大摻量粉煤灰混凝土的應(yīng)用

   當(dāng)規(guī)范規(guī)定使用這種“綠色”材料之時(shí)，就是它的成功之日

    不久的將來，在你的一個(gè)工程項(xiàng)目中，可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)巨大的綠色龐然大物—即一幢采用大摻量粉煤灰混凝土建造的綠色建筑或一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。在高摻量粉煤灰的混凝土拌合物中，粉煤灰的取代量要比常規(guī)的大，在許多情況下，其摻量都要超過50%。從技術(shù)上看，這類混凝土拌合物設(shè)計(jì)中，粉煤灰所占的體積要比常規(guī)水泥所占的體積大些，這是由于水泥比重（3.15）與標(biāo)準(zhǔn)粉煤灰(2.54—2.65)比重的差異所致，因此，膠凝材料總體積也會(huì)有所增加。

    當(dāng)面對(duì)一個(gè)要使用或規(guī)定使用大摻量粉煤灰時(shí)，承包商或生產(chǎn)商必然會(huì)問“為何我們一定要用這種材料呢？”幾年前，就有人問起過，各種不同的環(huán)境友好型建筑方法中，怎樣才算是真正綠色呢？為此，美國綠色建筑委員會(huì)針對(duì)這個(gè)問題，開發(fā)出一種測(cè)定方法，并建立了一系列能讓業(yè)主（開發(fā)商）在設(shè)計(jì)和建設(shè)一個(gè)新項(xiàng)目時(shí)，就可以自動(dòng)完成的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

    用來對(duì)一個(gè)工程項(xiàng)目進(jìn)行“綠色度”評(píng)估的衡量標(biāo)準(zhǔn)中，其中一條就是把用到該工程項(xiàng)目中的所有 “后工業(yè)廢料”加起來。（美國綠色建筑委員會(huì)對(duì)后工業(yè)廢料的定義是：一種來自生產(chǎn)工藝的輸出物，該輸出物未作為一種消費(fèi)品進(jìn)行應(yīng)用，但該輸出物可以根據(jù)商業(yè)條款進(jìn)行銷售、貿(mào)易、或交換，并作為另一種工業(yè)加工的原料，否則，該輸出物將被用作填土、焚化或作為一種廢料進(jìn)行處理。）粉煤灰適合后工業(yè)廢料的定義?；炷林惺褂玫姆勖夯伊吭礁撸敲春蠊I(yè)廢料在一個(gè)工程項(xiàng)目中所占的百分比總量也越高。在一個(gè)工程項(xiàng)目中，由于混凝土所占的體積很大，因此，稍微增加粉煤灰的取代量，就會(huì)對(duì)其總再生利用量起很大的影響作用。如果“綠色度”是至關(guān)重要的，那么理所當(dāng)然，在設(shè)計(jì)中就應(yīng)盡量多用粉煤灰，從而最大限度地提高整個(gè)工程項(xiàng)目中的廢料再生利用量。

    初凝和強(qiáng)度
    當(dāng)然，到目前為止，這方面的討論大都是學(xué)術(shù)性的。作為一個(gè)承包商最關(guān)心的問題是：混凝土的外觀如何？混凝土的性能如何？而最為重要的是：其價(jià)格到底是多少？

    從技術(shù)上看，在進(jìn)行混凝土拌合物設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把兩個(gè)非常明確的要求考慮進(jìn)去：其一是初凝時(shí)間多久？其二是在某個(gè)齡期的強(qiáng)度應(yīng)多大？

    在許多項(xiàng)目中，混凝土的凝結(jié)時(shí)間是不明確的。但是，當(dāng)采用大摻量粉煤灰時(shí)，對(duì)于那些自己進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)的承包商來說，必須明確混凝土的凝結(jié)時(shí)間。大多數(shù)承包商所期望的凝結(jié)時(shí)間范圍是4-6小時(shí)，并且都認(rèn)為混凝土供應(yīng)商也知道這個(gè)凝結(jié)時(shí)間范圍。但是，當(dāng)涉及采用大摻量粉煤灰時(shí)，在召開施工前準(zhǔn)備會(huì)議時(shí)，很重要的一點(diǎn)就是讓每個(gè)相關(guān)的施工人員都明確知道混凝土的凝結(jié)時(shí)間要求。承包商所期望的凝結(jié)時(shí)間必須明確無誤，而混凝土供應(yīng)商在進(jìn)行大摻量粉煤灰設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

    要滿足這些要求，還必須把各種變化不定的氣候條件考慮進(jìn)去。如果一個(gè)工程項(xiàng)目的施工工期很長，它就會(huì)經(jīng)歷各種溫度高低的交替和變化，環(huán)境溫度和混凝土本身溫度都將對(duì)凝結(jié)時(shí)間產(chǎn)生重大的影響。這就是為什么對(duì)混凝土供應(yīng)商提供明確的預(yù)期凝結(jié)時(shí)間目標(biāo)和性能要求是至關(guān)重要的。不管任何環(huán)境溫度條件，承包商都應(yīng)明確表明其所期望的凝結(jié)時(shí)間。

    大量試驗(yàn)性證據(jù)表明，增加混凝土拌合物設(shè)計(jì)中的粉煤灰含量，也將增加其凝結(jié)時(shí)間。但是，情況并非一定如此。事實(shí)上，隨著外加劑技術(shù)的進(jìn)展和合理的配合比設(shè)計(jì)，大摻量粉煤灰混凝土拌合物設(shè)計(jì)已具有與常規(guī)混凝土相同的特征性能。參見圖1的檢測(cè)結(jié)果，任何一位承包商都會(huì)認(rèn)為這些是一種商品混凝土所具備的標(biāo)準(zhǔn)特性。但是，如果我告訴你它們是來自一種使用51%大摻量粉煤灰混凝土?xí)r，這些結(jié)果幾乎是難以置信的，特別是拌合物B和C的結(jié)果。

    事實(shí)上，這些檢測(cè)結(jié)果是對(duì)從前認(rèn)為大摻量粉煤灰混凝土不可能達(dá)到這些性能的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。圖1還包括了強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，所有這三種混凝土拌合物設(shè)計(jì)的28天強(qiáng)度，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了對(duì)商品混凝土的許多要求。

    抹面性
    當(dāng)所需獲得的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度被規(guī)定為明確的性能要求時(shí)，還有若干其他不明確的性能要求，其中最重要的是抹面質(zhì)量。大摻量粉煤灰混凝土?xí)a(chǎn)生最低（若有的話）的泌水。在模板內(nèi)成型的混凝土中，這不是個(gè)問題。但是，對(duì)于大面積平面和那些要采用硬抹面刀進(jìn)行抹面的場(chǎng)合，泌水對(duì)于抹面作業(yè)是必不可少的。如果無泌水，承包商將面對(duì)若干挑戰(zhàn)。首先，混凝土表面無水分，脫模作業(yè)后，水分幾乎會(huì)立刻從混凝土表面蒸發(fā)。蒸發(fā)的水分不會(huì)超過表面的含水量，但是，會(huì)超過在水泥凈漿中水泥和粉煤灰進(jìn)行水化所需的水分。這就是說，混凝土表面水泥凈漿將立刻開始干燥，并形成一層硬殼，導(dǎo)致快速塑性收縮。

    另一個(gè)有關(guān)大摻量粉煤灰混凝土的抹面問題是，抹面工需知道何時(shí)可開始使用硬抹面刀進(jìn)行抹面作業(yè)。在通常情況下，抹面工是采用“手指”測(cè)定法，即抹面工用其手指按一下混凝土表面，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、氣候條件和表面的阻力來決定是否可以進(jìn)行硬抹面作業(yè)。當(dāng)采用大摻量粉煤灰時(shí)，抹面工必須牢記“布丁現(xiàn)象”，即上層表面可能已硬化，但下層的混凝土拌合物可能仍處于流體狀態(tài)。圖1提供了常見的凝結(jié)時(shí)間以及采用大摻量粉煤灰混凝土在初凝過程中的不同特性。

圖1三種不同大摻量粉煤灰（51%取代量）混凝土拌合物初凝時(shí)間及28天圓柱體試件強(qiáng)度

    就普通混凝土而言，從新拌狀態(tài)到初凝過程中的特性一般呈線性發(fā)展，一旦初凝開始，混凝土仍將以穩(wěn)定一致的速率逐步硬化。而大摻量粉煤灰混凝土的新拌狀態(tài)持續(xù)時(shí)間較長，但是，到初凝所需的總體時(shí)間仍保持不變。對(duì)于承包商而言，這就意味著難以知道何時(shí)可開始進(jìn)行硬抹面作業(yè)，即不被表層“布丁現(xiàn)象”所蒙騙。使用硬抹面刀對(duì)大摻量粉煤灰混凝土如何進(jìn)行抹面的最好老師是現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。許多使用大摻量粉煤灰混凝土的商業(yè)結(jié)構(gòu)，最終常常會(huì)通過法律爭端的途徑來解決硬抹面作業(yè)所引起的混凝土供應(yīng)商、承包商、工程師和檢測(cè)機(jī)構(gòu)之間的責(zé)任問題。其中最常見的原因是：承包商對(duì)大摻量粉煤灰混凝土和純波特蘭水泥混凝土之間的差異缺乏了解，特別是在對(duì)大面積平面工程進(jìn)行抹面作業(yè)時(shí)，問題更為突出。

    但是，凝結(jié)時(shí)間僅僅是問題的一個(gè)方面，還有缺少泌水的問題。而泌水對(duì)于大多數(shù)采用機(jī)械抹面作業(yè)是必不可少的。某些承包商已采用緩蒸發(fā)劑來協(xié)助進(jìn)行初平作業(yè)。

    養(yǎng)護(hù)
    由于混凝土中缺少泌水和水分，對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)就顯得十分重要，當(dāng)然這取決于混凝土的應(yīng)用情況和抹面作業(yè)。要使混凝土工程獲得成功，采用一種積極的養(yǎng)護(hù)方法也是必不可少的。有兩種可供承包商選擇的養(yǎng)護(hù)方法：其一是采用水飽和養(yǎng)護(hù)環(huán)境；其二是采用養(yǎng)護(hù)劑。

    為了評(píng)估養(yǎng)護(hù)對(duì)強(qiáng)度的影響，我們進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以便比較兩種養(yǎng)護(hù)方法對(duì)取代量為51%的大摻量粉煤灰混凝土的影響。檢測(cè)結(jié)果表明，水飽和養(yǎng)護(hù)稍優(yōu)于養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)。但是，由于混凝土28天強(qiáng)度僅3000psi（約21MPa），因此，無論采用那種養(yǎng)護(hù)方法，都能達(dá)到該強(qiáng)度值。

    采用大摻量粉煤灰混凝土的大型基礎(chǔ)底板
    我們所了解的大多數(shù)有關(guān)大摻量粉煤灰混凝土的知識(shí)都來自現(xiàn)場(chǎng)的施工作業(yè)（有些則來自失敗的教訓(xùn)），因此，進(jìn)行一項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)案例研究，可以對(duì)使用大摻量粉煤灰混凝土的利弊獲得某些更為深入的了解。該項(xiàng)目于2005年4月8日在美國達(dá)拉斯破土動(dòng)工。這是一幢31層綱結(jié)構(gòu)公寓房，幕墻為蘭色玻璃，耗資1億美元，共有202個(gè)住宅單元，由加拿大溫哥華的James Cheng 建筑師設(shè)計(jì)。

    該建筑的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板為65 x 65 英尺，厚9英尺，2005年10月22日一次性連續(xù)澆筑量為1500立碼，每小時(shí)澆筑速度為300立碼，采用2臺(tái)52米的混凝土車泵。規(guī)定的混凝土28天強(qiáng)度為5600psi（約40MPa），根據(jù)目標(biāo)施工進(jìn)度，預(yù)期的3天強(qiáng)度需達(dá)到3000psi（約21MPa）。

    該大型基礎(chǔ)底板刻不容緩的問題是混凝土中的高水化熱、混凝土內(nèi)部高溫差和潛在的溫度裂縫。為了獲得所需的強(qiáng)度要求，需采用相當(dāng)高的水泥用量，致使上述的問題更為突出。為此，結(jié)構(gòu)工程師認(rèn)可在三種（56MPa，70MPa和84MPa）高強(qiáng)度混凝土拌合物中摻加取代量為35%的粉煤灰。這些高強(qiáng)混凝土分別用于該項(xiàng)目的混凝土墻體和立柱。

    在混凝土澆筑作業(yè)開工前的準(zhǔn)備會(huì)上，對(duì)最初所關(guān)注的溫度裂縫問題進(jìn)行了討論。建議采用取代量為51%的粉煤灰混凝土進(jìn)行該基礎(chǔ)底板的澆筑作業(yè)。該設(shè)計(jì)可降低大體積混凝土水化熱。此外，由于摻加了聚羧酸基超塑化劑，使該混凝土還具有自密實(shí)混凝土的功能。為了使水化和相應(yīng)的潛在的溫度裂縫降到最低，最后采用了28天強(qiáng)度為40MPa的大摻量粉煤灰混凝土配合比設(shè)計(jì)方案。

    雖然在準(zhǔn)備會(huì)期間，大家都覺得大摻量粉煤灰一定能解決許多問題。但是，項(xiàng)目經(jīng)理表示出對(duì)潛在成本價(jià)格上升的關(guān)注。最后，當(dāng)項(xiàng)目經(jīng)理、試驗(yàn)室工程師和預(yù)拌混凝土供應(yīng)商達(dá)成一致意見時(shí)，大家都對(duì)在基礎(chǔ)大底板中使用大摻量粉煤灰充滿了信心，結(jié)果也清楚地證明了我們的選擇是正確的。

    在本次施工案例中，使用的摻量粉煤灰并沒有增加成本，部分原因在于應(yīng)用場(chǎng)合。由于混凝土是應(yīng)用于基礎(chǔ)底板，無須抹面作業(yè)，施工方法也沒有發(fā)生任何變化，因此，混凝土的價(jià)格與我們支付給具有同等性能混凝土的價(jià)格相同。檢測(cè)顯示的混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果表明，7天時(shí)混凝土的強(qiáng)度就達(dá)到其28天的強(qiáng)度要求，遠(yuǎn)超過了規(guī)范要求。能夠獲得早期強(qiáng)度增長，也是非常重要的，因?yàn)樗苁刮覀儽３峙c急迫的工程進(jìn)度同步，并且還能給下一步施工作業(yè)騰出所需的模板和施工設(shè)備。

    決定使用大摻量粉煤灰
    本工程項(xiàng)目表明，對(duì)于施工方法變化極小的模板成型混凝土，加大摻量粉煤灰是一種很理想的方法。但是，當(dāng)必須采用特殊抹面作業(yè)時(shí)，使用大摻量粉煤灰的成本需根據(jù)項(xiàng)目的總成本進(jìn)行評(píng)估。這時(shí)，混凝土的價(jià)格就不僅僅是其銷售價(jià)了。在需要硬抹面刀抹面的應(yīng)用場(chǎng)合，施工方法必然變化，從而導(dǎo)致施工成本上升。

    但是，阻止更大規(guī)模應(yīng)用大摻量粉煤灰的最大障礙不是其技術(shù)性能，而是建筑師和工程師、承包商和混凝土供應(yīng)商的應(yīng)變能力。 就其最基礎(chǔ)的材性層面而言，大摻量粉煤灰混凝土仍然僅僅是混凝土而已。把大摻量粉煤灰需求引向市場(chǎng)的綠色建筑和可持續(xù)性設(shè)計(jì)必須懂得：平衡的兩側(cè)都存在著可變性。普通物理學(xué)中，每一種運(yùn)動(dòng)都存在于一種平衡體系并且還存在著反作用。大摻量粉煤灰的使用也會(huì)有來自施工業(yè)的反應(yīng)。的確如此，它可以獲得與常規(guī)混凝土的性能平衡，并且在價(jià)格可比的條件下，取得這一平衡。但是，如果其應(yīng)用場(chǎng)合發(fā)生變化，業(yè)主還必須愿意接受它給施工進(jìn)度，成本或?qū)@兩方面都會(huì)帶來的變化。