2.6 在建工中的利用

2.6.1 混凝土掺合料

2.6.1.1 基本性能

粉煤灰作为掺合料在预拌混凝土和预拌砂浆中应用数量很大，可以起到节约水泥，降低混凝土成本，改善水泥混凝土和砂浆某些性能的效果。拌制水泥混凝土和砂浆时，做掺合料的粉煤灰应满足表2-58的要求。

配制钢筋混凝土必须使用Ⅰ、Ⅱ级灰，Ⅲ级灰只能在素混凝土和砂浆中使用。预拌混凝土在大、中城市已非常普及，国家有关产业政策要求发展预拌混凝土和预拌砂浆。生产预拌混凝土和预拌砂浆通常都要掺加一定数量的粉煤灰以改善混凝土和砂浆的性能。在预拌混凝土中一般掺加50～70kg/m³的粉煤灰做掺合料，通常C30混凝土掺粉煤灰为60kg/m³左右。在预拌混凝土中掺加粉煤灰有利于减小泵送阻力，改善混凝土和易性、泌水性等。

混凝土中使用粉煤灰作为掺合料，可以改善混凝土的部分特性，诸如硬化水平、强度、干燥收缩性等。研究表明，当粉煤灰掺入量为40%时，降低泥浆的干燥收缩率的效果较好，与波特兰水泥泥浆相比，粉煤灰泥浆的干燥收缩率下降30%～40%。掺杂粉煤灰还可以降低混凝土的重量，降低混凝土的热传导性，并且随着粉煤灰掺入量的不断增加，热传导能力也随之下降。当粉煤灰掺入量为30%时，混凝土制品的热传导率达到最低为0.1472W/（m·K）。粉煤灰在混凝土中替代水泥的限值见表2-59。

粉煤灰能减少新烧混凝土的水化热，粉煤灰混凝土与普通混凝土水化时的温度升高情况见表2-60。由于高层建筑的底板厚度很大，甚至超过2～3m，个别的高层建筑底板厚度甚至大于4m。因此粉煤灰被已经被广泛地应用于这种大厚度大体积混凝土中，以降低其水化热的问题。

粉煤灰混凝土也被用于核电站的安全壳，如上海秦山核电站，壁厚1m的混凝土要求绝对不出现裂缝，其解决办法也是掺加混凝土。

研究工作证实，掺加粉煤灰可提高混凝土的抗渗性。研究工作也证明粉煤灰混凝土有良好的抗海水进入能力，上海建筑科学院在华东某一大型海港工程中用粉煤灰混凝土做该港工料，其结果证明抗氯离子能力比普通混凝土提高很多。

2.6.1.2 应用实例

（1）在公路工程中的应用

宁波某一级公路工程中开展高掺量粉煤灰混凝土（掺量50%）应用试验研究，取得了较好的效果。

①试验用原材料　水泥采用425普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用宁波某电厂干排粉煤灰其品质指标与化学成分分别列于表2-61和表2-62；外加剂采用高效减水激发剂；集料采用中粗河砂、二级配碎石。

②现场施工与取样　本项高掺量粉煤灰混凝土路面工程试验段的路幅度9.0m，路面厚0.22m，长约1000m。

试验路段共浇筑高掺量粉煤灰混凝土1260m³，使用粉煤灰220t，铺筑路面长约650m。由于施工艺质量控制较好，试验取得了预期有效果。路面竣工后钻取了3组芯样，测试了圆柱体芯样的劈裂抗拉强度，再通过换算得出混凝土的抗折强度，结果列于表2-63。

现场取样结果表明，高掺量粉煤灰混凝土的平均抗折强度与普通对比混凝土的抗折强度一致，说明混凝土的配合比设计与试验性施工是成功的。

③技术经济分析　品质符合国家标准Ⅰ级或Ⅱ级的干排粉煤灰，利用其颗粒形态（微珠）效应、火山灰活性（较高的SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃）效应与微填充（电吸、风选或磨细）效应，在传统掺量的情况下，可配制出较普通混凝土性能全面优越的混凝土。

在单方混凝土材料成本方面，两种混凝土的成本差别主要反映在胶凝材料与外加剂上，初步核算见表2-64。

由表2-64可见，高掺量粉煤灰混凝土的单方成本可比普通混凝土节约20元/m³。

（2）在官厅湖特大桥工程中的应用

①工程简介　在官厅湖特大桥工程中，桩基础采用C30混凝土，桩承台采用C25混凝土，墩身采用C40混凝土，这些部位混凝土均掺加了粉煤灰。

②原材料选择　配制大掺量粉煤灰混凝土，应选用好的或比较好的原材料。水泥是混凝土的主要胶凝材料。当前，我国配制大掺量粉煤灰混凝土，多数使用525号普通水泥，用其配制的混凝土，最高抗压强度可达100MPa。配制C60以上混凝土，也有使用425号普通水泥或矿渣水泥的。掺入粉煤灰的作用，既做次胶凝材料取代部分水泥，又做功能组分改善和提高进性能。粉煤灰材料易得，价格低廉，性能又不错，因此，应用得较为普遍。配制高性能混凝土应该尽量选用经过分选或磨细的I、Ⅱ级粉煤灰，有些单位以粉煤灰为主料，配以少量硅粉、超细矿渣制成的超细复合掺合料，效果更好。

细集料多用河中砂，经过试验也可使用粗砂、细砂、山砂或人工砂。砂的含泥量一般应小于1%，泥块含量小于0.5%。其他有害物质含量需符合有关技术标准的规定。

粗集料约占混凝土的50%，其质量对混凝土性能影响非常明显。国内外多用质地坚硬、粒形较好的碎石。其立方体抗压强度大于极抗压强度的1.5倍，压碎指数多在8.5%以下；石子最大粒径多为20～25mm，都是连续级配；针、片状颗粒含量低于6%；石子含泥量应小于1%；其他有害物质含量需符合有关技术标准规定，不应使用可能导致碱一集料反应的活性集料，必须使用时要有可靠的技术保证措施。

③配合比设计　低用水量与低水胶比这是粉煤灰混凝土设计的一个重要原则。由于高效减水剂的掺入，配制大流动度混凝土，用水量多在150kg/m³左右，较普通混凝土降低15%～25%，水胶比也随之下降。

配制粉煤灰混凝土，水泥用量大多在500kg/m³以下，比普通混凝土略低，这对改进混凝土性能与节约水泥有利。减下的水泥由粉煤灰等活性掺合料代替。粉煤灰取代水泥的方法，Ⅰ级灰多为等量取代，Ⅱ级灰多为超量取代。

砂率一般为33%～40%，大流动度自密实混凝土高达45%～50%。由于部分砂被粉煤灰取代，实际砂率有的大大低于上述范围；外加剂掺量根据使用说明书并通过试验确定。

④施工注意事项　大掺量粉煤灰混凝土现场施工应注意以下几点。

a.对进场原材料严格进行质量检验；

b.粉煤灰掺入混凝土中的方式，可采用干掺或湿掺，其掺入方法符合下列要求：干掺时，干粉煤灰单独计量，与水泥、砂、石、水等材料按规定次序加入搅拌机进行搅拌；湿掺时，先将粉煤灰配制成粉煤灰与水及外加剂的悬浮浆液，与砂石等材料按规定次序加入搅拌机进行搅拌；各种原材料要按配合比盘盘计量，特别应注意不能在搅拌中或使用时另外加水；要按既定顺序上料，不能随意简化或更改；

c.要有可靠的计量装置，尽量采用机械上料，计算机计量与管理；使用干态或湿态粉煤灰应以重量计量，称量误差不得超过±2%，粉煤灰中的含水量，应在拌和水中扣除；

d.粉煤灰混凝土拌合物必须搅拌均匀，其搅拌时间应比基准混凝土延长10～30s；

e.长距离运输应采用搅拌车而不能使用翻斗车；现场运输道路应平整以减少颠簸离析；做好泵送规划与管理；

f.混凝土从出机到浇筑完毕时间，按有关规定，气温低于25℃时不超过90min，气温高于25℃时不超过60min；

g.做好模板、钢筋的检验及保护；

h.粉煤灰混凝土浇筑时，不得漏振或过振；振捣后的粉煤灰混凝土表面，不得出现明显的粉煤灰浮浆层；

i.粉煤灰混凝土振捣完毕后，应加强养护，混凝土表面宜加遮盖，并保持湿润，暴露面的潮湿养护时间，不得少于14d；干燥或炎热气候条件下的潮湿养护时间，不得少于21d；

j.粉煤灰混凝土在低温条件下施工时应加强表面保温，粉煤灰混凝土表面的最低温度不得低于5℃。寒潮冲击情况下，日降温度大于8℃，应加强粉煤灰混凝土表面的保护，防止产生裂缝。

⑤技术经济分析　京张高速公路官厅特大桥由于部分结构采用粉煤灰混凝土，在单方混凝土材料成本方面比普通混凝土节省20～25元，整桥节约费用130万元。

2.6.2 处理地基

（1）技术概述

粉煤灰双层地基以原状粉煤灰为主要原料，加入少量胶凝材料制成粉煤灰混合料，再将其浇注在软弱土层上作为建筑基础。粉煤灰地基包括以下两种复合地基。

①水泥粉煤灰碎石桩（CFG）复合地基　此种地基由碎石、石屑、粉煤灰、水泥按一定的比例加水搅拌，用震动沉管打桩机制成具有可变黏结强度的地基。这种复合地基，通过组成材料的掺量调整，地基承载力具有较大的可调性。由于其具有适应性强、沉降变形小，工程造价低、施工简单，建设部已将其作为科研成果全面推广使用。

②挤密粉煤灰碎石桩复合地基　此种地基是用粉煤灰、碎石掺入适量水泥加水搅拌后，灌入桩管内形成的桩基。由于粉煤灰具有一定的活性和良好的和易性，易于灌注形成符合强度要求的胶凝体。

（2）粉煤灰在灰土地基处理中的应用及其前景

对于粉煤灰灰土地基，现在工程中已得到广泛的应用。无论公路路基还是建筑物（构筑物）的地基处理都在大量的应用粉煤灰。具体应用中多是粉煤灰中加入一些添加剂与土形成混合集料。其中主要有粉煤灰中加入石灰、水泥；粉煤灰中加入石灰、碎石；粉煤灰中加入水泥；粉煤灰中加入石灰；纯粉煤灰做冲填坝等几种形式。现分别就它们各自的利用情况、工程力学性能等方面做以下概述。

①国外研究现状　为了更广泛地将石灰粉煤灰稳定材料应用于地基基层，国外一些学者在提高石灰粉煤灰稳定材料的早期强度方面进行了一些探索和研究。主要有这样几种方法：a.掺加化学添加剂；b.掺加水泥；c.掺加碎石等粗骨料；d.改变混合料拌和工艺；e.掺加磨细粉煤灰、磨细水淬渣；f.其他。其中，掺加化学添加剂、掺加水泥以及掺加碎石等粗骨料，在提高石灰粉煤灰稳定材料的早期强度方面是三种较可行的途径。在有石料来源的地区，采用石灰粉煤灰土掺加碎石做路面的基层或底层是比较理想的方式。在石灰粉煤灰中掺加水泥也是一种早强措施，但是，掺加水泥在工艺上有初终凝时间的限制；最为本质的是，掺加水泥获得的早期强度主要来源于水泥水化产物的生成，而粉煤灰中含有活性较高的SiO₂、Al₂O₃，这一优势并未得到充分的发挥和利用。因此，相比之下，掺加添加剂促进石灰粉煤灰间的反应进程，提高早期强度，充分发挥和利用其强度潜力，在石灰粉煤灰土早强方法研究中显得更为重要。

②国内粉煤灰、石灰、水泥在地基处理中的应用研究　粉煤灰、石灰、水泥等的混合物用水泥部分代替石灰做粉煤灰活性激发剂的半刚性路面基层材料。这种基层材料早期强度高、施工操作性好、路用技术性能良好，完全能满足高等级路面基层的规范要求。但是过去由于经济原因，这种半刚性基层材料应用较少，只是在个别施工路段进行补强或为提前工期才使用这种混合料。随着经济的发展，国内大量高等级公路的修建，对基层的要求也在提高，国内一些高等级公路上已部分地应用了这种材料，其中，配合比选择是关键问题之一，按经验确定其配合比难免会造成不经济或效果不佳，从而影响或限制了这种基层材料的应用，这对生产或设计是一种损失。因此，研究水泥、石灰、粉煤灰等的最佳配合比，为生产、设计部门根据材料来源情况，决定是否采用这种混合料、确定各成分之间比例是很有意义的。

③国内粉煤灰、石灰和碎石在地基处理中的应用研究　粉煤灰、石灰和碎石混合料又称二灰碎石，是指以石灰、粉煤灰与碎石按一定的配比混合，加水拌匀，经摊铺、碾压、养护而成型的一种基层结构，它具有良好的板体性和较好的水稳性，被普遍应用于道路路面基层中。

随着二灰碎石基层在我国的大量使用，也逐渐发现该结构形式也存在着一些有待解决的问题，如早期强度低，影响交通及早开放；易在产生冲刷唧浆现象（唧浆是指地表水通过沥青碎石面层渗入基层，使基层软化、膨胀，在车辆荷载的连续作用下，基层中细小颗粒从面层空隙喷射出来的现象），易在强度形成及使用过程中，因温度变化产生温度收缩裂缝和因含量变化产生干缩裂缝等。这方面辽宁省交通高等专科学校的刘炜等研究了二灰稳定碎石原材料分析与使用要求。并制定了原材料应用性能指标，同时分析了现行规范在基层集料级配范围上的不足之处，给出了合理的集料级配范围。从全国的情况来看：采用现行施工规范的二灰碎石结构层所暴露出来的粒料偏细、收缩性大、反射裂缝严重等问题也日益突出。究其原因主要因为二灰碎石混合料的配合比不当，碎石骨料级配不合理。故推荐高等级公路二灰碎石基层使用粗集料由10～30mm和5～10mm的碎石配置。我国现行规范《公路路面基层施工规范》（JTJ 034—2000）中二灰碎石的集料级配采用方孔标准筛，并对各筛孔的集料通过量进行了调整。其中规定，二灰稳定级配集料用作二级及二级以上高等级公路路面基层时，混合料中集料的重量应占80%～85%，集料的最大粒径不应超过31.5mm。

④国内粉煤灰、水泥在地基处理中的应用研究　粉煤灰、水泥作为地基的稳定材料在这方面研究和应用较少，在未来有很大的研究和利用价值。青海省交通建设工程质量监督站的咎勇杰应用正交试验设计对粉煤灰砂砾强度的影响因素进行了探讨。应用正交试验设计法确定了水泥粉煤灰砂砾混合料的配比。分析了影响水泥粉煤灰砂砾混合料强度指标的主要因素。提出了水泥粉煤灰砂砾在高寒西宁地区强度形成机理。

⑤国内粉煤灰、石灰在地基处理中的应用研究　石灰、粉煤灰和素土的混合物在工程中通常被称为二灰土，是利用废料粉煤灰、石灰与土料混合作为地基回填土的一种新型材料。我国20世纪80年代以来将其应用于公路领域，以代替传统的灰土或素填土，既提高了工程质量，又利用了本为废料的粉煤灰，变废为宝，节省了石灰和土料。

二灰土不但可作为回填土，也可作为灰土桩。沈阳建筑大学土木工程学院的李立新，贺小项等做了粉煤灰掺量对石灰桩性能的影响的研究。方法是采用试验的方法对粉煤灰石灰桩的力学性能进行实验室试验，并分析了试验所用原材料的化学成分。通过6大组试件试验，研究了不同龄期、不同粉煤灰掺量情况下，粉煤灰石灰桩无侧限抗压强度的变化趋势。结果显示，煤灰石灰桩28d的无侧限抗压强度平均值分别为0.29MPa和0.39MPa，此时的粉煤灰石灰桩，在28d时存在较低的无侧限抗压强度，这种材料配合比的粉煤灰石灰桩可以用于软土地基的处理。

在公路路基中二灰土也应用较广。中铁十一局的贾江立等针对某公路路基场地地质条件，对粉煤灰改善土的强度性能和膨胀性能等方面进行了探讨。

从试验中可以看出掺入石灰、粉煤灰的强度的规律性。当石灰与粉煤灰的比例在1∶2时，灰土的强度达到0.83MPa，当石灰与粉煤灰的比例在1∶3时，强度可以达到1.19MPa，当石灰与粉煤灰的比例在1∶4时，强度有所降低，达到1.06MPa。

⑥国内纯粉煤灰筑灰坝　水力冲填法筑坝是一种施工方式，主要用于电厂贮灰坝的建设。电厂贮灰坝的建设方法有两种方法：土石坝和粉煤灰坝。土石坝建造贮灰坝，安全性高，稳定性好，可以大大降低工程造价，同时，该法施工上不用大型设备，又可以保护环境。对于水力冲填法粉煤灰筑坝技术由于是刚兴起的施工方法，还处于初期应用阶段，该施工技术方法上还不成熟、施工经验方面还不完善以及设计、施工参数的不确定性和设计施工的不规范性等原因，对于不同灰场不同粉煤灰的水力冲填筑坝需结合实际情况，进行专门的试验，确定设计、施工中的有关参数。

2.6.3 砂浆掺合料

粉煤灰砂浆系用粉煤灰取代或部分取代传统建筑砂浆中某些组分或为改善某种性能的砂浆。

粉煤灰砂浆按用途可以分为：砌筑用粉煤灰砂浆、抹灰用粉煤灰砂浆、填充用粉煤灰砂浆三类。砌筑用粉煤灰砂浆称为砌筑粉煤灰砂浆，适用于各种砌筑工程；抹灰用粉煤灰砂浆称为粉煤灰抹灰砂浆，亦称为粉煤灰粉刷砂浆，其中，按应用部位又可分为内墙抹灰粉煤灰砂浆和外墙抹灰用粉煤灰砂浆；填充用粉煤灰砂浆称为粉煤灰填充用砂浆或称为粉煤灰压力灌浆，适用于室内地坪垫层、屋面罩坡垫层、建筑工程间隙填充等用途。

砂浆中的粉煤灰取代水泥率可根据其设计强度等级及使用要求参照表2-65的推荐值选用。