高摻粉煤灰水泥論文-修改

1、高摻量粉煤灰混凝土的性能及環(huán)保節(jié)能效應設計者：劉超 關豆豆 何秋 雷楊 夏紅亮指導老師：肖蓮珍材料學院，無機非專業(yè)試驗和研究內(nèi)容簡介本實驗設計了不同摻量粉煤灰在混凝土等量替代水泥的應用效果，測試了混凝土在不同齡期的抗壓強。與空白樣品相比，早齡期抗壓強度偏低，但后期強度發(fā)展較快，趕上空白樣品，這關系到混凝土的使用性能。 因此用粉煤灰替代部分水泥用于混凝土中在需要的性能上是可行的，在經(jīng)濟上可節(jié)省混凝土成本，還有廢物利用，環(huán)保節(jié)能的社會及環(huán)境效益。關鍵詞 粉煤灰，混凝土，抗壓強度，環(huán)保節(jié)能聯(lián)系人：劉超 聯(lián)系電話EMAIL研制背景及意義 混凝土材料是

2、當今用量最大、用途最廣泛的建筑材料,據(jù)統(tǒng)計,每年全世界的耗用量接近100億噸。而水泥作為混凝土的重要組分,在生產(chǎn)過程中能耗大，且會向大氣中排放大量的CO2,目前全世界每年C02排放量約為100億噸,造成環(huán)境污染、溫室效應和全球變暖等不利影響。粉煤灰是我國當前排量較大的工業(yè)廢渣之一2010年我國粉煤灰和煤矸石產(chǎn)生量約 10.7億t,預計到2015年產(chǎn)生量將繼續(xù)增加,有望達到13億t。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。目前，國內(nèi)對粉煤灰的大批量處理主要是回填，而回填帶來的主要問題是粉 煤灰潛在的毒性對環(huán)境的長期影響，從而對地下水、土壤造成污染。粉煤灰浸出的一些微量重金屬元素也會對

3、環(huán)境造成影響。正是基于粉煤灰的環(huán)境問題，本文重點研究了不同量粉煤灰摻入混凝土，對混凝土抗壓及其它性能影響，在滿足混凝土性能的前提下，提高混凝土中粉煤灰摻量，促進粉煤灰廢渣在混凝土中的大規(guī)模應用，不僅有利于固體廢棄物再利用，變廢為寶，而且可以保護環(huán)境，節(jié)約資源，對社會和經(jīng)濟兩方面有著重要的意義，亦對粉煤灰高價值利用開辟了廣闊的途徑，因此具有很好的發(fā)展前景。 2 實驗方案2.1 實驗主要原材料 本試驗用水泥為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為二級粉煤灰，水泥和粉煤灰的化學組成如下表1，水為普通自來水。表1 水泥與粉煤灰的化學組成化學成分SiOAlOFe2O3CaO MgO SO2 Na2Om

4、f-CaO水泥/%21.57 4.44 2.78 62.83 2.32 3.14 0.60 0.79粉煤灰/%57.60 21.90 2.70 3.87 1.68 0.61 1.05 2.1.1 粉煤灰概述煤粉中的無機物在燃燒過程中先分解然后經(jīng)燒結(jié)熔融，最后冷卻形成粉煤灰，其化學組成主要為Si02、A1203、Fe203礦物組成主要包括玻璃體和晶體礦物。粉煤灰活性粉煤灰的活性是衡量粉煤灰再利用價值的重要參數(shù)，其活性大小與細度、燒失量、化學成分披玻璃體含量相關粉煤灰的的活性在水泥生產(chǎn)中主要體現(xiàn)在化學活性，粉煤灰化學活性則與粉煤灰自身化學組成密切相關，粉煤灰的化學活性主要表現(xiàn)為火山灰活性，摻有粉煤

5、灰的水泥水化過程中，首先是水泥熟料礦物水化，此過程中釋放Ca(OH)2，Ca(OH)2與粉煤灰中的活性組分發(fā)生的火山灰反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。由于火山灰反應減少了系統(tǒng)中氫氧化鈣的含量，又可加速水泥熟料的水化。粉煤灰的物理活性在水泥生產(chǎn)宏觀機理有著重要作用。粉煤灰的物理活性主要是指粉煤灰形態(tài)效應、微集料效應等的總和，是與自身化學性質(zhì)無關，又能促進制品膠凝活性和改善制品性能（如強度、抗?jié)B性、耐磨性等）的各種物理效應的總稱它是粉煤灰能夠直接被充分利用、最有實用價值的活性，是粉煤灰早期活性的主要來源粉煤灰的形態(tài)效應，主要表現(xiàn)為粉煤灰的顆粒形貌、粒度分布等特性所引起的可改善水泥基材料性能的填充

6、作用、潤滑作用等2.1.2 水泥概述 細磨成粉末狀，加入適量水后，可成為塑性漿體，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化，并能將砂、石等材水泥樣本料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料 2.2 實驗研究 2.2.1 實驗配料本實驗對于實驗原料的處理采用等量替換法，即保持每組水泥、水和粉煤灰的質(zhì)量為一定值（本實驗為990g），通過改變添加粉煤灰的質(zhì)量，從而改變膠凝材料的配合比（ 本實驗采用改變粉煤灰占總的膠凝材料的質(zhì)量百分數(shù)為10%、20%、30%、40%、50%和一組不加粉煤灰的空白對照組）。依次對其編號 FA10 FA20 FA30 FA40 FA50 FA0。原料配合比如下表2所示 表2 粉煤灰等量

7、替換水泥與其強度的關系編號等量替換比（%）配合比水泥(g)粉煤灰(g)水(g)FA00990396FA 101089199396FA 2020792198396FA 3030693297396FA 4040594396396FA 50504954953962.2.2 實驗設計 本試驗采用上述材料，設計配制不同添加粉煤灰量的膠凝材料并采用配制了3d、28 d 不同齡期的普通水泥和添加同量的粉煤灰的混凝土進行對比試驗。2.2.3 實驗步驟 1）實驗樣品的稱取 按照實驗設計的要求，在天平上稱取每一組實驗所需要的水泥， 粉煤灰，水的質(zhì)量。共6組 2）水泥成型 將試模擦凈，四周模板與底板接觸面上應涂黃油

8、，緊密裝配，防止漏漿。內(nèi)壁均勻刷一薄層機油。 先使攪拌機處于待工作狀態(tài)，然后再按以下的程序進行操作。把量好的水(精確±lmL)加入鍋里，再加入稱好的水泥(精確±1g)，把鍋放在固定架上，上升至固定位置。然后立即開動攪拌機，低速攪拌30s后，把機器轉(zhuǎn)至高速再拌30s，停拌90s，在第1個15s內(nèi)用一膠皮刮具將葉片和鍋壁上的水泥漿刮人鍋中間，在高速下繼續(xù)攪拌60s。各個攪拌階段，時間誤差應在±1s以內(nèi)。 制備后應立即進行成型。預先將空試模和模套固定在振實臺上，用一個適當勺子直接從攪拌鍋里將水泥漿分二層裝人試模，裝第一層時，每個槽里約放500g膠砂，用大播料器垂直架在模

9、套頂部沿每個模槽來回一次將料層播平，再振實60次。再裝入第二層水泥漿，用小播料器播平，再振實60次。移走模套，從振實臺上取下試模，用一金屬直尺以近似90°的角度架在試模模頂?shù)囊欢?，然后沿試模長度方向以橫向鋸割動作慢慢向另一端移動，一次將超過試模部分的膠砂刮去，并用一直尺以近乎水平的情況下將試體表面抹平。最后在試模上標記。3） 試體養(yǎng)護 脫模前的養(yǎng)護：將試模放人養(yǎng)護箱養(yǎng)護溫度(20±3)，相對濕度大于 90L一直養(yǎng)護到規(guī)定的脫模時間時取出脫模。脫模前，用防水墨汁或顏料筆對試體進行編號，對二個齡期以上的試體，在編號時應將同一試模中的3條試體分在二個以上齡期內(nèi)。 脫模：對于24h

10、齡期的，應在破型試驗前20min內(nèi)脫模；對于24h以上齡期 的， 應在成型后2024h之間脫模。脫模應小心，以免損傷試體。對于已確定作為 24h齡期試驗的已脫模試體，應用濕布覆蓋至做試驗時為止。 4） 抗壓強度的測定 由于100 mm × 100 mm × 100 mm ，試件和標準試件相比有小尺寸效應，即環(huán)效 應，因此，在所得強度的水泥漿基礎上，乘以0 95換算成150 mm × 150 mm × 150 mm 標準試件的強度。2.2.4 實驗結(jié)果 表3 抗壓強度記錄表編號等量替換比（%）齡期(d)強度平均值(MPa)FA0-103292848FA10

11、-1103272845FA20-1203212848FA30-1303192837P40-1403142837P50-1503728/ 圖1 2.2.5 實驗分析 通過表3和圖1的數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)：1 用粉煤灰摻雜的水泥，會使3天水泥塊抗壓強度偏低 ，并且，隨著粉煤灰量的逐漸加多，水泥3天的抗壓強度不斷下降。2 用粉煤灰摻雜的水泥，水泥的28天抗壓強度基本符合實際需求，并且再添加粉煤灰合適的范圍，摻雜粉煤灰水泥的28天抗壓強度比同等量水泥的強度沒有差別：不僅如此，基本上本實驗做得粉煤灰摻雜水泥的抗壓強度均符合國家標準，適用于不同的水泥質(zhì)量需求。3 摻雜粉煤灰等量替換為10%，3天抗壓強度效果好

12、，28天抗壓強度也差別很?。ㄐ?MPa);摻雜粉煤灰等量替換為20%，28天的抗壓強度效果好(與未摻雜的水泥強度一樣）；摻雜粉煤灰等量替換為40%，水泥的28天抗壓強度也是符合國家標準，由于摻雜的粉煤灰多，實際效益最高。4 對不同的質(zhì)量的水泥需求，實際生產(chǎn)選擇不同的組的粉煤灰水泥，但是均比不添加粉煤灰的水泥綜合效益高3 實驗分析 3.1粉煤灰在混凝土中的作用機理 3.1.1活性效應 在常溫下，由于粉煤灰的水化反應比水泥慢，被粉煤灰取代的那部分水泥的早期強度得不到補償， 所以混凝土早期強度隨粉煤灰摻量的增加而降低。隨著時間的推移，粉煤灰中活性部分SiO2和AlO與水泥水化生成的Ca(O

13、H)2發(fā)生反應，生成大量水化硅酸凝膠。粉煤灰外部的一些水化產(chǎn)物在成長過程中也會象樹根一并伸入顆粒空隙中，填充空隙，破壞界面區(qū)Ca(OH)2的擇優(yōu)取向排列，大大改善了界面區(qū)，促進了混凝土后期強度的增長。3.1.2 微集料密實填充及顆粒形態(tài)效應 均勻分散在混凝土中的粉煤灰顆粒不會大量吸水，不但起著滾珠作用，而且與水泥粒子組成了合理的微級配，減少填充水數(shù)量，影響系統(tǒng)的堆積狀態(tài)，提高堆積密度，具有減水作用，使新拌混凝土工作性優(yōu)良，硬化混凝土微結(jié)構(gòu)更加均勻密實。而且，不會發(fā)生泌水離析現(xiàn)象， 可施工性和抹面性好， 抗?jié)B性、抗凍性好。3.1.3 交互作用 水泥、粉煤灰

14、、外加劑等不同粉料間會產(chǎn)生物理、化學的交互作用。粉煤灰的使用大大節(jié)約水泥熟料，抑制堿一骨料反應：水泥中含量少，水化產(chǎn)生的熱量少，減少了混凝土構(gòu)件由于內(nèi)外溫差過大而引起其表面開裂的危險；粉煤灰水化消耗大量 Ca(OH)2，混凝土不耐蝕成分減少，因而耐化學侵蝕性比普通混凝土強得多。3.1.4 物相效應 粉煤灰的主要礦物組成是海綿狀玻璃體、鋁硅酸鹽玻璃微珠。這些球狀玻璃體表面光滑，粒度細，質(zhì)地致密，內(nèi)比表面積小，不僅使水泥漿需水量小，而且能填充到水泥漿體的孔隙中，使混凝土密實性大大提高。并可在相同用水量的情況下，增大其流動性，改善其和易性和可泵性4 優(yōu)點與創(chuàng)新點 4.1 優(yōu)點 1）水泥在水

15、化反應過程中，放出的熱量稱為水化熱- 對于尺寸小的混凝土構(gòu)件，水化 熱會很快散失；但對于大尺寸的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如大壩、地坪、道路等，水化熱會在混凝土內(nèi)部積聚，引起混凝土內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫差，導致混凝土開裂- 粉煤灰的取代效應使水泥熟料用量減少，水化熱降低；火山灰效應拉長了水化反應過程，降低了水化溫升的峰值- 對于大體積混凝土，如大壩混凝土，粉煤灰可以有效地降低水化溫度，防止溫度應力引起的裂縫。 2）粉煤灰混凝土耐溶出性侵蝕、酸性侵蝕和鹽類侵蝕的能力增強- 效應有三：粉煤灰使混凝 土的密實度提高，阻止了軟水和腐蝕介質(zhì)的滲透；"粉煤灰混凝土中水泥水化產(chǎn)物的量少；粉煤灰使高鹽基的水化鋁酸鈣

16、水解成為極 限石灰濃度較低的低鹽基水化鋁酸鈣，因而消除或減少了高硫型水化硫鋁酸鈣形成的可能性，更易形成低硫型水化硫鋁酸鈣- 低硫型水化硫鋁酸鈣在遠離含鋁固相表面的液相中以分散狀析出結(jié)晶，填充原來的充水空間，不僅不會產(chǎn)生有害的內(nèi)應力，而且還可作為水泥石的有效組織結(jié)構(gòu)，增強水泥石的密實性和強度 3）煤灰混凝土因密實性提高，孔隙結(jié)構(gòu)改善和水化產(chǎn)物的變化，具有較高的抗氯離子滲 透能力和較高的電阻抗，從而有效地抑制氯離子對鋼筋的電化學銹蝕及雜散電流對鋼筋的腐蝕，使混凝土對鋼筋的保護能力提高4.2 創(chuàng)新點：1） 巧妙得將目前被視作廢料的粉煤灰替代高能耗產(chǎn)品水泥，達到節(jié)能減排的目的。 2） 對普通混凝土的配

17、方進行了完善，使得普通混凝土的性能得以大幅度提高。 3） 本實驗在實驗室操作步驟簡潔，容易將技術推廣，從實驗室的到工廠的大規(guī)模的運 用，容易實現(xiàn)5 實際效益 5.1 環(huán)保效益 據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，2013年全國煤炭消費量約為36.2億噸，同比增加0.7億噸，增長1.97%。粉煤灰，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰。我國1995年粉煤灰排放量約125億t，2000年粉煤灰排放量約15億t，2009年粉煤灰排放量約375億t。與此相應的，在我國大部分的城市，大氣中懸浮顆粒物的主要來源是燃煤飛灰，污染程度嚴重的話，形霧霾，人吸入體內(nèi)，甚至被血液吸收，送到人體各個器官，也可能與細胞發(fā)生各種化學反應，同

18、時飛灰沉降落地或堆放在儲灰污池中的粉煤灰，因雨水淋濾，會污染地表水及地下水。凡此種種，如果不對粉煤灰加以處理，一旦排放到環(huán)境中，將對我們的健康造成危害，對生存的生態(tài)環(huán)境造成破壞。水泥工業(yè)作為典型的大氣污染行業(yè)，是危害我國大氣安全的重要因素。水泥工業(yè)的環(huán)境污染主要是粉塵、廢氣和噪音。據(jù)統(tǒng)計，在2002年我國水泥工業(yè)煙塵和粉塵排放總量是809萬噸，占我國全年煙塵粉塵排放總量的近40%。水泥成本的大部分是回轉(zhuǎn)窯煅燒水泥過程中煤炭能源的消耗費用，水泥工業(yè)高耗能顯而易見。另外，據(jù)新華網(wǎng)最新報道，我國人均排放量CO2已經(jīng)超過世界平均水平，世界平均水平是6.4t，我們現(xiàn)在的是7tCO2。 因此，用粉煤灰部分

19、替代水泥或摻合進混凝土，不僅可以減少火力發(fā)電廠粉煤灰固體廢棄物的堆積，節(jié)約灰場的土地占用面積，也可以減少對大氣和水資源的污染。.而且，還可以減少的水泥的部分產(chǎn)量，節(jié)約資源，降低生產(chǎn)水泥過程的污染和能耗。減少溫室氣體CO2的排放量，緩解全球氣溫上升的壓力。最后，形成以“資源一產(chǎn)品一廢棄一再生資源”為表現(xiàn)形式的循環(huán)經(jīng)濟模式，使固體廢棄物粉煤灰成為再生與環(huán)保資源，達到節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保的作用。5.2 經(jīng)濟效應用粉煤灰等量替換水泥，減少一定比例的水泥用量，用便宜許多的等量的粉煤灰代替，毫無疑問，可以減少混凝土的生產(chǎn)成本。以普通C30 混凝土為例，一立方混凝土需要P.O42.5水泥361 kg 、砂子

20、613.7kg 、 石子1249.06kg 、 水 176.89kg，即配比為1 : 1.7 : 3.46 : 0.49 。粉煤灰替代20%的水泥時，混凝土強度減少量很小，而此時可以減少使用水泥72.2kg，全國各地PO42.5水泥價格200500元/噸，由于地域不同和產(chǎn)品質(zhì)量不同而有差異。而粉煤灰價格相對低得多，混凝土用粉煤灰通常50150元/噸，如目前靈壽縣清逸礦產(chǎn)品加工廠生產(chǎn)的國際一級粉煤灰價格90100元/噸、國際二級粉煤灰價格6070元/噸、國際三級粉煤灰價格3850元/噸。若取水泥和粉煤灰差價為150元/噸，那么一立方的混凝土成本可以減少多余10元。粉煤灰是我國當前排量較大的工業(yè)廢渣之一，其主要