粉煤灰及其在大坝混凝土中的应用

                                 水电部经济管理学院   刘福声
  
    本文阐述了粉煤灰的组分、结构及物理性质，因为它们会对粉煤灰的“火山灰反应”产生有益的作用。
为了应用，在试验室中，对掺粉煤灰大坝混凝土进行了试验及研究。
粉煤灰是由烧煤粉的火电厂炉烟中煤粉燃烧时，其灰分成为熔融状态，大多数为近于球形的颗粒被废气所带走，国家标准(GBl596—79)《用于水泥和混疑土中的粉煤灰》中，对粉煤灰所下的定义为：“煤灰炉烟道气体中收集的粉末”，即由收尘器收集的粉末，而不包括出炉烟排出的炉底灰渣，但是，常称为灰渣，则是炉底灰与粉煤灰的总称。
    粉煤灰做为水泥和混凝土的混合材料，是综合利用火电厂大量排出的，造成严重公害的粉煤灰(一般估算，火电厂每发电1千瓦，则其年排灰量约1吨)的重要途 一。
    早在本世纪二十年代，国外便开始了以粉煤灰做为一种火山灰质混合材料(水硕性混合材料)进行研究应用。则五十年代才逐步推广，七十年代以后有了较大的发展。在水工混凝土中外掺粉煤灰的建筑物是很多的，在美国，自1950年到1977年已有50座大坝和水闸的混凝土中掺用粉煤灰，在国内，三门峡水利枢纽是最早掺用粉煤灰的工程之一，据不完全统计，自1959年3月开始，在以后近17个月中，三门峡大坝烧注混凝土120万立方米，平均每立方米混凝土中掺粉媒灰25公斤，节约水泥近25万吨，六十年代以后，国内的大型水电工程，如刘来峡、青铜峡、陈村、七里堡、大黑汀、潘家口和大化等，都渗用了粉煤灰，我国正在修建的混凝土坝中无不掺用粉煤灰，而且在掺入方法及每立方米混凝土中的掺量等方面，正在有所探索，以达到既保证质量又能获得良好的技术经济效果。
    一、粉煤灰的组分、结构及物理性能
    粉煤灰是火山灰质混合材料，它在混凝土中所起的作用，目前，虽有些研究者曾应用一些新的概念，如微集料效应，粉末效应及粉煤灰效应，但是，大都仍沿袭在1987年戴维斯(Davis、R,E)及其同事提出的“粉煤灰具有火山灰质混合材料的性质”中的“火山灰效应”加以解释。
   “火山灰反应”就是火山灰质材料的活性，国际标准化组织(1SO)对火山灰材料及其活性定义如下：火山灰材料就是在常温下与石灰一起水化后能够生成具有硬性的化合物的材料。对粉煤灰而言，就是在常温下与石灰反应的 力。
    概括言之，影响粉煤灰活性的因素，主要是其组分，结构及物理性质，这些都涉及原煤的品种，锅炉构造，燃烧条件以及收尘方式等。
    (一)粉煤灰的化学组成
    化学成分是粉煤灰重要性质之一，它对粉煤灰有重要影响。主要的化学成分有SiO₂、A1₂O₃、Fe₂O₃和FeO，约占总量的80%以上。次要的化学成分为CaO、MgO、SO₃、Na₂0及K₂0等。很显然，上述成分中，SiO₂及A1₂O₃为酸性氧化物，而CaO及Mg0则为碱性氧化物，所以，做为活性混合物材料的粉煤灰，依其化学成分，可计算其碱性率(Mo)，以初步评定其活性、即， 
                    MO=（CaO%+MgO%)/(SiO₂%+AL₂O₃%)< 1
    若Mo小于1，则属酸性，利于进行“火山灰反应”。
    众所周知，SiO₂和A1₂O₃是粉煤灰具有活性的主要来源之一，因此，常称为活性SiO₂及A1₂O₃。在常温下，掺加粉煤灰的硅酸盐水泥水化后，产生如下的水化反应：
    1．硅酸盐水泥熟料中的CaS及O2S先进行水化反应：
    2C₂S+6H=CaS₂H₃十3Ca(OH)₂
    2C₂S+4H=CaSH₃+Ca(OH)2
    2．上列反应式中，从C₂S及C₂S经水化反应所生成的Ca(OH)₂，与粉煤灰中的酸性氧化物，即SiO₂及A1₂O₃，再次进行中和反应(称为二次水化反应)，随即生成新的水化物。
    对上述的火山反应的水化作用，川田尚哉等用扫描电镜进行了研究，做了下面的描述，即当粉煤灰颗粒表面蒙上—层水泥水化所生成的氢氧化钙薄膜时就开始了二次水化反应，但在氢氧化钙和粉煤灰颗粒表面之间存在着0.5-1μM厚的水膜层，钙离子通过扩散作用透过水膜层逐渐侵蚀颗粒表面，并在表面沉析出火山灰反应物；随后，水膜层继续填充密实，粉煤灰颗粒与水泥水化产物之间的联系不断加强，由R、F、Feldman的研究中可推知粉煤灰颗粒表面的水化物是I型或Ⅱ型的C--S--Ⅱ混胶，另外，当活性氧化铝含量较高(存在于液态排渣炉的粉煤灰玻璃相中)，在石灰和石膏共同激发下，生成钙矾石晶体，从而增加了水泥浆体的微中心质，利于早期强度的产生。再者，根据电子显微镜研究，在长期水化的粉煤灰水泥石中，除未水化熟料颗粒外，还有未被侵蚀的粉煤灰粒核，也同熟料一样在水泥石中起着微型骨料作用(微集料效应)，对改善水泥石结 构也是有利的。
    由于我国是—个幅员辽阔的国家，煤炭资源分布面广及电厂生产上的种种原因，使全国各地众多电厂粉煤灰样品的化学成分各异，从表1可见，此外，表2又列出—些国家粉煤灰化学成分平均参考值，为此，国内外对粉煤灰的化学成分做为评定其品质而制订了相应的标准、见表3。
表1  我国35种粉煤样品的化学成分平均值及范围

　(陕西省建筑科学研究所试验研究资料)

表2    一些国家粉煤灰化学成分平均参考值（%）

（北京建材研究所、水电部电力建设研究所资料）
表3    国内外粉煤灰品质标准中化学成分的要求

    对粉煤灰的化学成分，还要说明两点：
    1．粉煤灰中的Mg0及SO₃是有害物质，在粉煤灰中硫可能有不同的形态存在，当以硫酸盐形态存在时，—般对水泥及混凝土没有害处，当以硫化物(SO₃)形态存在，且含量过多时，有可能产生膨胀和对钢筋有锈蚀作用。至于MgO的存在，将使掺入粉煤灰的水泥发生不安定现象，从而影响混疑土的性能。
    2．由于粉煤灰中的含炭量与烧失量有比较好的关系，因此，以烧失量表示粉煤灰中含碳的程度，含炭量系指其中未燃烧的炭粒，也是粉煤灰中的有害物质。未燃烧的炭粒质多孔，吸水大，为非活性物质，当含炭量过多时，将增加掺粉煤灰水泥的需水量，从而增加混凝土的需水量使其强度降低。以烧失量表示粉煤灰中含炭量的另一个原因是烧失量容易求得。烧失量略大于含炭量，—般相差0.5%，若粉煤灰中有Ca(OH)₂或碳酸盐存在时，由于它们在600⁰C时会分解，因此，差别更大，可能达到2-5%。
    (二)粉煤灰的颗粒组成与结构
    由于采用了先进的测试手段——扫描电镜，对粉煤灰的颗粒组成及结构有了进—步的了解，在许多工业发达的国家里，因为煤种和火电厂燃烧条件单一，所以粉煤灰中的颗粒组成变化不大，如上节所述，我国国土广阔，且各地资源分布、工业发展水平不同，从而颗粒组成变化较大，明显地影响粉煤灰的使用性能，因此，应对其颗粒组成给予重视。
    应当认为，做为墙体材料的粉煤灰是不同颗粒的集合体，这些微粒具有不同的组成、结构和形态，以扫描电镜分析为主，结合组成和结构分析，可以将微粒分为三类六种：
   
    富钙玻璃球中CaO含量较高，活性较铁大，富铁玻璃球中氧化铁较高，活性次之。这些玻璃球体（或称球形颗粒）较为致密且吸水性较小，当粉煤灰中球形颗粒较多时，将其掺于混凝土中起着一定的滚动滑润作用，改善混凝土和易性，干缩性较小，抗裂性较好。所以，将此类粉煤灰掺于混凝土中特别适用于水工大体积建筑物中。
    至于，多孔玻璃体中虽然氧化硅和氧化铝含量较高，但因体积较大切疏松，又有大量空隙，故比重，容量皆很小，比表面积很大，因此，多孔颗粒的增加会使粉煤灰的物理性能变坏。原因在于内部孔隙、多表面粗糙、疏松，增加混凝土浆体的需水量，降低强度。多孔炭粒是惰性组分，因为多孔，使混凝土需水量增加，硬化后混凝土体积中孔隙增加，强度降低。为此，在国内外“粉煤灰品质标准”中都对含炭量（以烧量表示）加以控制。
    (三）粉煤灰的物理性质
    粉煤灰的主要物理性质是：细度、需水量及比重。
    细度是控制粉煤灰质量的一个主要指标，我国GB1596-79《用于泥和混凝土中的粉煤灰》标准中规定：80μ筛的筛余量（%）要小于8%。
    粉煤灰的细度主要由燃烧的粉煤灰的磨细度、燃烧程度及收集方法而确定。目前，我国电厂多采用机械收尘，致使收集的颗粒较粗，根据国内外资料表明，细度波动很大，以80μM筛余量计，在3-30%之间.
    影响混凝土拌合物的和易性和需水量，从而对硬化后混凝土性能由密切关系的是粉煤灰的细度。从表4实验结果表明：颗粒愈粗，比重愈轻，需水量愈大，这是因为颗粒粗，比重轻的粉煤灰的颗粒表面多粗糙且多棱角，多孔，同时球形颗粒少，所以，带来了需水量较大的弊端。