粉煤灰混凝土配合比设计及应用.docx

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粉煤灰混凝土配合比设计及应用

粉煤灰混凝土配合比设计及应用

摘要：

混凝土中掺适量的粉煤灰，能改善混凝土的性能，降低工程成本。

重点探讨不同品质的粉煤灰在取代或超代水泥配制混凝土的原材料选择，粉煤灰混凝土的配合比设计及施工注意事项。

列出不同强度等级要求的粉煤灰混凝土与普通混凝土的参考配合比。

关键词：

粉煤灰；混凝土；配合比设计；施工注意事项；原材料选择

   混凝土中掺人适量的粉煤灰，既可降低工程施工成本，改善混凝土的和易性、可泵性，增加混凝土的黏性，减少混凝土离析与泌水，又可使混凝土的凝结时间相对延长，坍落度损失减小，降低水化热，减少或消除混凝土中碱集料反应的危害。

但也存在粉煤灰品质波动大，混凝土早期强度偏低的缺点。

若在配合比设计时，对原材料、粉煤灰取代率及超掺量系数作正确选择，其混凝土能满足设计施工要求。

本文论述桥梁结构中C25灌注桩、承台，C30墩帽及墩身，C40、C50后张法预应力混凝土箱梁的粉煤灰混凝土配合比设计，原材料选择及施工注意事项。

1原材料

（1）粉煤灰：

用于混凝土的粉煤灰按其品质分为I、Ⅱ、Ⅲ3个等级，主要技术指标见表1。

   桥梁结构混凝土配合比设计时，选择I、Ⅱ级粉煤灰，其中I级灰用于强度大于40MPa的混凝土，Ⅱ级灰用于混凝土强度等级小于C30的桩基、承台、立柱、墩台帽工程。

   粉煤灰活性：

粉煤灰越细，比表面积越大，粉煤灰的活性就越容易被激发，因此，所用粉煤灰越细，混凝土早期强度越高、耐久性越好。

   粉煤灰烧失量对需水性影响显著，随粉煤灰烧失量增加，粉煤灰的需水量增加，当烧失量大于10%时，粉煤灰对流动扩展度无有利作用；粉煤灰含碳量增高，烧失量增大，在混凝土搅拌、运送、成型过程，粉煤灰更容易浮到表面，影响混凝土的外观与内在质量。

另外，由于烧失量增大，还会降低减水剂的使用效果。

   需水量与粉煤灰的细度、烧失量也有一定的关系，一般来说粉煤灰需水量越小，对混凝土性能越有利。

粉煤灰越细，需水量越小；烧失量越大，需水量也越大。

所以粉煤灰的需水量指标可以综合反映出粉煤灰的性能。

    含水量过高，会降低粉煤灰的活性，直接影响使用效果。

   SO3含量影响混凝土的强度增长极限和凝结时间，同时粉煤灰中SO3含量过多还可能造成硫酸盐侵蚀。

（2）水泥：

混凝土强度等级小于C30时，选用32．5或42．5的普通硅酸盐水泥；混凝土强度等级大于C30时，选用42．5或52．5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

   （3）黄砂：

满足Ⅱ类砂要求的条件下，优先选择级配良好的江砂或河砂。

因为江砂或河砂含泥量少，砂中石英颗粒含量较多，级配一般都能满足要求。

山砂中含泥量较大，且含有较多风化颗粒，一般不能使用。

砂的细度模数控制在2．43．0，其中C50混凝土用砂的细度模数宜控制在2．6—3．0，因细度模数小于2．5时，C50混凝土拌和物显得太黏稠，施工中难于振捣，泵送较困难。

砂的细度模数大于3．0时，容易引起新拌混凝土在运输浇筑过程中离析及保水性能差，从而影响混凝土内在和外观质量。

   （4）碎石：

粗集料的强度、级配、颗粒形状、表面特征、杂质的含量、吸水率对混凝土强度及耐久性有着重要的影响。

所用碎石应满足Ⅱ类碎石技术要求。

碎石的压碎值通常被用来间接地判定岩石的强度，混凝土的强度等级与岩石抗压强度及碎石压碎值关系见表2。

   碎石宜选择连续级配碎石，单粒级碎石易引起混凝土离析。

C40以下混凝土宜选择最大粒径不大于31．5mm碎石，粒径过大会引起混凝土在运输、浇筑过程中的离析。

C40以上的混凝土，碎石最大粒径不宜大于25mm。

因为C40以上混凝土（特别是C50混凝土）水泥浆较富余，而大粒径集料比同质量小粒径集料表面积小，其与砂浆粘结面积小，粘结力低且混凝土的均质性差，所以用大粒径集料不可能配制出高强度混凝土。

   粗集料的颗粒形状、表面特征对混凝土的粘结性能有一定的影响，特别是对C50混凝土影响较大，宜选择表面粗糙多棱角，颗粒近似立方体的碎石。

C40以下混凝土中的针片状碎石总含量应不超过15%，在C50混凝土中不宜超过8%。

   外加剂：

通常选用高效减水剂、高效缓凝减水剂、高效早强减水剂，如NF、UNF、JC等。

   高效减水剂同时具有增加混凝土强度和流动性的作用。

掺高效减水剂的混凝土坍落度损失一般较快，施工时最好采用后掺法，这样可提高高效减水剂减水作用，使混凝土的流动性增加。

在温度低于8~10℃时，高效减水剂虽能增加和易性，但增加强度的作用大大降低，所以高效减水剂宜在春秋季节使用。

   高效缓凝减水剂有利于控制水泥的早期水化，使混凝土拌和物坍落度损失小。

一般来说，掺量大时凝结时间相应增长，但掺量过大会降低早期强度，通常根据施工季节调整掺量。

高效缓凝减水剂宜在夏季或结构复杂、配筋密集的构件中使用，这样可避免形成冷缝，方便施工的安排。

   高效早强减水剂一般在冬季使用，能提高混凝土的早期强度，使用时要慎重，因为高效早强减水剂能加快早期强度的发展，但混凝土的后期强度一般会降低。

试配时要认真做好验证工作。

2粉煤灰混凝土的配合比设计

   粉煤灰混凝土的配合比设计，以基准混凝土配合比为基础，按等稠度、等强度的原则，用超量取代法进行调整。

粉煤灰混凝土配合比设计的主要目的是确定一个经济的混合材料最佳组合，主要设计手段是通过试验、试配来完成。

设计方法如下：

根据混凝土设计强度，计算试配强度如式

（1）：

   式中：

一混凝土的施工配制强度，MPa；

一混凝土的设计强度，MPa；

一施工单位的混凝土强度标准差。

   无近期同一品种混凝土强度资料时，混凝土强度等级分别为低于20、20~35和大于35时，其强度标准差

分别可取4．0、5．0和6．0。

   确定基准配合比。

其方法与普通混凝土配比设计方法相同，即确定水灰比，用水量及水泥用量，砂率；用绝对体积法计算出砂、石用量。

   选择粉煤灰取代水泥百分率

值如表3所示。

   通常C30以下混凝土，取代率选择10%一15%（水泥为普通硅酸盐水泥）；C40以上混凝土，特别是有早期强度要求时，取代率不超过10%。

   计算每立方粉煤灰普通混凝土的水泥用量（C）见式

（2）。

   式中：

Co—基准混凝土的水泥用量，kg；

一粉煤灰取代水泥百分率。

   确定粉煤灰超量系数，如表4所示。

   通常：

C30以下混凝土用Ⅱ级灰时，超量系数取1．5或1．6。

C40以上混凝土用I级灰时，超量系数取1.3或1．4。

每立方混凝土中粉煤灰的用量（F）按式（3）计算：

   式中：

—粉煤灰超量系数。

    用绝对体积法求出粉煤灰超出水泥的体积，按粉煤灰超出的体积，扣除同体积的细料用量，碎石用量不变。

混凝土中砂用量S按式（4）计算。

   式中：

So一基准配合比的砂用量；

            Ps一砂相对密度；

           Co一基准混凝土的水泥用量；

           C一粉煤灰混凝土中水泥用量；

           Pc一水泥相对密度；

           F一粉煤灰混凝土中粉煤灰用量；

           PF一为粉煤灰相对密度（一般取2．2g／cm3）。

   粉煤灰混凝土的用水量，按基准配合比的用水量选取。

   根据计算得到粉煤灰混凝土配合比，在试配确保和易性、水灰比不变的基础上，进行配合比的试拌调整。

根据调整后的配合比，确定为粉煤灰混凝土的理论配合比。

3粉煤灰混凝土施工注意事项

（1）对每批进入施工现场的粉煤灰均需认真检验，测定粉煤灰的细度、烧失量、需水量比等。

（2）掺粉煤灰的混凝土，施工中拌和时间要比基混凝土延长30S，以便混凝土拌和均匀。

   （3）正确振捣，避免过振引起混凝土表面形成浮浆层。

同时，须保证振捣密实，确保构件的外观质量与内在质量。

   （4）加强粉煤灰混凝土养护，保持混凝土表面湿润，通常潮湿养护14d，热天或干燥气候潮湿养护不得少于21d。

   （5）对早期强度要求高的构件，冬季施工不宜采用粉煤灰混凝土配合比。

因为冬季气温低，不利于粉煤灰的火山灰反应。

4不同强度等级的混凝土参考配比

   各强度等级的粉煤灰混凝土与普通混凝土参考配合比见表5。

   表5中水泥为金猫水泥厂P．042．5水泥；粉煤灰C25、C30为Ⅱ级灰，C40、C50为I级灰。

减水剂为JC一3型。

黄砂满足Ⅱ类砂要求，C25、C30用砂的细度模数为2．50，C40、C50用砂的细度模数为2．70；碎石满足Ⅱ类碎石要求，粒径为5—25mm连续级配。

C25基一1、C25粉一1为钻孔灌注桩混凝土配合比，其余为泵送混凝土配合比。

用于水泥混凝土的粉煤灰的技术要求

1.4用于水泥混凝土的粉煤灰的技术要求

　　按照国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596－2005），拌制混凝土用的粉煤灰分为F类粉煤灰和C类粉煤灰两类。

F类粉煤灰是由无烟煤或烟煤煅烧收集的，其CaO含量不大于10%或游离CaO含量不大于1%；C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集的，其CaO含量大于10%或游离CaO含量大于1%，又称高钙粉煤灰。

　　F类和C类粉煤灰又根据其技术要求分为I级、II级和III级三个等级。

混凝土用粉煤灰的技术要求可见表2。

表2拌制混凝土用粉煤灰技术要求                                      

技术要求（不大于/%）

I级

II级

III级

       细度（45um方孔筛筛余）

（不大于/%）

F类粉煤灰

12.0

25.0

45.0

C类粉煤灰

需水量比，不大于/%

F类粉煤灰

95.0

105.0

115.0

C类粉煤灰

烧失量，不大于/%

F类粉煤灰

5.0

8.0

15.0

C类粉煤灰

含水量，不大于/%

F类粉煤灰

1.0

C类粉煤灰

三氧化硫，不大于/%

F类粉煤灰

3.0

C类粉煤灰

游离氧化钙，不大于/%

F类粉煤灰

1.0

C类粉煤灰

4.0

 安定性（雷氏夹沸煮后增加距离）

不大于/mm

F类粉煤灰

5.0

C类粉煤灰

与F类粉煤灰相比，C类粉煤灰一般具有需水量比小、活性高和自硬性好等特征。

但由于C类粉煤灰中往往含有游离氧化钙，所以在用作混凝土掺合料时，必须对其体积安定性进行合格检验。

　　混凝土工程选用粉煤灰时，应按《粉煤灰混凝土质量技术规范》（GBJ146－90）。

对于不同的混凝土工程，选用相应等级的粉煤灰：

（1）I级灰适用于钢筋混凝土和跨度小于6m的预应力钢筋混凝土；

（2）II级灰适用于钢筋混凝土和无筋混凝土；

　　（3）III级灰主要用于无筋混凝土；但大于C30的无筋混凝土，宜采用I、II级灰；

　　（4）用于预应力混凝土、钢筋混凝土及设计强度等级C30及以上的无筋混凝土的粉煤灰等级，如试验论证，可采用比上述三条规定低一级的粉煤灰。

粉煤灰在混凝土中的基本效应

1.5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,即形态效应、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，即可利废为宝、改善混凝土的性能。

（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。

　　劣质粉煤灰由于含有较多不规则的多孔颗粒和未燃尽的碳，而导致需水量增加和保水性变差，对混凝土带来负面效应。

（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，它们可以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28d时较弱，特别是在7d以内，而在28d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以后的强度，以后的强度要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60d、90d、180d时的强度。

（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。

　　除上述三个基本效应外，粉煤灰还有许多其它效应，如免疫效应（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。

粉煤灰的物理性质

1.2   粉煤灰的物理性质

　　粉煤灰的比重在1.95～2.36之间，松干密度在450kg/m3～700kg/m3范围内，比表面积在220kg/m3～588kg/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，其渗透系数比粘性土的渗透系数大数百倍。

粉煤灰在外荷载作用下具有一定的压缩性，同比粘性土其压缩变形要小的多。

粉煤灰的毛细现象十分强烈，其毛细水的上升高度与压实度有着密切关系。

　　粉煤灰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，根据颗粒形状可分为球形颗粒与不规则颗粒。

球形颗粒又可分为低铁质玻璃微珠与高铁质玻璃微珠，若据其在水中沉降性能的差异，则可分出飘珠、轻珠和沉珠；不规则颗粒包括多孔状玻璃体、多孔碳粒以及其他碎屑和复合颗粒。

　　通常用扫描电镜来观察粉煤灰的颗粒形貌。

扫描电镜可以观察到粉煤灰的绝大部分粒径范围，可以从1μm到400μm。

通过电镜可以观察到，小颗粒粉煤灰表面为表面光滑的球形颗粒，较大颗粒的粉煤灰（＞250μm）形状则不规则。

图1是一组粉煤灰颗粒形貌的电镜照片，（a）为低钙粉煤灰，（b）为高钙粉煤灰，比较之下，高钙粉煤灰的颗粒表面粘附有很多微粒，而低钙粉煤灰的表面则显得比较光滑。

     　　　　　　（a）低钙粉煤灰                                   　　　　（b）为高钙粉煤灰

图1粉煤灰的颗粒形貌扫描电镜图片

粉煤灰的产生

　　粉煤灰是从煤粉炉排出的烟气中收集到的细颗粒粉末，是工业“三废”之一。

锅炉在操作时，煤粉与高速气流混合在一起，喷入炉膛的燃烧带中，使煤粉颗粒里的有机物质得到充分的燃烧，但燃烧的完全程度取决于锅炉的效率和操作的水平，炉膛温度一般是很难测准的，运行良好的现代化电厂的煤粉炉炉膛最高温度可能达到或超过1600℃，足以使灰分中除了少量石英（细粒的结晶）以外的所有矿物全部熔融。

可是多数旧电厂锅炉的实际燃烧温度要比上述温度低得多，在较低的温度下，只能熔融一小部分的无机物质，而且炉膛温度并不是十分均匀的，因此即使在同一锅炉中，粉煤灰烧成的条件也不相同，更不必说不同的锅炉了。

在燃烧过程中，煤炭中的无机杂质也发生了一系列的反应和变化，包括达到不同的温度时，含水的矿物如粘土、石膏等一一脱水，碳酸盐中二氧化碳与硫化物中三氧化硫的排出，还有碱在高温下也要挥发，其中较细的粒子随气流掠过燃烧区，立即熔融，到了炉膛外面，受到骤冷，就将熔融时由于表面张力作用形成的圆珠形态保持下来，成为玻璃微珠，煤粉粒子越细，越容易成球。

其中有些熔融的微珠内部，截留了炉内气体，形成了空心微珠。

另有一些微珠，团聚在一起或粘连在一起，就形成鱼卵状的复珠（即子母珠）和粘连体，也有一些来不及完全变成液态的粗灰，结果变成了渣状的多孔玻璃体（海绵状玻璃）。

在冷却过程中也有一些冷却比较缓慢而再结晶的矿物以及在颗粒表面上生成的结晶矿物、化合物和独自存在的未熔融石英等矿物。

从煤块磨成煤粉，把原来团聚的矿物磨粹，因此每一颗煤粉粒子的矿物成分也是不同的，燃烧以后，每一粒粉煤灰的成分当然也不可能相同，所以粉煤灰化学成分分析也只能是表示粉煤灰中各种颗粒混合物的化学成分平均值。

粉煤灰的化学成分与矿物组成

1.3粉煤灰的化学成分与矿物组成

　　粉煤灰是一种火山灰质材料，来源于煤中无机组分，而煤中无机组分以粘土矿物为主，另外有少量黄铁矿、方解石、石英等矿物。

因此粉煤灰化学成份以二氧化硅和三氧化二铝为主（氧化硅含量在48%左右，氧化铝含量在27%左右），其它成分为三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠、三氧化硫及未燃尽有机质（烧失量）。

不同来源的煤和不同燃烧条件下产生的粉煤灰，其化学成分差别很大。

表1我国31个有代表性的火力发电厂粉煤灰的化学成分

成分

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

SO3

I.L

变化范围

33.9～59.7

16.5～35.4

1.5～19.7

0.8～10.4

0.7～1.9

0.6～2.9

0.2～1.1

0～1.1

1.2～23.6

平均值

50.6

27.1

7.1

2.8

1.2

1.3

0.5

0.3

8.2

　　粉煤灰以玻璃质微珠为主，其次为结晶相，主要结晶相为莫来石、磁铁矿、赤铁矿、石英、方解石等。

玻璃相是粉煤灰的主要结晶相，粉煤灰玻璃质微珠及多孔体均以玻璃体为主，玻璃体含量为50%～80%，玻璃体在高温缎烧中储存了较高的化学内能，是粉煤灰活性的来源。

莫来石是粉煤灰中存在的二氧化硅和三氧化二铝在电厂锅炉燃烧过程中形成的。

SEM下偶尔可以见到莫来石的针状形集合晶体，莫来石含量在1.3%～3.6%之间，其变化与煤粉中三氧化二铝含量及煤粉燃烧时的炉膛温度等诸多因素有关。

磁铁矿和赤铁矿是粉煤灰中铁的主要赋存状态，一般磁铁矿含量较高。

石英为粉煤灰中的原生矿物，常呈棱角状，不规则粒径，含量不高。