大掺量粉煤灰混凝土的应用

   当规范规定使用这种“绿色”材料之时，就是它的成功之日

    不久的将来，在你的一个工程项目中，可能会出现一个巨大的绿色庞然大物—即一幢采用大掺量粉煤灰混凝土建造的绿色建筑或一个可持续发展的设计项目。在高掺量粉煤灰的混凝土拌合物中，粉煤灰的取代量要比常规的大，在许多情况下，其掺量都要超过50%。从技术上看，这类混凝土拌合物设计中，粉煤灰所占的体积要比常规水泥所占的体积大些，这是由于水泥比重（3.15）与标准粉煤灰(2.54—2.65)比重的差异所致，因此，胶凝材料总体积也会有所增加。

    当面对一个要使用或规定使用大掺量粉煤灰时，承包商或生产商必然会问“为何我们一定要用这种材料呢？”几年前，就有人问起过，各种不同的环境友好型建筑方法中，怎样才算是真正绿色呢？为此，美国绿色建筑委员会针对这个问题，开发出一种测定方法，并建立了一系列能让业主（开发商）在设计和建设一个新项目时，就可以自动完成的衡量标准。

    用来对一个工程项目进行“绿色度”评估的衡量标准中，其中一条就是把用到该工程项目中的所有 “后工业废料”加起来。（美国绿色建筑委员会对后工业废料的定义是：一种来自生产工艺的输出物，该输出物未作为一种消费品进行应用，但该输出物可以根据商业条款进行销售、贸易、或交换，并作为另一种工业加工的原料，否则，该输出物将被用作填土、焚化或作为一种废料进行处理。）粉煤灰适合后工业废料的定义。混凝土中使用的粉煤灰量越高，那么后工业废料在一个工程项目中所占的百分比总量也越高。在一个工程项目中，由于混凝土所占的体积很大，因此，稍微增加粉煤灰的取代量，就会对其总再生利用量起很大的影响作用。如果“绿色度”是至关重要的，那么理所当然，在设计中就应尽量多用粉煤灰，从而最大限度地提高整个工程项目中的废料再生利用量。

    初凝和强度
    当然，到目前为止，这方面的讨论大都是学术性的。作为一个承包商最关心的问题是：混凝土的外观如何？混凝土的性能如何？而最为重要的是：其价格到底是多少？

    从技术上看，在进行混凝土拌合物设计时，应把两个非常明确的要求考虑进去：其一是初凝时间多久？其二是在某个龄期的强度应多大？

    在许多项目中，混凝土的凝结时间是不明确的。但是，当采用大掺量粉煤灰时，对于那些自己进行混凝土浇筑作业的承包商来说，必须明确混凝土的凝结时间。大多数承包商所期望的凝结时间范围是4-6小时，并且都认为混凝土供应商也知道这个凝结时间范围。但是，当涉及采用大掺量粉煤灰时，在召开施工前准备会议时，很重要的一点就是让每个相关的施工人员都明确知道混凝土的凝结时间要求。承包商所期望的凝结时间必须明确无误，而混凝土供应商在进行大掺量粉煤灰设计时，必须明确这个设计目标。

    要满足这些要求，还必须把各种变化不定的气候条件考虑进去。如果一个工程项目的施工工期很长，它就会经历各种温度高低的交替和变化，环境温度和混凝土本身温度都将对凝结时间产生重大的影响。这就是为什么对混凝土供应商提供明确的预期凝结时间目标和性能要求是至关重要的。不管任何环境温度条件，承包商都应明确表明其所期望的凝结时间。

    大量试验性证据表明，增加混凝土拌合物设计中的粉煤灰含量，也将增加其凝结时间。但是，情况并非一定如此。事实上，随着外加剂技术的进展和合理的配合比设计，大掺量粉煤灰混凝土拌合物设计已具有与常规混凝土相同的特征性能。参见图1的检测结果，任何一位承包商都会认为这些是一种商品混凝土所具备的标准特性。但是，如果我告诉你它们是来自一种使用51%大掺量粉煤灰混凝土时，这些结果几乎是难以置信的，特别是拌合物B和C的结果。

    事实上，这些检测结果是对从前认为大掺量粉煤灰混凝土不可能达到这些性能的一个重大挑战。图1还包括了强度检测结果，所有这三种混凝土拌合物设计的28天强度，都远远超出了对商品混凝土的许多要求。

    抹面性
    当所需获得的凝结时间和强度被规定为明确的性能要求时，还有若干其他不明确的性能要求，其中最重要的是抹面质量。大掺量粉煤灰混凝土会产生最低（若有的话）的泌水。在模板内成型的混凝土中，这不是个问题。但是，对于大面积平面和那些要采用硬抹面刀进行抹面的场合，泌水对于抹面作业是必不可少的。如果无泌水，承包商将面对若干挑战。首先，混凝土表面无水分，脱模作业后，水分几乎会立刻从混凝土表面蒸发。蒸发的水分不会超过表面的含水量，但是，会超过在水泥净浆中水泥和粉煤灰进行水化所需的水分。这就是说，混凝土表面水泥净浆将立刻开始干燥，并形成一层硬壳，导致快速塑性收缩。

    另一个有关大掺量粉煤灰混凝土的抹面问题是，抹面工需知道何时可开始使用硬抹面刀进行抹面作业。在通常情况下，抹面工是采用“手指”测定法，即抹面工用其手指按一下混凝土表面，并根据经验、气候条件和表面的阻力来决定是否可以进行硬抹面作业。当采用大掺量粉煤灰时，抹面工必须牢记“布丁现象”，即上层表面可能已硬化，但下层的混凝土拌合物可能仍处于流体状态。图1提供了常见的凝结时间以及采用大掺量粉煤灰混凝土在初凝过程中的不同特性。

图1三种不同大掺量粉煤灰（51%取代量）混凝土拌合物初凝时间及28天圆柱体试件强度

    就普通混凝土而言，从新拌状态到初凝过程中的特性一般呈线性发展，一旦初凝开始，混凝土仍将以稳定一致的速率逐步硬化。而大掺量粉煤灰混凝土的新拌状态持续时间较长，但是，到初凝所需的总体时间仍保持不变。对于承包商而言，这就意味着难以知道何时可开始进行硬抹面作业，即不被表层“布丁现象”所蒙骗。使用硬抹面刀对大掺量粉煤灰混凝土如何进行抹面的最好老师是现场经验。许多使用大掺量粉煤灰混凝土的商业结构，最终常常会通过法律争端的途径来解决硬抹面作业所引起的混凝土供应商、承包商、工程师和检测机构之间的责任问题。其中最常见的原因是：承包商对大掺量粉煤灰混凝土和纯波特兰水泥混凝土之间的差异缺乏了解，特别是在对大面积平面工程进行抹面作业时，问题更为突出。

    但是，凝结时间仅仅是问题的一个方面，还有缺少泌水的问题。而泌水对于大多数采用机械抹面作业是必不可少的。某些承包商已采用缓蒸发剂来协助进行初平作业。

    养护
    由于混凝土中缺少泌水和水分，对混凝土进行养护就显得十分重要，当然这取决于混凝土的应用情况和抹面作业。要使混凝土工程获得成功，采用一种积极的养护方法也是必不可少的。有两种可供承包商选择的养护方法：其一是采用水饱和养护环境；其二是采用养护剂。

    为了评估养护对强度的影响，我们进行了现场试验，以便比较两种养护方法对取代量为51%的大掺量粉煤灰混凝土的影响。检测结果表明，水饱和养护稍优于养护剂养护。但是，由于混凝土28天强度仅3000psi（约21MPa），因此，无论采用那种养护方法，都能达到该强度值。

    采用大掺量粉煤灰混凝土的大型基础底板
    我们所了解的大多数有关大掺量粉煤灰混凝土的知识都来自现场的施工作业（有些则来自失败的教训），因此，进行一项现场案例研究，可以对使用大掺量粉煤灰混凝土的利弊获得某些更为深入的了解。该项目于2005年4月8日在美国达拉斯破土动工。这是一幢31层纲结构公寓房，幕墙为兰色玻璃，耗资1亿美元，共有202个住宅单元，由加拿大温哥华的James Cheng 建筑师设计。

    该建筑的结构基础底板为65 x 65 英尺，厚9英尺，2005年10月22日一次性连续浇筑量为1500立码，每小时浇筑速度为300立码，采用2台52米的混凝土车泵。规定的混凝土28天强度为5600psi（约40MPa），根据目标施工进度，预期的3天强度需达到3000psi（约21MPa）。

    该大型基础底板刻不容缓的问题是混凝土中的高水化热、混凝土内部高温差和潜在的温度裂缝。为了获得所需的强度要求，需采用相当高的水泥用量，致使上述的问题更为突出。为此，结构工程师认可在三种（56MPa，70MPa和84MPa）高强度混凝土拌合物中掺加取代量为35%的粉煤灰。这些高强混凝土分别用于该项目的混凝土墙体和立柱。

    在混凝土浇筑作业开工前的准备会上，对最初所关注的温度裂缝问题进行了讨论。建议采用取代量为51%的粉煤灰混凝土进行该基础底板的浇筑作业。该设计可降低大体积混凝土水化热。此外，由于掺加了聚羧酸基超塑化剂，使该混凝土还具有自密实混凝土的功能。为了使水化和相应的潜在的温度裂缝降到最低，最后采用了28天强度为40MPa的大掺量粉煤灰混凝土配合比设计方案。

    虽然在准备会期间，大家都觉得大掺量粉煤灰一定能解决许多问题。但是，项目经理表示出对潜在成本价格上升的关注。最后，当项目经理、试验室工程师和预拌混凝土供应商达成一致意见时，大家都对在基础大底板中使用大掺量粉煤灰充满了信心，结果也清楚地证明了我们的选择是正确的。

    在本次施工案例中，使用的掺量粉煤灰并没有增加成本，部分原因在于应用场合。由于混凝土是应用于基础底板，无须抹面作业，施工方法也没有发生任何变化，因此，混凝土的价格与我们支付给具有同等性能混凝土的价格相同。检测显示的混凝土抗压强度结果表明，7天时混凝土的强度就达到其28天的强度要求，远超过了规范要求。能够获得早期强度增长，也是非常重要的，因为它能使我们保持与急迫的工程进度同步，并且还能给下一步施工作业腾出所需的模板和施工设备。

    决定使用大掺量粉煤灰
    本工程项目表明，对于施工方法变化极小的模板成型混凝土，加大掺量粉煤灰是一种很理想的方法。但是，当必须采用特殊抹面作业时，使用大掺量粉煤灰的成本需根据项目的总成本进行评估。这时，混凝土的价格就不仅仅是其销售价了。在需要硬抹面刀抹面的应用场合，施工方法必然变化，从而导致施工成本上升。

    但是，阻止更大规模应用大掺量粉煤灰的最大障碍不是其技术性能，而是建筑师和工程师、承包商和混凝土供应商的应变能力。 就其最基础的材性层面而言，大掺量粉煤灰混凝土仍然仅仅是混凝土而已。把大掺量粉煤灰需求引向市场的绿色建筑和可持续性设计必须懂得：平衡的两侧都存在着可变性。普通物理学中，每一种运动都存在于一种平衡体系并且还存在着反作用。大掺量粉煤灰的使用也会有来自施工业的反应。的确如此，它可以获得与常规混凝土的性能平衡，并且在价格可比的条件下，取得这一平衡。但是，如果其应用场合发生变化，业主还必须愿意接受它给施工进度，成本或对这两方面都会带来的变化。