凝土的强度便开始迅速增长，待28d或更长的龄期后，其强度便能够赶上或超过普通混凝土的强度。
5.3.2 对于耐久性能的影响
由于粉煤灰自身的形态效应、活性效应和填充效应，掺加到混凝土以后可以使其具有良好的抵抗冻融循环破坏的性能，并具有较强的氯离子渗透能力。施工过程中成型的冻融试件在经过冻融试验破坏以后，试验结果如表10所示：
不难看出，在经过300次冻融循环以后，混凝土试件的重量损失率仅有1.26%，远远小于规范要求的5%；而相对动弹模量保留值達到84.7%，远远大于规范要求的75%。达到了很好的抵抗冻融循环破坏的效果。
另一方面，电通量试验结果表明，抗氯离子渗透试件在86d龄期时，试验后电通量为831c，小于规范要求的2000c，也同样达到了很好的抵抗氯离子渗透的效果。
5.4 经济上的可行性
由于在混凝土中掺入优质粉煤灰取代了15%的水泥，使水泥的用量大幅度的下降，虽然每立方米混凝土中多出几十公斤的粉煤灰，但是粉煤灰的价格远远低于水泥的价格，所以总的来说，由于粉煤灰的掺入，混凝土的成本会有一定幅度的下降，具体的比对结果如表11所示：
从上表中我们很容易看出，掺加优质粉煤灰以后，混凝土的成本下降幅度很大，两者差值达到了28.2元/m3，珍珠湾码头工程预制方块总数699块，我们做一个大概的分析，平均每块方块大约需混凝土70m3，那么工程中混凝土的总量就是48930m3，累积起来，使用粉煤灰混凝土便可以节约经济成本达到1，379，826元，大大降低了工程成本。
6.结束语
中国是世界的水泥生产大国，年产量占世界一半以上。因此，作为工程技术人员，我们在推进混凝土材料和工程技术时，应该更加关注如何降低生产能耗，以减少地球自然资源的负荷，响应国家可持续发展的大方向。
向混凝土中掺入优质的粉煤灰掺合料，不仅可以大幅度的改善混凝土的和易性能、早期温度控制以及耐久性能，还可以大大降低工程成本，与此同时变废为宝，将电厂排出的有害废渣有效利用起来，减少了对于环境的污染，可以说是一举数得。正是基于粉煤灰有如此优越的应用前景，它才得到了越来越广泛的使用。 而另一方面，我们也还应该意识到粉煤灰的使用仍存在一定的局限性，比如各地的粉煤灰生产质量不一，波动很大，这需要我们在今后的工作中不断摸索和研究。
参考文献
[1]用于水泥和混凝土中的粉煤灰[M].人民交通出版社，2005.
[2]水运工程质量检验标准[M].人民交通出版社，2008.
[3]水运工程混凝土施工规范[M].人民交通出版社，1996.
[4]海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[M].人民交通出版社，2001.
作者简介
李明涛，男，1981.11，硕士研究生，工程师，材料学专业。
[关键词]粉煤灰；预制方块混凝土；和易性；耐久性；经济成本
中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0001-02
1.前言
本文结合望海珍珠湾重力式码头工程实际，预制实心方块作为重力式码头的墙身结构，是重力式码头的主体结构，它有着挡土、承受并传递外力、构成整体的功能，所以预制方块的耐久性是整个码头使用年限的重要保障。文章通过试验研究和分析了向预制方块混凝土中加入粉煤灰，对于其和易性、强度、耐久性以及经济合理性等方面的影响。
2.粉煤灰性能指标及作用机理
2.1 粉煤灰的主要性能指标
粉煤灰按种类分为F类和C类，其中F类是指由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰；而C类粉煤灰由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于10%，由于其中较高的游离氧化钙含量，容易出现安定性不良的问题。为了保证工程质量，在粉煤灰的选择上，宜选用F类。
粉煤灰的主要性能指标有细度、需水量比、烧失量、含水量、三氧化硫含量、游离氧化钙含量以及安定性等，依据这些指标，粉煤灰可以划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个等级[1]。具体如表1所示：
2.2 粉煤灰在混凝土中的作用机理
2.2.1 改善混凝土拌合物和易性
在混凝土中掺入优质粉煤灰可以有效改善其和易性，主要是由于粉煤灰自身的形态效应。粉煤灰颗粒细小，而且球形颗粒含量高，正是由于大量微小球形颗粒的存在，一方面改善了混凝土的初始结构，不仅提高了胶结材料的绝对体积，增加了水泥浆的体积。另一方面，粉煤灰球形颗粒吸附于水泥颗粒表面，起到滚珠轴承的作用，能够大幅度降低水泥、集料等粗颗粒之间的摩擦力，显著提高混凝土的和易性。
2.2.2 改善硬化混凝土强度及耐久性能
向混凝土中掺入优质的粉煤灰掺合料时，由于其细度远远小于水泥，会对水泥浆体结构起到填充致密的作用。粉煤灰属于活性掺合料，其中含有大量的活性氧化硅和氧化铝，掺加到混凝土中以后，会与水泥的水化产物Ca（OH）2发生二次水化反应，生成新的水化产物水化硅酸钙，它能够填充混凝土中的粗孔隙和连通孔隙，细化和改善了水泥石的孔结构，使其结构更加致密。这种二次水化反应不仅在水化水泥的颗粒周围及生成物之间进行，同时还会在骨料与浆体之间进行，使骨料与浆体界面的结合更加致密，从而使混凝土无论在强度、耐久性以及体积稳定性等很多方面得以显著提高。
3.望海珍珠湾重力式码头工程概况
望海珍珠湾综合开发建设项目码头工程是重力式方块结构，其结构有一层方块、两层方块、两层方块加一层卸荷板三种类型，这种结构具有坚固、耐用、经济、施工简单等特点。码头工程分为游艇码头工程、交通码头工程、深水码头工程3个单位工程。码头结构为重力式方块结构，方块总量为699块，其中游艇码头299块，交通码头168块，深水码头及过渡段232块。方块类型82种，其中A型块24种，B型块20种，C型块9种，D型块6种，E型块1种，F型块11种，G型块9种，H型塊2种。
由于预制方块实体的最小几何尺寸都大于1m，属大体积混凝土。混凝土浇筑以后，其中的水泥水化反应会产生大量的水化热，引起温度变化幅度很大，构件内外温差控制困难，造成方块表面有害裂缝的产生。混凝土开裂以后，不仅影响构件的美观，而且对于构件的耐久性也会产生很严重的影响，往往需要对裂缝进行二次处理，既费工又废料。为了避免上述问题的发生，向混凝土中掺入优质的粉煤灰掺合料是一种直接有效的处理方法。
4.粉煤灰混凝土配合比设计
4.1 现场原材料基本情况
首先，在水泥的选择上，针对码头预制方块的实际情况，一方面由于方块混凝土有着F300的抗冻融等级，宜选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥[2]；而另一方面，由于预制方块属大体积混凝土，应选用中、低水化热品种的水泥以防止水化热过高造成混凝土开裂，考虑到硅酸盐水泥的水化热远高于普通硅酸盐水泥，所以通过比较性能、价格等因素综合考虑，选择天瑞水泥厂生产的天瑞普硅P.O42.5水泥。
粗骨料方面，选择距离施工现场不远的四方台供应5-25mm以及20-40mm两种规格的碎石，石质属于花岗岩类，四方台料源供应比较稳定，碎石的级配、针片状含量能够满足水运工程混凝土施工规范的要求，碎石进场以后，会经过水洗去除其中的石粉以及夹杂的粘土等有害杂质，所以碎石中含泥量、石粉的含量也能够满足要求。
细骨料方面，选择望海周边的李官作为供应砂子的料源。砂子属于河砂，级配较好，属于Ⅱ区的中砂，其含泥量、泥块含量、云母以及轻物质等杂质的含量均不超过规范要求。
用水方面，选择与施工现场就进的沙河河水作为混凝土的拌合用水，对河水取样检验结果，其主要检验指标PH值、氯化物以及硫酸盐均符合混凝土用水的要求。
由于码头预制方块既属于大体积混凝土，同时又有着F300的抗冻融循环等级，所以我们选择了两种混凝土外加剂，一种是普通的高效减水剂TH-2，产自大连天华，掺量1.8%时其减水率可以达到17%左右；另一种是引气剂PC-2Y，常规掺量1.2/万的时候可以使混凝土中的含气量达到4%-5%，完全可以满足规范中对于抗冻融混凝土的技术要求[3]。
4.2 配合比设计
结合码头工程的实际情况，在进行方块混凝土配合比设计的过程中，主要进行了三个方面的考虑： 1、首先是对于混凝土配合比设计的通用要求，即试拌的混凝土拌合物坍落度、保水性、粘聚性能要满足施工操作的需要，硬化后的混凝土强度符合设计要求，与此同时，在满足上述要求的前提下，成本最低；
2、符合抗冻融混凝土的技术要求，即满足规范中对于配合比最大水灰比和最小水泥用量的限制，并且混凝土拌合物的含气量控制在要求的一定范围之内；
3、符合大体积混凝土配合比设计的技术要求，即在满足设计和施工要求的基础之上，尽量降低其中的水泥用量，外加剂使用缓凝类型，粗骨料采用多级配，并宜向混凝土中掺入适量的优质掺合料[4]。
通过分析原材料的技术性能，并结合施工现场的运输、浇筑方式等各个因素，最终决定将掺入的粉煤灰取代水泥比例定在15%，满足规范对于粉煤灰取代普通硅酸盐水泥最大限制的要求，并采用超量取代的方法，取代系数确定为1.6。而根据强度、和易性等因素确定混凝土的基本指标：单位用水量165Kg/m3，水灰比0.45，砂率39%。与此同时，我们还进行了比对试验，提出了不掺加粉煤灰混凝土的配合比，与前者的水灰比是相同的，并根据和易性能调整了用水量和砂率，使两者的坍落度均控制在140-160mm范围之内。
5.掺加粉煤灰对混凝土性能影响
5.1 对于混凝土拌合物性能的影响
从表9中不难发现，虽然两种配合比坍落度基本相同，但是两者单位用水量相差很大，差值达到11Kg/m3，这是由于粉煤灰的需水量比只有94%，比水泥需要的用水量要小很多。因为粉煤灰中含有较多粒形完整、表面光滑、粒度较细、质地致密的球状微粒吸附在水泥粗颗粒上，掺加粉煤灰以后，混凝土的粘聚性能和保水性能相比不掺加粉煤灰的混凝土配合比也改善了很多，提高了混凝土的施工性能。
5.2 对于混凝土早期性能的影响
待混凝土拆模以后，施工技术人员会每天定时测定预制方块构件的表面温度、中心温度和大气温度，并根据测温记录调整混凝土的养护措施，以防止内外温差过大引起混凝土开裂。因为掺加粉煤灰以后，混凝土的中心温度和表面温度相比不掺加时都下降了很多，这是由于粉煤灰的加入取代了一部分水泥，大幅度降低了混凝土中的水泥用量。因为水泥总量的减少，造成了水化热升温一定程度的下降，同时也大大降低了预制构件出现裂缝的可能性。分析图1中三条曲线的间距情况：在任何时点，混凝土的中心温度与表面温度，表面温度与大气温度的差值从未超过25℃；相反，图2中三条曲线上有多个时点温差超过25℃，这样就导致了构件表面出现多条裂缝的结果。如图3所示：
5.3 对于混凝土后期性能的影响
5.3.1 对于强度的影响
加入粉煤灰以后，由于一部分水泥被粉煤灰所取代，参与水化反应的水泥数量减少，而二次水化反应还需要在首次水化反应之后延迟一段时间，因此，粉煤灰混凝土的早期强度要低于普通混凝土；但是一段龄期之后，粉煤灰参与的二次水化反应开始以后，粉煤灰混凝土的强度便开始迅速增长，待28d或更长的龄期后，其强度便能够赶上或超过普通混凝土的强度。
5.3.2 对于耐久性能的影响
由于粉煤灰自身的形态效应、活性效应和填充效应，掺加到混凝土以后可以使其具有良好的抵抗冻融循环破坏的性能，并具有较强的氯离子渗透能力。施工过程中成型的冻融试件在经过冻融试验破坏以后，试验结果如表10所示：
不难看出，在经过300次冻融循环以后，混凝土试件的重量损失率仅有1.26%，远远小于规范要求的5%；而相对动弹模量保留值達到84.7%，远远大于规范要求的75%。达到了很好的抵抗冻融循环破坏的效果。
另一方面，电通量试验结果表明，抗氯离子渗透试件在86d龄期时，试验后电通量为831c，小于规范要求的2000c，也同样达到了很好的抵抗氯离子渗透的效果。
5.4 经济上的可行性
由于在混凝土中掺入优质粉煤灰取代了15%的水泥，使水泥的用量大幅度的下降，虽然每立方米混凝土中多出几十公斤的粉煤灰，但是粉煤灰的价格远远低于水泥的价格，所以总的来说，由于粉煤灰的掺入，混凝土的成本会有一定幅度的下降，具体的比对结果如表11所示：
从上表中我们很容易看出，掺加优质粉煤灰以后，混凝土的成本下降幅度很大，两者差值达到了28.2元/m3，珍珠湾码头工程预制方块总数699块，我们做一个大概的分析，平均每块方块大约需混凝土70m3，那么工程中混凝土的总量就是48930m3，累积起来，使用粉煤灰混凝土便可以节约经济成本达到1，379，826元，大大降低了工程成本。
6.结束语
中国是世界的水泥生产大国，年产量占世界一半以上。因此，作为工程技术人员，我们在推进混凝土材料和工程技术时，应该更加关注如何降低生产能耗，以减少地球自然资源的负荷，响应国家可持续发展的大方向。
向混凝土中掺入优质的粉煤灰掺合料，不仅可以大幅度的改善混凝土的和易性能、早期温度控制以及耐久性能，还可以大大降低工程成本，与此同时变废为宝，将电厂排出的有害废渣有效利用起来，减少了对于环境的污染，可以说是一举数得。正是基于粉煤灰有如此优越的应用前景，它才得到了越来越广泛的使用。 而另一方面，我们也还应该意识到粉煤灰的使用仍存在一定的局限性，比如各地的粉煤灰生产质量不一，波动很大，这需要我们在今后的工作中不断摸索和研究。
参考文献
[1]用于水泥和混凝土中的粉煤灰[M].人民交通出版社，2005.
[2]水运工程质量检验标准[M].人民交通出版社，2008.
[3]水运工程混凝土施工规范[M].人民交通出版社，1996.
[4]海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范[M].人民交通出版社，2001.
作者简介
李明涛，男，1981.11，硕士研究生，工程师，材料学专业。