长春市市政工程设计研究院

粉煤灰混凝土在桥梁结构中应用的探讨

赵亚娟　李建国刘欣杜艳滔

      一、引言

      粉煤灰是从煤粉炉排出的烟气中收集到的细颗粒粉末，来源于煤中无机组分，是工业“三废”之一。粉煤灰是一种火山灰质
   材料，是一种高度分散的微细颗粒集合体，主要由氧化硅玻璃球组成。比重在1.95～2.36之间，松干密度在450 kg/m3～700kg/m3
   范围内，比表面积在220 kg/m3～588 kg/m3之间。由于粉煤灰的多孔结构、球形粒径的特性，在松散状态下具有良好的渗透性。
   目前，我国年排放粉煤灰约11000万吨，利用率为42%，主要应用在建材、建工、道路、桥梁、回填等方面。随着工业的发展，粉煤
   灰排放量将逐年增加，合理地推广和应用粉煤灰不仅能节约土地和能源，而且能保护和治理环境。

      粉煤灰混凝土是指以一定量粉煤灰取代部分水泥配制而成的混凝土。粉煤灰在混凝土中作为掺和料，可以改善性能，节约水泥
   ，提高工程质量和降低成本。

      二、粉煤灰在混凝土中的基本效应

      粉煤灰在水泥混凝土中主要有三个基本效应：形态效应、火山灰效应和微集料效应。控制这三个效应向有利方向发展，即可变
   废为宝、改善混凝土的性能。除上述三个基本效应外，粉煤灰还有免疫效应(抑制碱集料反应效应、提高耐腐蚀性效应等)、减热效
   应(降温升效应)、泵送效应等，不过这些效应都离不开上述三个基本效应。
      2.1、形态效应
      粉煤灰的形态效应，主要是指粉煤灰的颗粒形貌、粗细、表面粗糙程度等特征在混凝土中的效应。粉煤灰微珠颗粒可以起到滚
   珠的作用，降低混凝土拌和的内摩擦力而提高流动性。粉煤灰的密度小于水泥，因而等量替代后可增加浆体的体积，从而改善对粗
   细集料的润滑程度，也有利于提高混凝土拌合物的流动性。此外，还可以提高混凝土的匀质性、粘聚性和保水性。
      2.2、火山灰效应(活性效应)
      粉煤灰属于活性矿物掺合料。粉煤灰中含有的玻璃态的氧化硅和氧化铝属于活性氧化硅和活性氧化铝，它们与水泥水化生成的
   氢氧化钙和水发生水化反应(该水化反应亦称二次反应)，生成具有水硬性特点的水化硅酸钙、水化铝酸钙等，并填充于毛细孔隙内。
   这些水化产物同样具有强度，特别是水化硅酸钙，该水化反应在28天时较弱，特别是在7天以内，而在28天以后逐步明显。粉煤灰
   的细度越大，即颗粒越小，活性越高，水化反应能力越高。温度越高，水化反应能力越强，强度增长越快。当温度低于5℃时该水化
   反应基本停止，强度发展缓慢。
      火山灰效应可以提高混凝土后期强度，并且高于不掺粉煤灰的混凝土，且龄期越长该差异越大。因而对早期承载能力要求不大的
   工程可利用其60天、90天、180天时的强度。
      2.3 微集料效应
      粉煤灰微珠具有极高的强度，其填充在水泥颗粒间的空隙，既减少了毛细孔隙，又起到了微骨架作用。随水化的不断进行，粉煤
   灰的水化产物与未水化的粉煤灰内核的粘结力不断提高，这也有利于提高粉煤灰的微集料效应。

      三、 粉煤灰混凝土的应用

      102国道─京哈铁路立交桥是长春市四环路的重要组成部分，桥跨总长度1515m，总面积31000m2。桩基础、墩台、现浇箱梁的混
   凝土总量为44766m3。根据下表所列配合比设计，与基准混凝土(即不掺加粉煤灰的混凝土)相比，在水泥混凝土中使用1吨粉煤灰可
   以取代0.95～0.98吨的水泥(现浇箱梁除外)，全桥节约水泥1268吨。并且掺加适量的优质粉煤灰后，混凝土的许多重要性能得到明
   显的改善，为大规模使用商品混凝土创造了条件，从而缩短了施工周期。

      粉煤灰混凝土配合比设计一览表(单位：Kg/m3)

强度等级	水泥	水	砂	石	粉煤灰	减水剂
C25	325	209	777	1031	42	8.21
C30	373	210	722	1039	49	9.4
C40	465	192	689	1037	60	11.6
C50	526	188	637	1049	69	13.6

        3.1、粉煤灰对混凝土的正面作用
        (1)、混凝土拌和料和易性得到改善
        掺加适量的粉煤灰改善了混凝土拌和料的流动性、粘聚性和保水性，使混凝土拌和料易于泵送、浇筑成型，并减少坍落度的经
    时损失。
        (2)、减少水化热、热能膨胀性。
        水泥混凝土中水泥水化反应要放出热量，在大体积水泥混凝土构件中会出现中心与边缘温度差而产生应力，导致裂缝。由于粉
    煤灰的掺加，减少了水化放热量，有利于减少在水泥混凝土内部由于水化热而产生的升温，减少了水泥混凝土热膨胀出现裂缝的危
    险。对大体积混凝土工程特别有利。
        (3)、混凝土的耐久性提高
    由于二次水化作用，改善混凝土内孔结构,填充内部空隙，提高混凝土的密实度，界面结构得到改善。同时由于二次反应使得易受腐
    蚀的氢氧化钙数量降低，因此掺加粉煤灰后可提高混凝土的抗渗性、抗硫酸盐腐蚀性和抗镁盐腐蚀性等。同时由于粉煤灰比表面积
    巨大，吸附能力强，因而粉煤灰颗粒可以吸咐水泥中的碱，并与碱发生反应而消耗其数量。游离碱数量的减少可以抑制或减少碱集
    料反应。
        (4)、减少了水泥混凝土的徐变。
    粉煤灰混凝土的徐变低于普通混凝土。粉煤灰的减水效应使得粉煤灰混凝土的干缩及早期塑性干裂与普通混凝土基本一致或略低。
        (5)、增强水泥混凝土的泵送性。
    对于掺加粉煤灰的泵送水泥混凝土来说，除了因改善和易性而提高了易泵性之外，同时由于泌水性和离析现象改善，以及粉煤灰本
    身的球形玻璃体效应，可以得到更好的减阻效果。
        (6)、耐磨性提高。
    粉煤灰的强度和硬度较高，因而粉煤灰混凝土的耐磨性优于普通混凝土。但混凝土养护不良会导致耐磨性降低。
        (7)、增加水泥混凝土的修饰性。
    粉煤灰水泥混凝土修饰性比基准水泥混凝土要好，能使表面平整饱满，较容易抹面和修饰，而且硬化后的水泥混凝土色泽更为美观。

        3.2、粉煤灰对混凝土的负面作用
        (1)、强度发展较慢、早期强度较低
        由于粉煤灰的水化速度小于水泥熟料，故掺加粉煤灰后混凝土的早期强度低于普通混凝土，且粉煤灰掺量越高早期强度越低。
    但对于高强混凝土，掺加粉煤灰后混凝土的早期强度降低相对较小。粉煤灰混凝土的强度发展相对较慢，故为保证强度的正常发展
    ，本工程掺加了减水剂，7天就能拆除承重模板，预应力连续梁14天就达到100％的设计强度。
        (2)、抗碳化性、抗冻性有所降低
        粉煤灰的二次水化使得混凝土中氢氧化钙的数量降低，因而不利于混凝土的抗碳化性和钢筋的防锈。而粉煤灰的二次水化使混
    凝土的结构更加致密，又有利于保护钢筋。因此，粉煤灰混凝土的钢筋锈蚀性能并没有比普通混凝土差很多。考虑上述原因，本工
    程同时使用减水剂，有效地减缓掺加粉煤灰所带来的抗碳化性减弱，从而提高对钢筋的保护能力。
        根据有关研究表明，粉煤灰混凝土的抗冻性较普通混凝土有所降低，特别是采用劣质粉煤灰强度更低。对有抗冻性要求的混凝
    土应采用优质粉煤灰，当抗冻性要求较高时应掺加引气使含气量达到要求的数值，即可保证混凝土达到优良的抗冻性。

        四、结论

        通过粉煤灰混凝土在102国道─京哈铁路立交桥中桩基础、承台、墩柱、箱梁等结构的应用，总结出如下经验：
        1、粉煤灰混凝土不仅能节约水泥，还减少了细骨料，从而降低了混凝土成本，具有一定经济效益，同时利用粉煤灰，可减少
    占地面积，减少环境污染，因此，具有一定社会效益。
        2、某些粉煤灰混凝土表面强度低,并不是因为在施工振捣过程中混凝土表面出现了粉煤灰浮浆,而多是由于混凝土表层在施工
    及凝结硬化过程中水灰比过大所致。对表面强度要求较高的混凝土,在生产及施工过程中一定要注意混凝土泌水情况,同时配制混凝
    土时宜选择泌水率小的水泥，并正确养护。
        3、粉煤灰中的碳在混凝土泌水过程中逐渐与浆体分离,并且上升到混凝土表面。容易造成“粉煤灰较轻,易浮于混凝土表面”
    这一错误认识的假象。同时,含碳量较高的粉煤灰(10 %以上) 也是造成混凝土表面硬度低的一个原因。
        4、粉煤灰混凝土如果忽视了养护,混凝土表面硬度下降往往较不掺粉煤灰混凝土更显著。