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1、吉林大学毕 业 论 文论文题目：粉煤灰技术应用与性能分析 班 级 专 业 学生姓名 学号 电话粉煤灰技术应用与性能分析摘要；我国的能源以燃煤为主，每年有近亿吨粉煤灰大量排放，不仅占用土地，而且对环境造成很大危害。由于粉煤灰对水中的污染物具有较强的吸附性，用粉煤灰处理废水不仅可以达到以废治废的目的，而且处理费用低廉。本文用粉煤灰作为吸附材料，甲基橙为吸附质，采用粉煤灰对其进行吸附。通过一系列平衡实验，利用分光光度法跟踪吸附过程浓度变化，计算相关条件下的吸附量，确定吸附量与粉煤灰粒径、时间、粉煤灰投加量、温度、pH值之间的吸附规律，进而评价粉煤灰的吸附特性。关键词：粉煤灰；混凝土；形成；作用；性质
2、 Abstract：Our countrys energy burns coal primarily, to have the nearly hundred million tons pulverized coal ash to discharge massively every year, not only takes the land, moreover causes the very big harm to the environment. Because in the pulverized coal ash adding water pollutant has the strong a
3、dsorbability, not only may achieve with the pulverized coal ash processing waste water by governs the waste goal waste, moreover the disposal cost is inexpensive. this article takes the adsorption material with the pulverized coal ash, the methyl orange is an adsorbate, uses the pulverized coal ash
4、to carry on the adsorption to it. Through a series of balanced experiments, the use spectrophotometric method track adsorption process density change, under the computation related conditions adsorptive capacity, the definite adsorptive capacity and the pulverized coal ash particle size, the time, t
5、he pulverized coal ash throws between the increment, the temperature, the pH value adsorption rule, then appraisal pulverized coal ash adsorption characteristic.Keywords: Highway；Pavement；Asphalt；Pavement；Structure；aggregates目 录1 粉煤灰现状1.1国内外粉煤灰混凝土的发展简况12 粉煤灰2.1粉煤灰的形成32.2粉煤灰的基本性质42.3粉煤灰的组成及结构72.4粉煤灰在
6、混凝土中的作用82.5粉煤灰的存在形态113 粉煤灰混凝土3.1粉煤灰高性能混凝土的力学性能123.2粉煤灰高性能混凝土的抗压强度133.3粉煤灰混凝土收缩133.4粉煤灰混凝土徐变133.5粉煤灰混凝土碳化性能143.6粉煤灰混凝土钢筋锈蚀144 粉煤灰混凝土的物理性能试验方法4.1粉煤灰混凝土水化热154.2粉煤灰混凝土碱-集料反应154.3粉煤灰混凝土抗冻性164.4粉煤灰混凝土抗渗性能174.5粉煤灰混凝土泵送性能184.6粉煤灰混凝土的施工195 小结参考文献1 粉煤灰现状1.1国内外粉煤灰混凝土的发展简况我国是个产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。近年来，我国的能源工业稳步发展，发
7、电能力年增长率为7.3%，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，1995年粉煤灰排放量达1.25亿吨，2000年约为1.5亿吨，到2010年将达到2亿吨，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。另一方面，我国又是一个人均占有资源储量有限的国家，粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决我国电力生产环境污染，资源缺乏之间矛盾的重要手段，也是电力生产所面临解决的任务之一。经过开发，粉煤灰在建工、建材、水利等各部门得到广泛的应用。20世纪70年代，世界性能源危机，环境污染以及矿物资源的枯竭等强烈
8、地激发了粉煤灰利用的研究和开发，多次召开国际性粉煤灰会议，研究工作日趋深入，应用方面也有了长足的进步。粉煤灰成为国际市场上引人注目的资源丰富、价格低廉，兴利除害的新兴建材原料和化工产品的原料，受到人们的青睐。目前，对粉煤灰的研究工作大都由理论研究转向应用研究，特别是着重要资源化研究和开发利用。利用粉煤灰生产的产品在不断增加，技术在不断更新。国内外粉煤灰综合利用工作与过去相比较，发生了重大的变化，主要表现为：粉煤灰治理的指导思想已从过去的单纯环境角度转变为综合治理、资源化利用；粉煤灰综合利用的途径以从过去的路基、填方、混凝土掺和料、土壤改造等方面的应用外，发展到目前的在水泥原料、水泥混合材、大型
9、水利枢纽工程、泵送混凝土、大体积混凝土制品、高级填料等高级化利用途径。为保证交通的正常开放，随着高速公路和城市立交越来越多的在冬季撒盐除冰化冰雪，进而加剧了对混凝土路面和桥面的冻融破坏，掺粉煤灰混凝土抗盐冻性能60年代以来，我国就开始研究粉煤灰的开发利用，但与社会发展的要求以及发达国家相比，差距甚远。主要表现为粉煤灰利用率偏低，地区差异大，用于生产新型建筑材料的粉煤灰占总量的比例不足5%，大部分为筑路填方的低层次开发。20世纪70年代以后，世界上燃烧煤炭的火力发电这一发展方向得到新的共识，在许多国家中粉煤灰资源迅速增长，备受重视，粉煤灰混凝土技术的进步也加快了步伐。国外开始开发研制高性能粉煤灰
10、混凝土。我国也加强了这一对于混凝土工程学具有划时代意义的工作川。我国粉煤灰的年产量大，但总利用率不高，利用技术水平较低，同时国内粉煤灰的利用开发也很不平衡，经济发达地区如上海、广州、深圳等地粉煤灰有供不应求之势，而湖南省粉煤灰的利用率仅25%左右。我国粉煤灰年排放量约为1.5亿吨，其利用率仅达40%左右未被利用的粉煤灰堆积如山，造成环境的严重污染。按目前的排灰状况和利用水平，冲灰用水量和贮灰场占地将要增加一倍。对我们这个水资源缺乏，耕地人均占有率很低的国家来说，如何做好粉煤灰的利用和处置确实是一个十分重要的问题。1993年，虽然我国粉煤灰的综合利用率已达到了34.8%，但包头等地区粉煤灰利用率
11、还非常低，粉煤灰的现储存量达数百万吨之多，并以每年8590万吨的速度递增，粉煤灰的不断排放，不仅占用了大量土地资源，还需投资兴建储灰场，并不断地对其进行扩容和维护，而且大量储存的粉煤灰严重地污染了周边的环境近年来，粉煤灰及其他工业废料的资源化已成为我国可持续发展战略的重要组成部分。随着火力发电能力的迅速增加，粉煤灰处理、消纳，以及由此派生的污染防治问题业已成为煤炭转化利用过程中不可忽视的环节。通过对粉煤灰的治理和资源化综合利用，各方面都取得了令人瞩目的成就。大量的粉煤灰也己经应用于我国混凝土工程建设中，特别是三峡工程，是世界上在建的最大水电工程，举世瞩目，混凝土总量约2700万m3，为世界之最
12、，其中几乎没有不掺粉煤灰的大坝混凝土，三峡工程三期围堰工程中粉煤灰的掺量在50%以上。曾被当作垃圾扔掉的粉煤灰，如今在南京市变成了“紧俏商品”，通过“综合利用”这根“点金棒”，一年创造出40多亿元产值。“十五”期间，南京市粉煤灰综合利用率年超过100%，粉煤灰不仅已经广泛用在工程建材方面，其应用领域仍在不断扩展中，2005年实际利用的粉煤灰达到340万吨，超过了全市当年的排放量，连云港核电站、润扬大桥、芜湖大桥以及南京市的地铁、玄武湖隧道、宁沪高速、宁连高速、宁杭高速和绕城路、机场路等一系列国家重点建设工程中都有南京粉煤灰的贡献，为这些基础设施节约投资近亿元。“十一五”期间，南京市计划实现粉煤
13、灰综合利用1820万吨，节约水资源4.5亿m3。所以，粉煤灰在我国的高性能混凝土中同样具有较大的应用潜力，其绿色环保意义也是巨大的。我国粉煤灰50%排入灰厂堆存，10%直接注入江河湖泊，综合利用率为30%45%，与西方发达国家相比利用率较低。国外粉煤灰主要用于建材工业、建筑工程、筑坝以及造地、造田等农业领域。因此加大对粉煤灰的资源化利用，对我国具有重要、紧迫的环保和经济意义。虽然我国的粉煤灰利用率不断的上升，但是同发达国家相比，我国还存在不少差距:(1)粉煤灰在水泥和混凝土中的利用率还不高。(2)在技术经济效益方面，以粉煤灰混凝土技术推广较好的上海地区为例，目前仅节约水泥5%15%，且局限于土
14、建工程，而国外一般水平是节约水泥20%，英国是30%。(3)粉煤灰商品混凝土总产量的比例低于国际一般水平，而且产品标准、规格、生产和经营管理等方面也都处于起步阶段，大量研究开发工作有待重视。 1.2粉煤灰在国外的发展状况早在1914年，美国Anon首次发现粉煤灰中的氧化物具有火山灰的特性。此后前苏联、英国、美国、荷兰、日本等发达国家相继开始对粉煤灰的物理、化学特性，实践应用等课题进行了研究和开发。国内外文献介绍粉煤灰混凝土技术时，可以追溯到20(X)多年前古罗马大型工程中曾采用的火山灰混凝土，其目的是要验证粉煤灰是一种人工火山灰。粉煤灰混凝土技术发展的先驱是美国加州大学伯克利理工学院的 Dav
15、isRE，他于1933年开始研究粉煤灰在混凝土中的应用，随后与其合作者陆续发表了国际上首批粉煤灰混凝土的研究报告。20世纪40年代，美国垦务局等工程部门，通过不少水坝工程混凝土中掺加粉煤灰的成功试点，终于决定在蒙大拿州的俄马坝大型工程中，大规模应用粉煤灰，共掺用粉煤灰13万吨。竣工后的定期观察表明，粉煤灰混凝土至今保持良好的性能。因此，欧美国家有关文献，将俄马坝工程中粉煤灰的应用列为粉煤灰混凝土技术发展史中第一块里程碑。从总体上看，随着粉煤灰应用技术的发展，各国粉煤灰的利用率水平在逐年提高。以美国为例，1980年，美国粉煤灰的排放量为4380万吨，其中仅267万吨用于水泥和混凝土，占总排放量的
16、5.5%，到了1994年粉煤灰利用率提高至29%l33洲。1992年全世界粉煤灰及炉底灰、利用率约为33.3%。世界各国粉煤灰的利用率水平有很大差异，一些国家达到oo%以上(德国、韩国、法国等)，而有些国家只有不到10%的粉煤灰被利用(印度、泰国、墨西哥等)。从利用方式上看，粉煤灰用于混凝土是粉煤灰利用的主要方式，尤其在发展中国家，由于大规模的基础建设，粉煤灰在混凝土中的应用量远比发达国家为高脚洲。目前，欧美发达国家粉煤灰的综合利用率基本达到50%以上，个别国家达到90%以上。英、法、美、印度、加拿大等国家都把粉煤灰的开发利用作为一项基本国策，成立了专门的研究和咨询机构，通过转变观念，将粉煤灰
17、作为一项新的资源综合利用，提高了用灰企业的经济效益，更好地维护了环境，取得了很高的社会效益早在1914年，美国的Anon就开始研究粉煤灰的火山灰特性，首先发现粉煤灰中的氧化物具有火山灰活性。1933年，美国伯克力加州理工学院的R.E.Davis首先开始粉煤灰混凝土的研究11习。为了消除粉煤灰的环境污染，提高其资源性再生利用率，世界各国政府和专家学者投入了大量的人力、物力，经过几十年的努力，在粉煤灰资源化利用方面，已相继开发出粉煤灰利用的诸多领域。对工业废渣中排放量最大的粉煤灰进行资源综合利用，实现可持续发展，具有十分重要的现实意义和深远的历史意义2 粉煤灰2.1粉煤灰的形成第一阶段，粉煤在开始
18、燃烧时，其中气化温度低的挥发分，首先自矿物质与固体碳连接的缝隙间不断逸出，使粉煤灰变成多孔型炭粒。此时的煤灰，颗粒状态基本保持原煤粉的不规则碎屑状，但因多孔型性，使其表面积更大。第二阶段，伴随着多孔性炭粒中的有机质完全燃烧和温度的升高，其中的矿物质也将脱水、分解、氧化变成无机氧化物，此时的煤灰颗粒变成多孔玻璃体，尽管其形态大体上仍维持与多孔炭粒相同，但比表面积明显地小于多孔炭粒。第三阶段，随着燃烧的进行，多孔玻璃体逐渐融收缩而形成颗粒，其孔隙率不断降低，圆度不断提高，粒径不断变小，最终由多孔玻璃转变为一密度较高、粒径较小的密实球体，颗粒比表面积下降为最小。不同粒度和密度的灰粒具有显著的化学和矿
19、物学方面的特征差别，小颗粒一般比大颗粒更具玻璃性和化学活性。最后形成的粉煤灰(其中80%90%为飞灰，10%20%为炉底灰)是外观相似，颗粒教细而不均匀的复杂多变的多相物质。飞灰是进入烟道气灰尘中最细的部分，炉底灰是分离出来的比较粗的颗粒，或是炉渣。这些东西有足够的重量，燃烧带跑到炉子的底部2.2粉煤灰的基本性质粉煤灰的物理性质包括密度、堆积密度、细度、比表面积、需水量等，这些性质是化学成分及矿物组成的宏观反映。由于粉煤灰的组成波动范围很大，这就决定了其物理性质的差异也很大。粉煤灰比表面积研究和相关数据报告中，只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，因为国内外制定出来的比表面积测定标准
20、都是以BET测试方法为基础的。标准名称(GB.T 19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积测定分析有专用的比表面积测试仪，国内比较成熟的是动态氮吸附法，现有国产仪器中大多数还只能进行直接对比法的，北京金埃谱科技公司的F-Sorb 2400比表面积分析仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器（兼备直接对比法），更重要的北京金埃谱科技公司的F-Sorb 2400比表面积分析仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备，其测试结果与国际一致性很高，稳定性也很好，同时减少人为误差，提高测试结果精确性。粉煤灰的基本物理特性项 目 范 围 均 值密度/（g/c
21、m3） 1.92.9 2.1堆积密度/（g/cm3） 0.5311.261 0.780比表面积（cm2/g） 氮吸附法 80019500 3400 (由北京金埃谱科技公司生产的F-Sorb 2400全自动比表面积测试仪BET方法检测)透气法 11806530 3300原灰标准稠度/% 27.366.7 48.0需水量/% 89130 10628d抗压强度比/% 3785 66粉煤灰的物理性质中，细度和粒度是比较重要的项目。它直接影响着粉煤灰的其他性质，粉煤灰越细，细粉占的比重越大，其活性也越大。粉煤灰的细度影响早期水化反应，而化学成分影响后期的反应。粉煤灰是一种人工火山灰质混合材料，它本身略有
22、或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。 表2.2 粉煤灰的技术要求2.3粉煤灰的组成2.3.1粉煤灰的化学组成我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、AL2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、 MgO 、K2O、 Na2O、SO3、MnO等，此外还有P2O5等。其中氧化硅、氧化钛来自黏土，岩页；氧化铁主要来自黄铁矿；氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。粉煤灰的元素组成(质量分数)为：O 47.83%，Si 11.48
23、%31.14%，A1 6.40%22.91%，Fe 1.90%18.51%， Ca 0.30%25.10%，K 0.22%3.10%，Mg 0.05%1.92%，Ti 0.40%1.80%，S 0.03%4.75%，Na 0.05%1.40%，P 0.00%0.90%，C1 0.00%0.12%，其他0.50%29.12%。由于煤的灰量变化范围很广，而且这一变化不仅发生在来自世界各地或同一地区不同煤层的煤中，甚至也发生在同一煤矿不同的部分的煤中。因此，构成粉煤灰的具体化学成分含量，也就因煤的产地、煤的燃烧方式和程度等不同而有所不同。粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2)和活性A12
24、O3 (玻璃体A12O3 )在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性A12O3和f-CaO(游离氧化钙)都是活性的的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。粉煤灰中的钙含量在3%左右，它对胶凝体的形成是有利的。国外把CaO含量超过10%的粉煤灰称为C类灰，而低与10%的粉煤灰称为F类灰。C类灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F类灰常作混凝土掺和料，它比C类灰使用时的水化热要低。粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成较多玻璃体，在水化反应中会促进碱硅反应。但M
25、gO含量过高时，对安定性带来不利影响。粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一种惰性物质不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的压实也不利。过量的Fe2O3对粉煤灰的活性也不利。2.3.2粉煤灰的矿物组成由于煤粉各颗粒间的化学成分并不完全一致，因此燃烧过程中形成的粉煤灰在排出的冷却过程中，形成了不同的物相。比如：氧化硅及氧化铝含量较高的玻璃珠在铁矿，另外，粉煤灰中晶体矿物的含量与粉煤灰冷却速度有关。一般来说，冷却速度较快时，玻璃体含量较多：反之，玻璃体容易析晶。可见，从物相上讲，粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物。其矿物组成的波动范围较大。一般晶体矿物为石英、莫来石、磁铁矿、氧化镁、生石灰及无水石膏等
26、，非晶体矿物为玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50%以上。粉煤灰的结构是在煤粉燃烧和排出过程中形成的，比较复杂。在显微镜下观察，粉煤灰是晶体、玻璃体及少量未燃炭组成的一个复合结构的混合体。混合体中这三者的比例随着煤燃烧所选用的技术及操作手法不同而不同。其中结晶体包括石英、莫来石、磁铁矿等；玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则孔隙少的小颗粒、疏松多孔且形状不规则的玻璃体球等；未燃炭多呈疏松多孔形式。2.4粉煤灰在混凝土中的作用掺入粉煤灰可改善新拌混凝土的和易性拌混凝土的和易性受浆体的体积、水灰比、骨料的级配、形状、孔隙率等的影响。掺用粉煤灰对新拌混凝土的明显好处是增大浆体的
27、体积，大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。粉煤灰的骨料颗粒可以减少浆体与骨料间的界面摩擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善了混凝土拌和物的和易性。 粉煤灰可抑制新拌混凝土的泌水。粉煤灰的掺入可以补偿细骨料中的细屑不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性，同时粉煤灰作为水泥的取代材料在同样的稠度下会使混凝土的用水量有不同程度的降低，因而掺用粉煤灰对防止新拌混凝土的泌水是有利的。 掺用粉煤灰，可以提高混凝土的后期强度。有试验资料表明，在混凝土中掺入粉煤灰后，随着粉煤灰掺量的增加，早期强度（28天以前）逐减，而后期强度逐渐增加。粉煤灰对混
28、凝土的强度有三重影响：减少用水量，增大胶结料含量和通过长期火山灰反应提高强度。 当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要取决于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与水泥浆体中的Ca(OH)2作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙的速度和数量。粉煤灰在混凝土中，当Ca(OH)2薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时，就开始发生火山灰效应。但由于在Ca(OH)2薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性组分反应，反应产物在层内逐级聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大增长。随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥
29、水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，这就是掺粉煤灰混凝土早期强度较低、后期强度增长较高的主要原因。 掺粉煤灰可降低混凝土的水化热。混凝土中水泥的水化反应是放热反应，在混凝土中掺入粉煤灰由于减少了水泥的用量可以降低水化热。水化放热的多少和速度取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量，例如，若按重量计用粉煤灰取代30的水泥时，可使因水化热导致的绝热温升降低15左右。众所周知，温度升高时水泥水化速率会显著加快，研究表明：与20相比，30时硅酸盐水泥的水化速率要加快1倍。一些大型、超大型混凝土结构，其断面尺寸增大，混凝土设计强度等级提高，所用水泥强度等级高，单位
30、量增大，施行新标准后水泥的粉磨细度加大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化过程温升明显加剧，温峰升高，这是导致许多混凝土结构物在施工期间，模板刚拆除时就发现大量裂缝的原因。粉煤灰混凝土可减少水泥的水化热，减少结构物由于温度而造成的裂缝。掺粉煤灰可改善混凝土的耐久性。在混凝土中掺粉煤灰对其冻融耐久性有很大影响。当粉煤灰质量较差，粗颗粒多，含碳量高都对混凝土抗冻融性有不利影响。质量差的粉煤灰随掺量的增加，其抗冻融耐久性降低。但当掺用质量较好的粉煤灰同时适当降低水灰比，则可以收到改善抗冻性的效果。水泥混凝土中如果使用了高碱水泥，会与某些活性集料发生碱集料反应，会引起混凝土产生膨胀、开裂，导致混凝土结构破
31、坏，而且这种破坏会继续发展下去，难以补救。近年来，我国水泥含碱量的增加、混凝土中水泥用量的提高及含碱外加剂的普遍应用，更增加了碱集料反应破坏的潜在危险。在混凝土中掺加粉煤灰，可以有效地防止碱集料反应，提高混凝土的耐久性。在水胶比低于0.38的高性能混凝土中掺入粉煤灰，其作用机理不同于普通的混凝土。普通混凝土水胶比通常在0.450.7之间，在如此高水胶比的水泥浆中，水所占据的体积大约为水泥固体体积的两倍以上。水泥颗粒周围有充足的水提供给水泥水化，水泥从颗粒表面开始水化，生成表面积增大1000倍左右的水化产物，并具有良好的向周围空间扩散、填充的能力。如果在这种浆体中掺入粉煤灰以代替部分水泥，虽然从
32、颗粒形状来说，粉煤灰呈球形易于堆积得较为密实，但是它水化缓慢生成的凝胶量比同体积的水泥少得多，难以填充粉煤灰颗粒自身周围的空隙，所以掺粉煤灰水泥浆的强度及其他性能与纯水泥浆相比有所下降，并且掺量越大(水泥用量减少)这种下降的趋势越明显，这种现象在水化早期更加明显。而高性能混凝土的最大特点是水胶比低，胶凝材料用量大，由于水胶比低，水所占据的空间小，需要填充的空隙也减少，同时，由于高效减水剂的作用，胶凝材料颗粒呈高度分散状态，颗粒间距以及生成的水化凝胶粒子间距减小，水泥凝胶体密实且分子间范德华力与普通混凝土相比明显加大。这些因素使得高性能混凝土的微观结构得到改善，其强度比普通混凝土有很大提高。对于
33、这种低水胶比、胶凝材料用量大的高性能混凝土，如果不掺粉煤灰，完全使用水泥，颗粒周围可提供水泥水化的水量有限，水泥的水化程度降低，未水化的水泥内核增大。尽管需要填充的空隙小，未完全水化所生成的水化产物量也足以密实地填充水泥颗粒间空隙，但将有相当量的未水化的水泥颗粒内核长期残存，这部分水泥没有发挥胶凝材料的活性作用，只是作为填充料存在于水泥石中，如果混凝土长期工作处于湿润环境中，混凝土吸水使这些水泥水化，还会引起体积膨胀，破坏其内部结构。如果掺入粉煤灰代替部分水泥，保持水胶比不变，由于早期粉煤灰水化很缓慢，相当于增大了水与水泥的相对量，使水泥的水化条件得到改善，水化程度提高，生成的水化产物量增大，
34、使得水泥凝胶体填充得更加密实。同时，球形颗粒的粉煤灰在水泥浆体中的分散效果良好，粉煤灰颗粒与水泥颗粒间的距离小，水化产物向粉煤灰颗粒迁移的距离短，生成的水化产物多，大量的Ca(OH)2能很好地激发粉煤灰从表面开始水化，粉煤灰颗粒内部不能完全水化的内核充当了上述不掺粉煤灰时的水泥颗粒未水化内核的填充作用。所以，在宏观上掺入一定量粉煤灰的高性能混凝土的强度接近于纯水泥混凝土的强度。根据上述分析可知，在普通混凝土中掺入粉煤灰只起到填充料的作用，而在低水胶比的高性能混凝土中，掺入的粉煤灰对水泥石的微观结构的形成有以下积极作用:1.保持水胶比不变的前提下，掺入的粉煤灰使实际的水灰比有所增大，水泥的水化程
35、度提高，尽管减少了部分水泥，但水泥水化生成的凝胶体的量没有同步减少;2.低水胶比的水泥浆体中，颗粒之间距离小，水化产物扩散距离小，同时水化产物量大，对粉煤灰的二次水化激发作用强，粉煤灰的活性效应比普通混凝土中发挥得好;3.环形的粉煤灰颗粒分散效果好，在新拌在新拌状态下能改善混凝土的工作性，混凝土硬化后作为微粉填料填充凝胶间的空隙，使水泥石的微观结构得到改善。因此低水胶比条件下，适量粉煤灰的掺入不会明显降低混凝土的强度和其他性能，与普通混凝土相比可以适当加大粉煤灰的掺量。研究试验结果表明，粉煤灰作为高性能混凝土用矿物掺料，主要发挥了以下的技术和经济作用:l)提高水泥与高效减水剂的相容性;2)改善
36、混凝土拌合物的工作性，延缓或减小工作度损失;3)降低混凝土水化硬化过程中、尤其是水化初期的水化热温升;4)提高混凝土的内部结构的密实性，减小混凝土的渗透性，改善耐久性;5)减少水泥用量，消化工业废料，有利于环保，符合可持续发展的方针;6)降低混凝土成本，提高混凝土生产的经济效益。25粉煤灰的存在形态粉煤灰是以颗粒形态存在的，且这些颗粒的矿物组成、粒径大小、形态各不相同。人们通常将其形状分为珠状颗粒和渣状颗粒两大类。根据北京科技大学宋存义等用扫描式电子显微镜的观察表明，粉煤灰由多种粒子构成，其中珠状颗粒包括空心玻珠(漂珠)、厚壁及实心微珠(沉珠)、铁珠(磁珠)、炭粒、不规则玻璃体和多孔玻璃体等五
37、大品种。其中不规则玻璃体是粉煤灰中较多的颗粒之一，大多是由似球和非球形的各种浑圆度不同的粘连体颗粒组成。有的粘连体断开后，其外观和性质与各种玻璃球形体相同，其化学成分则略有不同。多孔玻璃体形似蜂窝，具有较大的表面积，易黏附其他碎屑，密度较小，熔点比其他微珠偏低，其颜色由乳白至灰色不等。在扫描式电子显微镜下可以比较容易地观察到不规则玻璃体的存在。渣状颗粒包括海绵状玻璃渣粒、炭粒、钝角颗粒、碎屑和粘聚颗粒等五大品种。正是由于这些颗粒各自组成上的变化，组合上的比例不同，才直接影响到粉煤灰质量的优劣。从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰称为粉煤灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰的燃烧过程：煤粉
38、在炉膛中呈悬浮状态燃烧，燃煤中的绝大部分可燃物都能在炉内烧尽，而煤粉中的不燃物(主要为灰分)大量混杂在高温烟气中。这些不燃物因受到高温作用而部分熔融，同时由于其表面张力的作用，形成大量细小的球形颗粒。在锅炉尾部引风机的抽气作用下，含有大量灰分的烟气流向炉尾。随着烟气温度的降低，一部分熔融的细粒因受到一定程度的急冷呈玻璃体状态，从而具有较高的潜在活性。在引风机将烟气排入大气之前，上述这些细小的球形颗粒，经过除尘器，被分离、收集，即为粉煤灰。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，现阶段我国年排渣量已达3000万t。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。大量的粉煤灰不加处理，就会产生
39、扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。因此，粉煤灰的处理和利用问题引起人们广泛的注意。3 煤灰混凝土的特性3.1粉煤灰高性能混凝土的力学性能本章研究粉煤灰在高性能混凝土中不同配比条件下的活性效应，测定不同粉煤灰用量、水胶比等条件下多组高性能混凝土的抗压强度、静弹性模量等力学性能。通过试验，比较分析粉煤灰在高性能混凝土中的效应，研究粉煤灰及其掺量对混凝土力学性能的影响。试验采用蒙西52.SR水泥及前述的粗、细集料和DSF一工工高效减水剂。取混凝土中胶凝材料(包括水泥和粉煤灰)的总量为500550kg/m3，粉煤灰掺量变化范围为30%50%，水胶比
40、为0.280.42，设计多组混凝土配合比，进行混凝土试配。粉煤灰高性能混凝土的力学性能图3.1本章研究粉煤灰在高性能混凝土中不同配比条件下的活性效应，测定不同粉煤灰用量、水胶比等条件下多组高性能混凝土的抗压强度、静弹性模量等力学性能。通过试验，比较分析粉煤灰在高性能混凝土中的效应，研究粉煤灰及其掺量对混凝土力学性能的影响。3.2粉煤灰高性能混凝土的抗压强度试验采用蒙西52.SR水泥及前述的粗、细集料和DSF一工工高效减水剂。取混凝土中胶凝材料(包括水泥和粉煤灰)的总量为500550kg/m3，粉煤灰掺量变化范围为30%50%，水胶比为0.280.42，设计多组混凝土配合比，进行混凝土试配。混凝
41、土配合比见表4.1。粉煤灰高性能混凝土的力学性能。研究粉煤灰在高性能混凝土中不同配比条件下的活性效应，测定不同粉煤灰用量、水胶比等条件下多组高性能混凝土的抗压强度、静弹性模量等力学性能。通过试验，比较分析粉煤灰在高性能混凝土中的效应，研究粉煤灰及其掺量对混凝土力学性能的影响。试验采用蒙西52.SR水泥及前述的粗、细集料和DSF一工工高效减水剂。取混凝土中胶凝材料(包括水泥和粉煤灰)的总量为500550kg/m3，粉煤灰掺量变化范围为30%50%，水胶比为0.280.42，设计多组混凝土配合比，进行混土试配。表3.23.3粉煤灰混凝土收缩混凝土的收缩与混凝土的拌和用水量和浆体体积有关，用水量越少
42、，收缩也越小。优质的粉煤灰需水量比小于100%，拌和水量的减少使掺粉煤灰混凝土28d后的自干燥收缩和干燥收缩都小。粉煤灰混凝土的干缩也随粉煤灰掺量的提高而降低。但由于粉煤灰混凝土的水化反应慢，水分蒸发快，所以粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大。为防止粉煤灰混凝土的早期收缩开裂，对其更应加强早期养护。 3.4粉煤灰混凝土徐变28天龄期以前，混凝土的强度较低，其相应龄期的徐变应变也较普通混凝土的大，然而与普通混凝土等强度的粉煤灰混凝土在此后所有龄期的徐变均小于普通混凝土。 3.5粉煤灰混凝土碳化性能煤灰混凝土的抗碳化性能较差。粉煤灰混凝土中的水泥用量减少，水泥水化析出的图3.2 胀缩量Ca（OH）2
43、 数量也相应减少，而且，火山灰反应也消耗了一定量的Ca（OH）2 ，使混凝土的PH值降低，会增加混凝土的碳化速度。特别在水化早期，粉煤灰火山灰反应程度低，粉煤灰-水泥体系孔结构疏松，CO2、O2、水分等入侵阻力小，因此碳化深度较大。随着龄期的增长和粉煤灰火山灰效应的逐渐发挥，碳化速度将逐渐降低。粉煤灰混凝土的碳化深度随水灰比及粉煤灰掺量的增加而有所增加。在水灰比为0.50.55，粉煤灰掺量不大于30%和一般施工水平的情况下，1517年混凝土的碳化深度可达20mm左右。碳化反应在一定的相对湿度范围内进行最快，否则，反应较慢。当相对湿度在25%以下或者接近100%，即混凝土在充分干燥或水饱和的场合
44、，混凝土都不易产生碳化收缩。在基础工程等不与大气接触的混凝土工程中，由于与CO2隔绝，不会发生碳化反应，因此可较多地掺加粉煤灰，以充分降低混凝土的水化热，提高混凝土的耐久性。采用超量取代法，较低的水胶比，同时掺加以减水剂为主的外加剂进行配合比设计，可使粉煤灰混凝土的抗碳化性能有所改善。 3.6粉煤灰混凝土钢筋锈蚀混凝土中的钢筋能够防锈是由于混凝土的碱性（PH12.5）在金属表面形成一层致密的钝化膜。在混凝土中掺加粉煤灰，一方面会消耗Ca（OH）2 ，降低混凝土的碱环境；另一方面，粉煤灰又与Ca（OH）2反应生成水化物，提高混凝土的密实度，增加混凝土的不透水性和对氯离子扩散的阻力，阻碍和防止CO
45、2的侵入，可对钢筋起保护作用，所以粉煤灰的掺入，在防止钢筋锈蚀方面，可以抵消因碱度降低带来的不利影响。粉煤灰在一定的掺量范围（FA24%），对钢筋锈蚀基本无影响，甚至优于空白混凝土。但是若粉煤灰的掺量大于30%，混凝土的 碳化可使混凝土的PH值由12.5降至8.5左右，在这样低的PH值条件下，钢筋不再钝化。当碳化深度到达钢筋位置，保护层被完全碳化，在水与氧气渗入的条件下，钢筋就会发生锈蚀而导致混凝土的开裂甚至破坏。4 灰混凝土的物理性能试验方法4.1粉煤灰混凝土水化热粉煤灰对降低混凝土水化热的作用十分明显。低钙粉煤灰在头几天的水化程度并不明显，所产生的水化热仅及水泥的一半。在混凝土中用粉煤灰取
46、代20%的水泥，可使混凝土7d的水化热下降11%。128d龄期内，大致为掺入粉煤灰的百分数，就是温升和水化热降低的百分数。在大体积混凝土中粉煤灰的掺入一般可使水化热峰出现的时间延缓至3d以后才出现，可以有效防止混凝土产生温度裂缝。 4.2粉煤灰混凝土碱-集料反应图4.1粉煤灰对有效抑制混凝土碱-集料反应的作用已被世界公认。一方面粉煤灰中的活性成分SiO2、AI2O3与水泥的水化产物Ca（OH）2反应，降低混凝土的碱度；另一方面粉煤灰较大的比表面可吸收K+、Na+、OH，使之富集在粉煤灰微粒的表面，使骨料周围的碱金属离子及OH减少，降低混凝土孔隙中的碱浓度，从而削弱了混凝土的碱集料反应。根据试验结果，粉煤灰掺量大于20%时，抑制碱-集料反应才有效，当掺入30%时可有效抑制碱-集料反应。低钙粉煤灰中的有效Na2O和K2O都能加速水泥的水化反应，并且能激发粉煤灰中化学活性成分SiO2、AI2O3与Ca（OH）2的二次水化反应，因此粉煤灰中的有效碱是有益的。粉煤灰对水泥与减水剂相容性的影响高性能混凝土
