粉煤灰在工程实际中的应用

粉煤灰在工程中的应用概述粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是火力发电厂锅炉排出的主要固体废物。随着社会经济的发展，社会上各个行业对粉煤灰进行开发和利用，加上近几年来我国国家建设中市政道路迅猛发展，对粉煤灰的利用率越来越高，不仅仅将粉煤灰这一工业废料成功解决掉，而且将它转变成各种有利用价值的工业原料。粉煤灰的合理化应用，不但使工程造价大大降低，而且可以节约土地资源，保护环境。然而在粉煤灰的应用中，土木工程领域占据了很大一部分。目前我国粉煤灰形势虽然依然严峻，治理粉煤灰费耗巨大，但是土木工程领域粉煤灰的合理化应用很大程度上解决了这方面的问题。粉煤灰在土木工程领域的应用不仅仅解决粉煤灰的处理难题，而且促进了土木工程长远的发展。我国热电厂粉煤灰年排放量接近一亿吨，而利用率只有25％，大量粉煤灰贮入灰场，部分甚至流入江河。不仅占用土地，耗费资金，而且严重污染环境。鼓励粉煤灰的综合利用是国家的一项长期技术经济政策。国外对粉煤灰在工程中的应用研究一直很重视。许多发达国家70年代粉煤灰的利用率已经超过50％，80年代以来在土建工程中大量利用粉煤灰作填料。90年代初，日本开始进行粉煤灰作铁路路基填料的研究。在使用石膏添加剂的粉煤灰填筑路基方面有很大进展[1，2]。国内对粉煤灰用于工程的研究起步较晚，80年代初，水电部门开始研究粉煤灰贮灰坝和粉煤灰混凝土[3|，而公路部门进行了粉煤灰筑路的研究[4|，并进行了若干路段的原位试验。而后在上海、天津、西安等地大量使用粉煤灰修筑公路路堤。然而，粉煤灰在铁路正线建设中的应用至今还是空白。铁路工程中的土石方调配数量大，占用耕地多，能够为粉煤灰的大规模利用（而非作为建筑材料掺加剂的小数额利用）开辟广阔前景。当粉煤灰运价低时，可以考虑用其代替土方填筑路堤。这样，一方面变废为宝，保护了环境，另一方面，减少了耕地的占用量，降低了铁路造价。为此，结合工程进行了粉煤灰工程性质的室内试验、粉煤灰填筑铁路路堤的现场压实试验和载荷试验、粉煤灰中加筋条的室内拉拔试验和加筋粉煤灰铁路挡墙现场试验。本文在总结这些成果的基础上探讨粉煤灰用于铁路正线路基建设的可行性和开发研究设想。一、粉煤灰产生的效应（一）和易性效应。混凝土和易性主要受浆体的体积、水灰比、配合比设计、骨料的级配、形状、孔隙率等因素影响，其中粉煤灰是影响混凝土和易性的重要因素。由于粉煤灰在混凝土中特性之一是增大浆体的体积（相同质量粉煤灰的体积要比水泥约大30%）。如果我们在混凝土中较好的利用粉煤灰特性，用粉煤灰取代等重量的水泥（根据强度要求按重量比大于1：1用粉煤灰取代水泥时，又称超量取代），多加的粉煤灰增大了细屑含量，因此增大了浆体－-骨料比。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－-骨料间的界面磨擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善了混凝土的和易性。（二）泌水效应。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，掺用粉煤灰对防止混凝土的泌水是有利的。（三）拌和物引气作用效应。混凝土的空气含量一般在３％以内，与水泥的细度、骨料形状、级配以及震捣密实的程度等有关。当混凝土中掺入粉煤灰时，由于细屑组分的影响会使混凝土的空气含量减少１％左右。对烧失量超过６％的粉煤灰，由于碳颗粒在冷却过程中变成了封闭的玻璃态，因而防止了对引气剂的吸附，保持了混凝土拌和物的原有含气量。（四）凝结时间效应。掺粉煤灰的混凝土虽然初凝、终凝一般都能满足规范要求，但由于受其掺量、细度、化学成分等因素影响，混凝土会出现凝结时间延长，导致出现缓凝现象。然而，与水泥性能、用水量、环境温度、湿度等因素相比，粉煤灰对混凝土凝结时间的影响是极小的。（五）抗压强度效应。混凝土的抗压强度主要取决于水灰比，对掺与不掺粉煤灰的混凝土，如果二者的早期强度相同，则粉煤灰混凝土的后期强度将高于不掺的，粉煤灰对混凝土有三重影响：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决定于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与混凝土的水泥浆体中的Ca(OH)2作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙。一些研究认为：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薄膜与粉煤灰颗粒之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性成分反应，反应产物在层内逐渐聚集，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，这就是掺粉煤灰的混凝土早龄期强度较低，后龄期强度增长较多的主要原因。（六）水化热效应。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可以降低水化热，原因是减少了水泥的用量。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。由于近年来大型、超大型混凝土结构的建造，构件断面尺寸相应增大；混凝土设计强度等级提高，使所用水泥等级提高，单位用量增大；又由于实行水泥新标准后，使早强矿物硅酸三钙含量提高，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。在达到温峰后的降温期间，混凝土产生温度收缩（也称热收缩）引起弹性拉应力；另一方面混凝土的水灰比（水胶比）降低，早期水化加快，混凝土的弹性模量随强度提高而增大，进一步加剧弹性拉应力增长。这是导致近些年来许多结构物在施工期间，模板刚拆除时就发现大量裂缝的原因。这种硬化混凝土早期出现的裂缝往往深而长，为了防止可见裂缝的出现，通常采取外包保温的方法，以减少内外温差，因而被认为是有效措施得到迅速推广。但却忽略了，由于外保温阻碍了混凝土水化热的散发，进一步加剧体内的温升，使混凝土体内温度继续升高，水泥水化加速，早期强度发展更加迅速，因此也更容易出现裂缝，只是由于钢筋的约束和对应力的分散作用，使少量宽而长的可见裂缝转化为大量分散的不可见裂缝，它们将为侵蚀性介质提供通道，影响结构的使用功能。与纯水泥混凝土一样，掺粉煤灰的混凝土由于水泥的水化随本体温度升高而加快，强度发展也因此加快。这使得粉煤灰混凝土，包括大掺量粉煤灰混凝土的强度发展在低水胶比的条件下，很快通过最初的缓慢凝结与硬化期，强度的发展迅速加快。有研究资料表明掺适当比例的粉煤灰后，不仅温升可以降低，使混凝土因温度收缩和开裂的危险减少，同时由于温升相同，其抗压强度在3d之前就超过了不掺粉煤灰类混凝土。（七）冻融耐久性效应。当粉煤灰质量较差、粗颗粒多、含碳量高时，都会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，其抗冻融耐久性剧烈降低。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融耐久性的效果。试验资料表明，掺粉煤灰的混凝土水灰比在0.50以下，粉煤灰掺量在30%以内，混凝土抗冻融耐久性降低较少。此外，掺粉煤灰的混凝土只要抗压强度与含气量与不掺粉煤灰的混凝土相同，即在等强度、等含气量条件下，掺粉煤灰混凝土与不掺粉煤灰混凝土具有相等的抗冻融耐久性。关键在于混凝土引气后硬化混凝土中存在均匀分布的微气孔，这些微气孔在混凝土受冻时可容纳水结冰时所增大的部分体积。使混凝土免于因冰胀作用而破坏。（八）炭化和钢筋阻锈效应。通过长期研究和工程实践，尤其是近年来的工程调研资料表明，防止掺粉煤灰混凝土炭化，首要因素是确保粉煤灰混凝土的密实度。密实度差的不掺粉煤灰的混凝土同样有碳化问题。研究和调查结果表明，当用矿渣水泥掺15%粉煤灰，普通水泥掺20%粉煤灰，硅酸盐水泥掺25%粉煤灰时，采用超量取代法设计混凝土配合比，满足等稠度和等强度的要求时，掺粉煤灰的混凝土抗碳化性能、钢筋锈蚀性能与不掺粉煤灰混凝土相比均明显增大。二、粉煤灰的化学组成和物理力学性质为探讨粉煤灰组成成分对其工程性质的影响，对青岛四方、淄博南定两个热电厂的粉煤灰取样进行了全面的室内实验。（一）化学组成粉煤灰室内实验成果见表1。粉煤灰的化学成分和颗粒级配随燃煤的品种、燃烧设备、燃烧方式和排灰方式的不同而有所不同。但主要成分是s．0，和A|，03，两项含量超过70％。一定含量的ca0使得粉煤灰有自凝聚作用，即随着龄期的增长，其强度有所增长。此外还有其它含量较少的盐类。其pH值约为14，呈碱性。高，非饱和粉煤灰的φ值一般超过30度，而且具有一定的粘聚力。对比试验发现，饱和后粉煤灰的强度和变形降低很小，不足5％，证明其水稳性很好。（二）粉煤灰的击实特性为了进一步探讨粉煤灰填筑铁路路堤的可行性，确定工程技术措施，1993年在青岛四方电厂专用线修建了一段40m长的试验路堤。进行了压实试验和承载力试验，施工按课题组推荐的设计断面进行，即堤心填筑素粉煤灰，两侧边坡及堤顶包50cm厚的砂粘土，分层填筑，人工摊铺，采用光面碾和轮胎式铲运机碾压。碾压试验结果见图2。试验表明：虚铺40cm，含水量控制在30％左右，碾压5遍，压实系数可达90％以上。试验还发现：一方面粉煤灰的现场可压实性比室内击实试验要好得多，另一方面，轮胎式铲运机和羊足碾优于光面碾。这是粉煤灰的一个重要特征，文献[1]也得出了相似结论。分析其原因，主要是由于粉煤灰类似于粉砂和粉土，在既受剪又受压的应力状态下比只受正压力的应力状态下更容易压实。（三）承载力试验圆形荷载板面积2500cm2，加荷级差50kPa，最大加荷550kPa，总压缩量5．7mm，共进行了两组平行试验。静力触探采用M卜15型静力触探仪，平均贯入阻力为16．1MPa，共进行了3组平行试验。由上述两种试验测得路堤的承载力标准值大于160kPa。可见粉煤灰易于压实，强度高，符合铁路路基设计规范对承载力的要求。由于粉煤灰的强度随龄期增长，因此，上述强度值是最低强度。（四）试验段运营状况试验路堤已运营5年，历经了多次大到暴雨的考验，下沉甚微，也未出现其它病害，状况良好。证明粉煤灰填筑铁路专用线路堤是完全可行的。在四方电厂积累经验以后，1994年又在淄博南定电厂用粉煤灰填筑铁路专用线路基，交付运营三年，线路状态完好，无任何不良现象。三、利用粉煤灰填筑路堤的技术措施粉煤灰填筑铁路专用线路堤不需要专门施工机械，只需采用如下技术措施：（一）室内击实试验及现场碾压试验表明，粉煤灰可以在小于最佳含水量较宽的含水量范围内进行施工，这为粉煤灰路基的施工提供了很大的方便。具体的含水量控制是，运输时，最好接近施工含水量，不宜低于20％，以免飞扬；采用重型碾压机械时，施工含水量宜控制在25％～35％；采用轻型碾压机械时，施工含水量宜控制在30％～40％，含水量不足应洒水，过量应凉晒，无论如何不得超过最佳含水量。（二）应采用羊足碾或轮胎式碾压机械，不宜使用光面碾。（三）在路基两侧及顶部要设置50cm厚的砂粘土包层。包层必须与粉煤灰同步填筑、同步压实，以使灰土形成一个整体。外包层对粉煤灰的稳定至关重要，运营期间如有冲蚀要及时修补。（四）粉煤灰的压实标准为：基床表层95％（木目当于修正普氏标准86％），表层以下90％（木目当于修正普氏标准81％），一般虚铺厚度为30cm，重型机械表层碾压6～7遍，表层以下5～6遍，轻型机械适当增加2～3遍，即可达到上述要求。（五）由于饱和松散粉煤灰有液化现象，因此，路堤底部应高于地下水位或长期滞水0．5m以上，否则应在粉煤灰以下设置隔水垫层。粉煤灰不得填筑浸水路堤。四、粉煤灰在建筑材料方面的应用目前粉煤灰大量的应用于土木工程的建筑材料方面，主要应用于混凝土、烧结砖、墙材制品等。（一）粉煤灰在混凝土上的应用，主要是作为一种添加剂添加在混凝土中。添加粉煤灰的混凝土的各项物理力学性能都有提高或者改善。首先，在力学强度方面，由于粉煤灰的掺入可分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高了水泥浆的密实度，有利于混凝土中的骨料——水泥浆界面强度的提高；而且