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浅析粉煤灰的变化对混凝土质量的影响

发布时间:2020/8/10 10:00:28       发布人:王老师

1粉煤灰在混凝土中的作用

粉煤灰是目前混凝土生产过程中常用的材料组分之一,它在混凝土中的四大功效:

(1)火山灰效应:掺合料中潜在活性物质与碱性物质或石膏反应生成水硬性物质。

(2)形态效应:由外观形貌、表面性质、颗粒级配等产生的效应。

(3)微集料反应:粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆中,填充孔隙和毛细孔,改善混凝土孔结构和增大密实度的效应。

(4)界面效应:粉煤灰与水泥水化产生的Ca(OH)2发生反应,减少了Ca(OH)2的含量,改善界面过渡区结构,使浆体界面的粘结力增加。对改善混凝土的和易性、保水性、流动性,提高强度及长期耐久性都有极为重要的作用。

2粉煤灰应用在国家标准中的变化

基于粉煤灰在混凝土中的突出作用和特点,在新的国家标准中更改了粉煤灰掺加这个观点,强调其并非取代水泥,它与水泥的作用存在差别。

在以往的标准和认识中仅突出它的某些特性而采用超量取代系数来确定粉煤灰的用量,带来了很多问题(按等稠度、等强度、等级原则),如较大的粉煤灰掺量虽然改善了新拌混凝土的和易性,但混凝土的收缩增大,出现裂纹的几率增大,耐久性降低。目前的标准中在确定粉煤灰的最大掺量时,全面考虑粉煤灰的质量,如细度,发挥粉煤灰的有益效应,改善混凝土性能。但粉煤灰细度过大,则掺量受到限制。需水量:该指标影响混凝土的用水量、外加剂的掺量和混凝土的强度等。

目前粉煤灰的使用也充分体现对混凝土耐久性的重视,在按照水泥种类和混凝土种类规定粉煤灰最大掺量的基础上,增加了水胶比的限制条件,更为科学的利用粉煤灰,对粉煤灰应用效果的影响因素有了更全面的考虑。也在确定粉煤灰的最大掺量时,全面考虑粉煤灰的质量。

3粉煤灰的质量及应用现状

近些年随着混凝土中粉煤灰掺量的提高、应用面的扩大,其整体使用量也逐年递增,甚至在某些地区出现了供不应求的局面,粉煤灰价格也随之水涨船高。在此种现状下为了满足市场需求和追逐利益,一些不法之徒将一些劣质及不能用于混凝土生产、品质低下的劣质粉煤灰改头换面打入市场,也出现了一些鱼目混珠的假粉煤灰,加之有些混凝土公司进场把关不严,导致了这些劣质粉煤灰流入工程中,给工程质量带来较大隐患。另一方面由于国家环保要求的日益提高,对于电厂的废气排放标准有了更严格的要求。为了达到废气排放的环保指标,电厂对排放的废气进行脱硝或脱硫处理,这样的变化引起了粉煤灰成分的较大变化,而且由于不同的电厂处理工艺和处理程度不同,其成分更是千差万别。

目前几种特殊粉煤灰:

(1)脱硝灰:NOx的排放会造成严重的大气污染,形成酸雨或化学烟雾。电厂排放的NOx占全部排放量的60%,引起环保部门的高度重视。火电厂大气污物配方标准GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》中的规定比以往的标准更为严格。为了达到排放标准,减少NOx排放量,必须进行烟气脱硝,产生了由于脱硝措施生产的脱硝粉煤灰。其原理是使用氨作为还原剂将NOx转化为无污染的N2:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

6NO+8NH3→5N2+6H2O

选择性非催化还原法投资小、布置简易、占地面积小,得到了广泛的应用。

(2)脱硫灰:为了减少SO2排放量,采用脱硫措施生产的粉煤灰。燃煤产生的SO2的排放量占排放总量的90%以上。

把石灰石粉喷到炉膛燃烧室上部,石灰石瞬间分解生成的CaO和SO2,反应生成CaSO4:

CaCO3→CaO+CO2

2CaO+2SO2+O2→2CaSO4

生成的CaSO4等随飞灰在除尘器中收回,成为脱硫粉煤灰。

(3)煅烧灰:煅烧煤矸石得到的粉煤灰。煤矸石是采煤过程和洗煤的过程中排放的固体废物,是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含C量较低,比煤坚硬的黑色岩石。

(4)磨细粉煤灰:由颗粒较大、筛余量较大的粉煤灰经球磨得到的粉煤灰。

(5)浮油灰:为了提高燃煤效率,添加油性物质作为助燃剂,助燃剂不完全燃烧,在粉煤灰中存留油分,颜色黑、有异味,对混凝土的性能产生不良影响,须慎重识别、使用,它影响混凝土的表观质量,造成泌水、缓凝、强度低。

4粉煤灰对混凝土质量的影响

4.1粉煤灰掺量对混凝土不同龄期抗压强度的影响

当原材料和环境条件一致时,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氢氧化钙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,当氢氧化钙薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时,就开始发生火山灰效应。但由于在氢氧化钙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,从这点来看粉煤灰的水化反应速度随着水泥的逐渐水化,氢氧化钙数量的增多其潜在活性才会被逐渐激发。这就是掺粉煤灰混凝土早期强度较低、后期强度增长较高、初凝时间延迟等的主要原因。因此也使得掺粉煤灰混凝土的各种性能有了较大变化。

笔者在对粉煤灰的使用过程中总结了一些其对混凝土性能影响的规律:

(1)对强度的影响

早期强度低于基准混凝土粉煤灰;掺量合适,28d强度率高于基准混凝土;粉煤灰掺量过大,各龄期强度均低于基准混凝土。

(2)粉煤灰对凝结时间的影响

粉煤灰掺量越大,浆体凝结时间越长。粉煤灰掺量超过30%,浆体凝结时间涨幅增大。

(3)粉煤灰对混凝土塑性收缩的影响

粉煤灰混凝土的塑性收缩低于不掺粉煤灰的混凝土,高钙灰更有利于降低混凝土的塑性收缩。

(4)粉煤灰对混凝土抗碳化性能的影响

加入粉煤灰消耗掉混凝土中的部分Ca(OH)2使混凝土的总体碱度降低,继而加速碳化进程,对钢筋混凝土结构耐久性不利。粉煤灰掺量30%之内对混凝土的碳化性能影响程度较小。

(5)粉煤灰对混凝土抗冻融性能的作用

在经历相同的冻融循环次数后,粉煤灰混凝土的相对动弹性模量低于基准混凝土,说明掺加粉煤灰后不利于混凝土的抗冻融性能。

4.2几种特殊的粉煤灰对混凝土质量的影响

4.2.1脱硝灰对混凝土质量的影响

随着脱硝工艺的普及,脱硝粉煤灰的比例增大,脱硝粉煤灰对混凝土性能的危害增强:生产混凝土时常出现一股强烈的氨气味;新拌混凝土中产生过多的气泡,并上浮于混凝土表面;混凝土表面留有黄色斑迹或泡眼痕迹,严重影响表观质量。多个地方的混凝土搅拌站均发现类似问题。脱硝粉煤灰对空气质量的危害:释放出氨气影响混凝土生产和施工现场的空气质量;脱硝粉煤灰中的氨完全释放需要很长时间,严重影响建筑物的空气质量;室内氨气污染导致开发商与业主之间的纠纷。

脱硝粉煤灰在混凝土中产生氨气的原因是由于脱硝反应的影响因素多,为了提高氧化氮的去除率,加入过量的氨进行脱硝。过量的氨被粉煤灰吸附或与粉煤灰反应,导致粉煤灰中的氨含量增加。当氨含量较高的粉煤灰与水相遇后便会离解出NH4+,水泥与水反应生成OH-,在搅拌过程中会发生如下反应:

NH4++OH-→NH3↑+H2O

脱硝粉煤灰的危害防范对策:

(1)脱硝粉煤灰的识别与检测

根据上述反应,可以利用氨气的此项特性对粉煤灰进行检测:取适量粉煤灰和水泥至于锥形瓶中,加适量水搅拌,并在锥形瓶口上方盖上湿润的酚酞试纸。若酚酞试纸变红,且有刺鼻的氨气味道,可判定为脱硝粉煤灰。

(2)预防脱硝粉煤灰危害的措施

签订合同:在粉煤灰进场前对所选粉煤灰厂家进行认真考察,如了解到燃煤电厂采用脱硝技术时,应提醒厂家减少粉煤灰中的氨含量,加强粉煤灰的出厂质量检测,禁止氨释放量超标的粉煤灰流入搅拌站。并在相关条款中注明氨释放量的限定数值并对造成的后续损失界定责任方。

进厂检测:当确认氨释放量超出标准时做退货处理避免脱硝粉煤灰造成更进一步的质量问题。

留样备检:对封存的样品做好详细的标识,当对粉煤灰的氨释放量存在疑虑时,应将封存样品送有资质的第三方检测机构进行检测,避免脱硝粉煤灰对水泥基材料的性能和空气质量造成危害,避免混凝土企业承受不必要的损失。

4.2.2脱硫灰对混凝土质量的影响

严重的会引起混凝土开裂和崩解。

(1)粉煤灰游离CaO含量高,产生体积膨胀,使水泥石开裂。

(2)SO3含量高,生成高硫型水化硫铝酸钙,体积约增大1.5倍。

(3)严重的混凝土缓凝:脱硫灰中含有CaSO3、CaSO4、Ca(OH)2、CaO物质,CaSO3、CaSO4对水泥具有明显的缓凝剂作用,CaSO3的缓凝作用比二水石膏还强,造成混凝土凝结时间大幅延长。

脱硫粉煤灰的鉴别方法:脱硫灰色浅,手感比普通粉煤灰细腻;脱硫灰中含有CaO,将其放入器皿中,稍加搅拌,滴入几滴酚酞试剂后,溶液呈红色,用pH试纸检测为碱性;生石灰与水反应是一个放热过程,会导致水温上升;脱硫灰中含有大量石膏,这种灰放在空气中若干天会发硬。

预防脱硫粉煤灰危害的措施:应在相关条款中明确脱硫粉煤灰给混凝土质量带来的巨大危害,如供应脱硫粉煤灰,后果及损失应由供应商承担。当确认是脱硫粉煤灰时应做退货处理,避免造成更进一步的质量问题。对封存的赝品做好详细的标识,当对粉煤灰的质量存在疑虑时,应将封存的样品送有资质的第三方检测机构进行检测。

4.2.3煅烧灰的性能指标和对粉煤灰混凝土产生的危害防范对策

某地煅烧煤矸石粉按照现行粉煤灰标准的指标测试结果见表1。


煅烧灰对混凝土的颜色、流动性、坍落度损失速度、强度影响很大,在试验室的常规检测结果不能说明所有问题,应通过混凝土配比进行全面实验。

4.2.4磨细粉煤灰的危害及防范对策

磨细后表面玻璃体被破坏,使用效果差,粉煤灰的形态效应降低,失去“滚珠效应”。

磨细粉煤灰与普通粉煤灰需水量接近,但两者拌制的混凝土的工作性能相差很多。不能只看混凝土的细度、烧失量、含水率等检测指标,需要通过试配来确认是否是磨细粉煤灰。如是则尽量不用于高层泵送、自流平等对混凝土和易性要求较高的混凝土。

4.2.5浮油灰的危害及防范对策

为了提高燃煤效率,添加油性物质作为助燃剂,助燃剂不完全燃烧,在粉煤灰中存留油分,其类粉煤灰颜色黑、有异味,对混凝土的性能产生不良影响。它会严重影响混凝土的表观质量,也会使混凝土产生泌水、缓凝等问题,用这种类型的粉煤灰生产的混凝土也会有强度降低的风险。所以在进场检验的过程中要严格把关,如发现此类粉煤灰应第一时间做退货处理。

5注意事项

总体来讲合理科学的粉煤灰利用将对混凝土生产质量和经济效益产生积极影响,反之亦然。在粉煤灰的使用中应特别注意以下事项:避免粉煤灰掺加量过大对强度、凝结时间、表观质量、抗冻融性能、抗碳化性能产生的影响;注意粉煤灰的品种和质量稳定性、细度、含碳量、需水量和外观(有时从水泥颜色也可初步判断出粉煤灰的品质。粉煤灰外观类似水泥颜色在乳白到灰黑色质检变化,颜色是粉煤灰的一项重要指标,可以反映含C量的多少。粉煤灰有低钙灰和高钙灰之分,通常高钙粉煤灰的颜色偏黄,低钙灰的偏灰),在对其质量有怀疑的情况下也可借助微谱技术或显微镜等方法观察判断;注意环境温度和施工养护对粉煤灰最高掺量的影响。还有一些特别注意的是在粉煤灰运输进场过程中的常见问题:

(1)同一车粉煤灰上下分层,黑灰放于底部,严重影响混凝土的性能,对此应加大抽检力度。使用管状取样器对同一车粉煤灰分2次以上检验,或在打料过程中从料管中接料。

(2)掺加:将原灰、石灰石粉、炉渣粉、钢渣粉直接进行混凝土配合比试验,查看粉煤灰对用水量、工作性能、凝结时间和强度的影响。慎重使用特殊粉煤灰。

为确保混凝土产品质量,也要建立严格的制度保证粉煤灰质量的可追溯性:

(1)建立进场台账,详细记录日期、厂家、型号、重量、车号等信息作为检验批次划分的依据。

(2)保存好相关质量证明文件,每车一份合格证,每批一份检测报告,每半年一份型式检验报告。做好取样、留样工作、备份样品,做好复检工作(委托书、复检原始记录和复检报告)。

(3)同一批次原材料的质量证明文件和复检资料汇总整理保持对应关系。

通过以上各个环节方可把控好粉煤灰质量,将不同品种的粉煤灰物尽其用,力求做到科学、经济、高效。
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