粉煤灰在水利工程中的应用

水利与土木建筑工程学院水利工程系2014建筑材料课程读书报告1粉煤灰在水利工程中的应用桂子涵（2014级水利双语专业1班学号120616837）摘要：粉煤灰作为一种优良的混合材料，近年来在水工混凝土中得到广泛的应用，不但能改善水工砼的性能，同时也带来了一定的社会效益。以往在大型水利水电工程混凝土施工中掺用粉煤灰,提高了混凝土质量,降低工程造价。粉煤灰混凝土泛指掺有粉煤灰的混凝土。粉煤灰混凝土技术不仅可实现粉煤灰资源化，解决环境污染问题,还可以改善混凝土质量,增加混凝土品种、降低混凝土水化热及综合成本等，从而取得较好的社会效益、经济效益、环境效益。粉煤灰混凝土技术发展加世纪30年代源于美国,随后在世界各国得到了广泛的应用与发展，其应用领域不断扩展，应用水平不断提高。我国从1958年开始在重大工程中应用粉煤灰混凝土，经过几十年的发展，目前已经在三峡工程、金茂大厦等工程中应用并取得了良好的社会和经济效益。掺入粉煤灰后,使混凝土的早期强度降低,限制了混凝土中粉煤灰的掺入量和进一步的应用。近年来，工程技术人员在提高粉煤灰掺入量方面作了大量的工作,取得了很大的进展。本文介绍了护坡建堤方面的应用，水工地基处理工程的应用，以及总结了国内外大掺量混凝土的研究成果，说明了掺量粉煤灰混凝土可以在水利工程等结构混凝土中使用，具有很好的社会和经济效益。关键字：粉煤灰；混凝土；护坡建堤；地基处理；水利工程1、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，是工业‘三废’，之一。目前，我国排放的粉煤灰主要应用在建材、建工、筑路等方面。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。粉煤灰作为一种人工火山灰质材料，细度接近水泥要求，在混凝土中作为掺和料，可以改善混凝土性能，节约水泥，提高工程质量和降低成本。粉煤灰本身并无胶凝性能，在常温下，当有水存在时，能与石灰起化学反应，生成具有胶凝性能的水化产物，这些水化产物，一般能在空气中立即硬化，而后渐渐具有水硬性。煤粉在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒，绝大多数为玻璃微珠，掺入混凝土中可减小内摩阻力，从而可减少混凝土的用水量，起减水作用。粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善了混凝土的孔结构和增大密实度。经大量的试验资料和实践证明,在水利水电工程浇筑混凝土和浆砌石的施工中,掺用优质粉煤灰有助于改善混凝土和水泥砂浆的物理性能及和易性,有利于增进混凝土和水泥砂浆后期强度和抗渗性,可以减少水化热,减少水泥用量,降低工程造价,尤其是对水泥用量很少的混凝土和低标号的水泥砂浆,要满足混凝土及水泥砂浆对和易性、均匀性、抗渗性的要求,无疑是很困难的,因而在这些低标号的混凝土和水泥砂浆中掺用粉煤灰就显得特别重要。因此,在大体积的水工混凝土和浆砌石的水泥砂浆中,适当地掺用优质粉煤灰,是一项保证工程质量的经济有效措施。2、粉煤灰粉煤灰是在煤粉炉中燃烧煤粉时从烟道气体中收集到的细颗粒粉末。2.1粉煤灰的种类和性质电厂排放的粉煤灰是由大量的球状玻璃珠和少量的莫来石、石英等结晶物质组成的。根据粉煤灰的矿物组成和特性，将其分为高钙粉煤灰的低钙粉煤灰两大类。按《高钙粉煤灰混凝土应用技术规程》(OBJ08一230一98)规定，如果粉煤灰的氧化钙含量大于8%或游离水利与土木建筑工程学院水利工程系2014建筑材料课程读书报告2氧化钙含量大于1%时,视为高钙粉煤灰。我国绝大多数电厂排放的粉煤灰都是低钙的，故低钙粉煤灰又简称粉煤灰。2.2粉煤灰的化学成分和矿物组成粉煤灰的化学成分是山原煤的成分和燃烧条件决定的。SiO2和Al2O3是粉煤灰的主要活性成分。我国多数电厂粉煤灰的SiO2+Al2O3均在60%以上。粉煤灰中的有害成分是未燃尽煤粒,粉煤灰的烧失量主要是含碳灰的矿物组成，主要是玻璃体、莫来石、石英和少量其他矿物，主要为直径1-5um的玻璃球和一部分形状不规则的晶体颗粒。玻璃体的化学成分中含硅较高（SiO2为60%-65%），含铝量较低（Al2O3为12%~20%）。2.3粉煤灰对混凝土的改善作用粉煤灰在结构混凝土中可置换水泥量多达60%,且不管是对新拌混凝土还是硬化混凝土的性能都有良好的改善作用。一、和易性用高质量的粉煤灰取代部分水泥可改善新拌混凝土的和易性,因为:(l)粉煤灰是由大小不等的球状颗粒的玻璃体组成,表面光滑致密,在混凝土拌合物中能起该球作用。(2)新拌混凝土中水泥颗粒易聚集成团,粉煤灰的掺入可有效分散水泥颗粒,释放更多的浆体来润滑骨料。(3)能减少用水量,使混凝土的水灰比降到更小水平,减少泌水和离析现象。(4)具有良好的保水性,有利于泵送施工。二、强度粉煤灰对混凝土强度的改善作用可从以下两方面说明：（1）物理作用：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,降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料—水泥浆界面强度的提高；（2）化学火山灰作用：粉煤灰颗粒与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙胶体，有利于混凝土强度的提高。在硅酸盐水泥最终产物中，Ca(OH)2的体积占整个水泥石的25%，而且它的结晶强度最低，仅是托勃莫来石强度的1-2%。粉煤灰对Ca(OH)2有吸收作用，大概能吸收总量的15-30%。研究表明，用等重的低钙粉煤灰取代水泥后，前28天的强度有可能降低。但随着龄期的增长，粉煤灰与Ca(OH)2反应生成的水化硅酸钙不断增多，使混凝土后期强度有所增长。所以在工程设计和施工中要利用后期强度，则更为有利。三、水化热用粉煤灰代替部分水泥能有效降低水化热,降低混凝土的绝热升温。有资料表明，粉煤灰活性材料在头几天的水化程度并不十分明显，所产生的水化热仅及水泥的一半，用粉煤灰替代20%的水泥，可使7天的水化热下降11%。四、耐久性由于粉煤灰减少了混凝土的孔隙，使混凝土的抗渗性明显提高，改善了混凝土的抗化学腐蚀的能力，还能有效地减小碱—骨料反应引起的混凝土膨胀，极大地提高了混凝土的耐久性。3、粉煤灰在护坡建堤工程中的应用早在20世纪初至50年代，美、日、英、法等国就先后利用把粉煤灰掺入砼中来修筑堤坝。目前，我国的粉煤灰年排放量已经达到8.0×108kN以上，居世界第二位。我国也早在20世纪50年代的三门峡等大坝工程的混凝土中掺用了粉煤灰。到了20世纪80年代，随着粉煤灰电收尘设备的普及、粉煤灰品质标准的颁布和粉煤灰产品的开发，我国粉煤灰的品质和稳定性有了大幅度提高，粉煤灰在水工混凝土工程中得到了广泛的应用。3.1粉煤灰在护坡工程中应用实例近年来，我国对粉煤灰砼的研究促进了粉煤灰开发和利用，如掺入道路基层石灰土或水泥砼中，进行了可行有效的科学利用研究。1994年我们根据粉煤灰在道路基层石灰土、水利与土木建筑工程学院水利工程系2014建筑材料课程读书报告3水泥砼及粉煤灰夹气砖中的应用技术对粉煤灰掺入到河道护坡预制块工程中进行了初步的探索。按选定的粉煤灰砼配合比拌和，预制成60cm×60cm×10cm粉煤灰砼预制砌块。铺设时砌块能互相咬合,不需勾缝。在黄河零点1m以上部分采用粉煤灰砼预制砌块护坡，按1∶3.0坡比铺设；砂、碎石垫层厚度各10cm；上面铺设一层土工布规格为350g/m2。坡顶、坡脚各设一道浆砌石埂，断面为50cm×60cm(宽×高)，横向每20m设一道浆砌石埂，断面为40cm×60cm(宽×高)，用M7.5砂浆砌筑,M10砂浆抹面。在1m以下抛区内缘采用散抛石随坡就坡抛护，宽2m，厚度为60cm，块石粒径8～40cm，抛后整平、挤实。该护坡工程经4年应用，粉煤灰砼砌块未出现破坏情况，坡面仍很平整。粉煤灰在护坡中的应用：（1）在基准混凝土中掺人水泥重量40%的粉煤灰（其中分别取代水泥20%、取代石屑10%）后，用于护坡预制砌块的粉煤灰混凝土配合比为：C:S:G:W:F=0.8:2.70:4.3:0.60:0.40混凝上拌和物的粘聚性和保水性良好，坍落度2cm-3cm，其抗渗标号已达S5；抗冻性已超过D100，若掺入适量PC-2型松香热聚物引气剂，抗冻强度还可以得到进一步提高。（2）在水泥混凝上中掺入粉煤灰，不仅能处理工业废渣，节约能源，节省了水泥，而且在一定条件下还能改善混凝上性能。粉煤灰混凝上的性能除早期强度发展较慢外基本上与普通混凝土相同或相似，而后期强度的增长却比普通混凝土高。（3）通过对粉煤灰混凝土预制砌块的精心设计和精心施工，可改善坡面的平整度和整体性，增强其抗冲刷能力。实践表明，粉煤灰混凝土预制砌块应用于护坡工程能够获得良好的工程效果。（4）因为粉煤灰混凝土砌块预制生产不受季节限制，能加快施工速度，大大缩短施工周期，对水利工程，其优越性尤为突出。（5）由于粉煤灰混凝土预制块护坡能够克服干砌块石护坡诸多缺点，如施工期长，施工速度慢、整体性差、表面勾缝不能适应地基变形、施工质量难以控制等，实践表明粉煤灰混凝土预制块取代干砌块石应用于护坡工程是行之有效的。3.2粉煤灰在建堤工程中的实例南宁市江北东堤扩建工程，护坡砼均为C10砼，常规C10砼拌和物的保水性、流动性差，按常规C10砼配合比施工的砼护坡面，较多处出现麻面、露砂头。施工过程中平仓困难，为了改善砼成型后的外观质量，减少平仓难度，经参建各方研究决定在C10砼施工中，采用粉煤灰掺和技术，采用掺粉煤灰砼共90000m3。经取样试验，砼强度满足设计要求，保证了砼的质量，减少了水泥用量。3.2.1粉煤灰的掺和技术1.粉煤灰的主要成分、性能。粉煤灰为粒径1-50ｕｍ的微细玻璃体球形颗粒，以SiO2为主要成分，含有少量的K2O、Na2O，是优良的活性混合材料。2.粉煤灰的选择。（1）技术指标。粉煤灰的强度贡献是细度、需水量比、烧失量的综合的结果,粉煤灰投入使用前必须经过试验。其各项指标应符合国家标准(GB1956-79)的规定。烧失量8%,含水量1%,SO3含量3%，细度(用80ｕｍ方孔筛余)8%，需水性(粉煤灰净浆标准稠度需水量以重量计)50%，28d抗压强度(与不掺粉煤灰水泥硬练胶28d抗压强度之比)75%。（2）级别与选用。粉煤灰分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个级别。为保证砼质量达到国家标准(GB1956-79)规定的技术指标，同时便于采购材料，选用适合的粉煤灰混合材料。由于粉煤灰属水硬性混合材料，贮运粉煤灰时,必须注意防潮、防水避免结块，应随用随运。贮存期超过3个月，必须重新进行检验测定，符合要求方可选用。3.粉煤灰的掺用方法。采用干法施工，即在拌和砼时与水泥一起加入，简便易行，容易操作。4.投料顺序:卵石、砂土、粉煤灰、水泥、水。3.2.2工程中的应用效果严格按掺粉煤灰配合比拌制的砼料，运至工作面时，表面无沁水，面上的粗骨料均有胶结材料胶结；浇入仓内，砼层面无沁水，振捣时，板缝冒出浆液，层面易起浆。浇筑成形后水利与土木建筑工程学院水利工程系2014建筑材料课程读书报告4的砼坡面，拆模时，可见表面光洁，仅有少量麻面，无蜂窝。掺粉煤灰后，砼的和易性及施工性能有了较大的改善，减少沁水，提高砼的质量。南宁市江北东堤护建工程护坡C10砼90000m3，按配合比计算实际用粉煤灰8100吨，相应节约水泥8100吨，两者价格差额135元/吨（水泥230元/吨，粉煤灰95元/吨），节约投资109.35万元，取得了较好的经济效益。4、粉煤灰在地基处理中的应用4.1粉煤灰在深层地基处理工程中的应用目前，粉煤灰主要用于二灰桩、二灰土桩、粉煤灰混凝土桩、粉煤灰固结桩，混凝土二灰组合桩等，与土体共同构成复合地基加固深层软土。4.1.1二灰桩在岩土工程界，用来改良地基的二灰桩有两种，其材料均是粉煤灰与石灰的混合料，只是掺合的比例不同。一种是以粉煤灰为主的二灰混合料，粉煤灰桩的加固机理是：①桩间土的挤密作用。在粉煤灰桩成桩过程中，压实桩体用的机具对桩周土体产生一定范围的塑性挤密区，塑性挤密区中的土体，初始孔隙水压力较大，随着时间的推移，产生的孔隙水压力通过粉煤灰桩体逐渐消散，土体得到排水固结，强度得到提高。②桩的置换作用。在桩体密实度较大的情况下，其无侧限抗压强度在龄期为90d时，qu=2.0～4.7