粉煤灰混凝土耐久性研究可行性报告.docx
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粉煤灰混凝土耐久性研究可行性报告
严寒地区大掺量粉煤灰混凝土耐久性研究
一、项目研究的背景和必要性
粉煤灰由大部分直径以μm计的实心和中空玻璃微珠以及少量的莫来石、石英等结晶物质所组成。
粉煤灰作为一种活性掺和料，应用在混凝土中不仅改善混凝土拌合物的性能，更可延缓水化热峰值出现的时间，改善混凝土的某些物理力学性能。
同时由于粉煤灰是发电时的废弃物，以其代替高能耗的水泥也是可持续发展的一个需要。
所以，粉煤灰作为一种优质活性掺和料被广泛应用于混凝土的配制中。
尤其是应用在水工碾压混凝土中，提高混凝土的和易性，泵送性能好，大幅降低水化热的影响，减少干缩裂缝的产生[1~5]。
对这方面国内外都有大量的试验及理论的研究[6-9]。
在耐久性方面，有学者认为，粉煤灰可以提高混凝土抗化学侵蚀的能力，增强混凝土耐久性。
当硅酸盐水泥混凝土处于有硫酸盐侵蚀性介质的环境中时，侵蚀性介质会于水泥石中水化生成的Ca（OH）:
和C3A水化产物发生反应，逐渐使混凝土破坏。
在混凝土中掺入粉煤灰后，一方面，由于减少了水泥用量，也就减少了受腐蚀的内部因素:
另一方面，粉煤灰细微颗粒均匀分散到水泥浆体中时，会成为大量水化产物沉积的核心，随着水化龄期的进展，这些细微颗粒及其水化反应产物填充水泥石孔隙，改善了混凝土孔结构（这称为“微粉效应”），逐渐降低混凝土的渗透性，阻止侵蚀性介质和水分的浸入。
因此，掺入粉煤灰可提高混凝土的耐腐蚀[10-11]。
上述的研究是基于单一条件下粉煤灰混凝土的耐腐蚀性，而决定混凝土寿命的主要是混凝土的碳化时间，也就是碳化是决定混凝土耐久性的决定性因素。
单一因素作用的粉煤灰混凝土的碳化性能，国内外有许多的研究，研究结果表明，粉煤灰使混凝土的碳化速度加快，但不明显。
而在各种环境耦合作用下，粉煤灰混凝土的耐久性研究则刚刚开始，张鹏等通过试验研究了粉煤灰混凝土在经受冻融之后的碳化性能[12-14]。
张云升等人研究了在弯拉应力和快速碳化耦合作用下粉煤灰混凝土的碳化性能[15]。
研究表明，添加粉煤灰的混凝土其碳化速度要比普通混凝土快。
国内外的资料显示对粉煤灰混凝土的碳化研究都是仅限于两种条件耦合作用下素混凝土构件的碳化性能，但对于大多数的结构往往都是配筋结构，常常是带应力处于多重环境作用下，对掺加粉煤灰的钢筋混凝土或预应力混凝土结构在冻融、碳化和应力耦合作用下的耐久性研究，国内外尚未有见报道。
在辽宁地区每年的11月份和来年的2月及3月上旬，每天都有冻融交替，也就是说，辽宁地区裸露在外的桥梁结构每年都要经受70-80次冻融循环，另外由于汽车尾气的影响，桥梁所处的环境中co2的含量也比其他地方要浓，其碳化的影响要比其他的结构严重。
在冻融、碳化和应力耦合作用下桥梁的受力比较复杂，常常有的桥梁在建设较短的时间就出现混凝土表面开裂、混凝土保护层剥落的现象，严重威胁桥梁的使用寿命。
因此对预应力混凝土和钢筋能混凝土构件冻融、碳化和应力耦合作用下耐久性的研究就显得非常的必要。
另一方面由于掺加粉煤灰之后混凝土的早期强度较低，早期弹性模量也比没有掺加粉煤灰的同等强度混凝土小，如果粉煤灰混凝土用在预应力结构中，将使徐变的预应力损失增大。
基于上述原因，在国家标准《粉煤灰应用技术规范》里第3.0.1条明确规定粉煤灰不适用于跨度大于6m的预应力钢筋混凝土[16]。
而桥梁结构客观上又对粉煤灰混凝土有很大的需求，对于大跨径的预应力混凝土结构桥梁，其需求的混凝土上万方，如果能够以较大量的粉煤灰代替水泥，则在工程造价上可以节省很大一笔钱。
而且普通混凝土和易性差，夏季施工时混凝土2个小时后坍落度就损失很大，给施工带来很大的困难，同时由于普通混凝土水化热高，热量不能及时散发出去而产生温度应力，使混凝土开裂，产生先天缺陷，这种缺陷对于高强度混凝土尤其明显。
因此大掺量粉煤灰混凝土在桥梁上的应用有着广阔的前景，但大掺量粉煤灰混凝土对于预应力混凝土结构的影响国内外还没有定论，尤其是在耐久性方面的研究还远没有达到工程应用的程度。
因此，掺加大掺量粉煤灰的预应力混凝土结构在冻融、应力和碳化耦合作用下的力学性能是混凝土耐久性研究方面面临的重大课题。
对此课题进行深入研究，分析粉煤灰对预应力混凝土的影响，发扬其有利的，采取措施避免不利的情况发生，使粉煤灰变废为宝，不仅为桥梁施工、设计及降低工程造价和能耗提供可靠的试验及理论依据，对人类的可持续发展也具有深远的影响。
主要参考文献
[1]陈波，张亚梅，郭丽萍.大掺量粉煤灰混凝土干燥收缩性能.东南大学学报，Vol.137No12Mar.2007.334~338．
[2]吴建华.高强高性能大掺量粉煤灰混凝土研究[m]，2004
[3]衡培豫，II级粉煤灰配制的高性能混凝土性能研究[m]，2005
[4]刘振清，大掺量低质粉煤灰混凝土抗侵蚀性能研究及低质粉煤灰活化初探[m]，2000（12）
[5]李益进，铁路预应力桥梁超细粉煤灰高性能混凝土的研究与应用[m]，2005.
[6]陈月顺，刘莉，吴宏伟.粉煤灰掺量对混凝土抗渗性影响的研究
[7]李瑛，高标号混凝土掺入粉煤灰性质改善的试验，铁道勘察，2007
（2）
[8]黄焕谦，王迎飞，王胜年等，粉煤灰对高性能砼收缩开裂性能影响试验研究，水运工程，2007
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[9]谢慧东,张冬，王军，，高性能混凝土掺粉煤灰的应用研究，山东建材，第22卷（总第98期）2007
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[10]EllisW.E,Jr.ForDurableConcrete,FlyAshDoesNot"Replace"Cement,PointofView.ConcreteInternational.1992（7）
[11]王立成，刘汉勇，冻融循环后粉煤灰陶粒混凝土定侧压下的强度和变形性能试验研究，工程力学，第24卷第1期，2007
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[12]张鹏，赵铁军，杨进波等，冻融前后混凝土碳化性能试验研究[j]，混凝土，2007年（5）
[13]孟志良,吴仲兵,钱觉时.大掺量粉煤灰混凝土的孔隙液相碱度[J].重庆建筑大学学报,1999
（1）.
[14]黄燕美，大掺量粉煤灰混凝土性能研究.山西建筑，第33卷第1期，2007
（1）
[15]张云升，孙伟，陈树东等，弯拉应力作用下粉煤灰混凝土的1D和2D碳化，东南大学学报，第37卷第1期，2007
（1）
[16]粉煤灰混凝土应用技术规程[s]
[17]慕儒，冻融循环与外部弯曲应力_盐溶液复合作用下混凝土的耐久性与寿命预测[m]，2000.
二、研究方案
1.研究目标、研究内容和拟解决的关键问题
（1）研究目标
1）通过粉煤灰混凝土和普通混凝土徐变的对比试验、研究掺加不同量粉煤灰对混凝土压缩徐变的影响；通过冻融、碳化、和受力的耦合试验，研究北方严寒条件下粉煤灰对预应力混凝土及钢筋混凝土的物理力学性能及耐久性的影响；通过钢筋与混凝土的拔出试验，研究粉煤灰对冻融条件下混凝土的粘结强度的影响。
2）建立粉煤灰混凝土的徐变系数分析模型，并用分析模型确定预应力混凝土的徐变损失；确定钢筋混凝土和预应力混凝土冻融、碳化和应力耦合作用下的损伤模型，为预测混凝土桥梁的使用寿命提供理论依据；
3）为在严寒地区各种不利条件耦合作用下粉煤灰的使用提供依据。
（2）研究内容
1）粉煤灰混凝土的配比及强度、弹性模量试验，利用粉煤灰替代一部分水泥配置南阳湖大桥所需的c50混凝土，测定混凝土的强度及弹性模量。
2）粉煤灰混凝土和普通混凝土的徐变对比试验，重点研究同等强度等级、大掺量粉煤灰混凝土和普通混凝土的徐变对比，以及粉煤灰对混凝土徐变的影响。
3）粉煤灰混凝土的碳化、冻融耦合试验，分别利用一级和二级粉煤灰制各种强度等级的立方体试件，放入碳化箱中并利用快速冻融方法测定不同强度等级混凝土的碳化程度。
4）掺加粉煤灰的预应力混凝土和普通预应力混凝土弯压构件在应力、冻融和快速碳化作用下的力学性能。
重点研究不同应力强度和冻融耦合作用下预应力混凝土的力学性能以及在应力、冻融耦合作用后混凝土的碳化性能。
5）配置各种强度等级的大掺量粉煤灰混凝土，经过300次快速冻融试验后进行拔出试验，测其粘结强度，与同等级的普通混凝土粘结强度相对比。
（3）拟解决的关键问题
1）粉煤灰混凝土的徐变问题，研究粉煤灰对预应力混凝土结构的影响，确定在预应力混凝土结构中是否可以用粉煤灰代替一部分的水泥。
2）粉煤灰混凝土是否适合使用在比较恶劣的环境中。
3）建立粉煤灰混凝土在应力、冻融和碳化耦合作用下的损伤模型，为桥梁结构的寿命预测提供依据。
4）通过不同强度等级、不同掺量粉煤灰混凝土的拔出试验，分析粉煤灰混凝土结构在冻融条件下钢筋保护层及锚固长度是否应该与普通混凝土有所改变以及的问题。
2.拟采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析
（1）研究方法
通过对粉煤灰混凝土在不同应力与冻融、碳化环境条件下破坏过程的力学弯压试验和拔出试验，获得粉煤灰混凝土结构在不同应力与冻融、碳化效应的有关数据，采用建筑材料、结构设计原理、物理化学分析模型、损伤力学、弹塑性理论、以及断裂力学等相结合的综合集成研究方法，建立应力与环境耦合条件下混凝土的碳化模型和损伤本构模型。
总结粉煤灰混凝土的实用关键技术。
（2）主要技术路线及试验方案
本项目拟采取的主要技术路线和实验手段为：
1）选用一级粉煤灰，用粉煤灰代替一部分的水泥配置c50混凝土，同时配置普通c50混凝土，并取出一些分别制作150×150×150的混凝土立方体试件，测定混凝土的立方体抗压强度和弹性模量。
2）选用上述的混凝土制作150×150×300试件，养护7天后分别7、14、28、90天开始加载在用来测定混凝土的徐变。
3）选用上述的混凝土制作如下图所示的构件，在养护28天后在图示位置施加荷载，则此构件截面的应力与受弯构件是一样的。
测定该构件的开裂荷载fcr和极限荷载值fu，然后对试件粘贴应变片并将试件分成4组，分别施加0fu、20%fu、50%fu、70%fu，两组开裂、两组未开裂。
同时测量其变形并记录。
将试件再分成两组，一组加载后进行冻融循环。
冻融循环采用一天一夜为一次冻融循环，冻融循环次数不少于150次，另外一组与冻融循环作对比。
在完成冻融循环之后，取出典型试件做快速碳化试验，然后将所有试件进行破坏实验，测其受力和变形，并通过数据采集系统采集数据。
同时测量混凝土的碳化深度或采用caco3分析仪测定混凝土的碳化程度。
该试验的构件共设定了四种条件，4个应力状态、冻融和非冻融、加速碳化和非加速碳化、掺加粉煤灰和不掺加粉煤灰。
每类工况制作三个试件
4）制作两组掺加粉煤灰和未掺加粉煤灰的试件分别进行快速冻融300次后进行拔出试验，对比非冻融的拔出试验，分析冻融对钢筋和混凝土粘结力的影响。
5）根据2）试验结果建立混凝土的徐变分析模型。
6）根据3）实验结果分析复杂条件下的粉煤灰混凝土损伤机理，建立粉煤灰混凝土在冻融碳化和应力状态耦合作用下的损伤模型。
（3）可行性分析
本项目首先通过在不同应力与冻融碳化环境耦合条件下对混凝土进行大量的弯压和轴压试验，系统研究掺加粉煤灰的钢筋混凝土构件的破坏过程、力学特征和特性以及损伤破坏规律，并利用试验数据建立不同应力与冻融环境耦合条件下大掺量粉煤灰预应力混凝土及钢筋混凝土的损伤本构模型；通过冻融之后不同强度等级钢筋和混凝土的拔出试验，确定粉煤灰混凝土的粘结强度，分析粉煤灰混凝土与钢筋在冻融之后的粘结机理。
分析考虑应力荷载与环境侵蚀耦合效应的混凝土破坏机理，从而建立不同应力与环境耦合条件下的混凝土破坏强度理论。
因此，本课题思路清晰，方案可行，试验资料丰富；工程材料、混凝土结构、损伤力学、弹塑性理论、混凝土断裂力学、等多种理论和方法综合集成研究，理论基础雄厚，为本项目的顺利完成奠定了坚实的基础。
本项目课题组具有顽强的创新精神，科研力量较为雄厚。
课题组负责人及课题组成员在相关试验、理论和数值计算领域均进行过较深入的研究，可为本项目的顺利完成提供扎实的理论基础和前期准备工作。
（4）工作进度安排
2007年8月实验方案的制定，在可行性报告的基础上详细的制定研究及试验方案；
2007年9月-2007年10月配置混凝土、测定混凝土的强度及弹性模量。
制作试验所需的试件。
2007年10月末试件加载
2007年11月-2008年6月冻融、碳化、徐变试验
2008年7月对已经经过冻融、碳化的试件进行贴片、处理，进行破坏试验和拔出试验。
测定应力应变曲线和粘结强度。
2008年8月-2008年10月对试验数据进行整理、建立混凝土冻融碳化应力的损伤模型，对北方严寒地区粉煤灰混凝土的使用提出建设性的意见。
2008年10-2008年12月项目总结，提交研究报告
三、项目预期目标及经济社会效益
1.预期目标
通过对掺加大掺量粉煤灰的预应力混凝土构件荷载、冻融和碳化耦合的试验研究，探索粉煤灰代替一部分水泥后预应力混凝土在荷载、冻融和碳化耦合作用下的力学性能，得到粉煤灰对混凝土耐久性的影响；分析粉煤灰对北方严寒地区预应力混凝土桥梁寿命的影响；通过徐变试验分析粉煤灰混凝土与普通混凝土在长期荷载作用下的力学性能，以分析预应力混凝土结构中的徐变损失，探索粉煤灰在混凝土结构的应用技术问题；通过冻融循环后的粉煤灰混凝土与钢筋的拔出试验，解决钢筋的保护层和锚固长度问题。
2.经济社会效益
粉煤灰是燃煤电厂排出的固体废弃物。
至2005年，我国粉煤灰的排放量达1.4亿吨。
目前我国粉煤灰的总堆存量已超过10亿t，而且还正在以每年1千万吨的速度增加。
大量粉煤灰的排放不仅侵占大量土地，而且严重污染环境，构成了对生态和环境的双重破坏。
另一方面土木建筑上所需的水泥每年也以上百万吨的数量在递增，大量的水泥浪费了很多土地和能源，而且水泥在烧制的过程中向大气中排放了大量的二氧化碳和有毒气体，严重污染环境，如果能以废弃的粉煤灰代替部分水泥用在混凝土结构中，则不仅消耗掉了粉煤灰，而且节约了土地，改善了大气环境，是造福子孙后代的大事。
同时，如果粉煤灰能够掺加到所有的混凝土结构中，由于粉煤灰比水泥的价格低，节省了建设成本，也为混凝土结构的施工带来很大的方便，其经济效益也是很可观的。
3.最终提交的研究成果及其形式
本项目的研究成果以报告的形式提交。
四、课题组成员单位及成员概况
1.课题组成员单位概况
（1）沈阳工业大学建筑工程学院岩土力学研究所
课题组的成员在近些年一直从事岩石及混凝土的环境影响的研究，先后主持或参与了应力和环境侵蚀耦合作用下岩石的力学特性与本构模型研究（辽宁省教育厅科技发展基金）、化学腐蚀下岩石破裂过程的细观力学试验与智能分析（国家自然科学基金项目10072073）化学腐蚀下岩石破裂过程的细观力学试验与智能分析，编号10072073”高应力硬岩突变孕育过程的非线性智能力学分析与控制、环境侵蚀下水泥土损伤破裂的试验研究”（编号Z110403）等的研究，发表了该类课题有关的论文20余篇，在冻融、应力腐蚀等方面进行了深入的研究，取得了一些研究成果，这位完成该课题奠定了坚实的基础。
（2）中铁九局
2.课题组分工
参加课题研究的组成人员情况
姓名
性
别
年
龄
专业技术职务
从事专业
工作单位
课题分工
鲁丽华
女
37
副教授
道桥
沈阳工业大学
课题负责人
监督站
课题负责人
程利
中铁九局
李东伟
中铁九局
陈四利
48
教授
工程力学
沈阳工业大学
数据分析
鲍文博
50
教授
工程力学
沈阳工业大学
数据分析
宁保宽
男
37
副教授
土木工程
沈阳工业大学
数据分析
毕杰春
女
46
高级工程师
土木工程
沈阳工业大学
试验
黄志强
男
28
讲师
土木工程
沈阳工业大学
数据分析
黄杰
女
30
工程师
土木工程
沈阳工业大学
试验
潘桂生
男
27
硕士生
结构工程
沈阳工业大学
试验
沈阳工业大学课程组成员负责制定课题的研究计划、试验方案的制定、试验过程的监控、试验数据的采集、试验数据的分析整理、研究报告的编制等工作。
中铁九局课题组成员负责试件模板的制作，试件材料的购买、试件的浇注及养护、加载的组织等工作。
3、实验室仪器、设备条件
沈阳工业大学拥有数显微机控制压力机、微机控制电液伺服万能材料试验机、微机控制电液伺服岩石三轴试验机以及红外光谱分析仪和日本进口扫描电镜等，现在可利用的实验室有：
沈工大力学性能实验室、岩石混凝土实验室和电镜实验室等。
课题组是近年来一直活跃在混凝土及岩土工程领域前沿的科研集体，具有创新精神，是沈阳工业大学建筑工程学院重点知识创新的研究小组。
因此，本项目已经具备了良好的开展应用创新研究的硬件条件和软件环境。
以上这些都为本项目的成功实施奠定了良好的基础。
五、课题经费预算金额单位：
万元
预算支出
经费项目
金额
计算根据
租冷库（6个月）
2
每个月三千元，再加上一些容器2000元
数据采集系统
2
2个数据采集芯片、信号放大器、软件
应变片及感应仪器及其它耗材
3
各种灵敏度较高的应变片及传感器、其它附属的材料
仪器设备购买及改造费
4.0
温湿感应器、购买碳化箱、徐变仪的制作等
设备使用的各项损耗费用
2
压力机、千斤顶等各种设备
业务资料费
0.2
资料复印、购买图书等
水费及电费及其他费用
1.2
按每个月2000元计算
现场监测和补贴
2.0
各种试验的监测2人、冻融试验试件的搬运等2人
项目鉴定
1.0
组织项目鉴定等
项目组织实施费
3
实施管理费等（按15%）
各种试件材料及制作
3
模板、混凝土、预应力钢筋、养护等
合计
23.2
其他需要说明的问题
针对本项目的技术方案和经费预算，可能出现以下技术风险
随着项目研究工作的深入开展，技术路线可能在一定范围内作局部调整；
上述经费预算是在当前条件下制定的，随着研究的进行，经费支出可能会有部分的调整。
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