低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用研究

劉圍，丁華柱，都增延，黃賢德

（1重慶市東毅新型建材有限公司，重慶 401334；2重慶筑能建材有限公司，重慶 400713；3重慶建工新型建材有限公司，重慶 400012；4重慶賽華混凝土有限公司，重慶 401135）

0 引言

隨著我國建筑行業(yè)飛速發(fā)展，對礦物摻合料的利用已經(jīng)向環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的趨勢發(fā)展，粉煤灰作為一種優(yōu)質(zhì)礦物摻合料的綜合利用不僅可以保護(hù)環(huán)境，還可以產(chǎn)生良好的社會經(jīng)濟(jì)效益[1]。粉煤灰是一種高分散度的人工火山灰質(zhì)材料，主要化學(xué)成分是二氧化硅、三氧化鋁和三氧化二鐵，另外還含有未燃盡的碳粒、氧化鈣和少量的氧化鎂、三氧化硫等等[2-3]，其顆粒呈多孔性蜂窩狀組織，比表面積較大，具有較高吸附活性[4]。我國粉煤灰的密度和國外學(xué)者研究的粉煤灰密度略有差異，我國粉煤灰的密度大致在1.77～2.43g/cm3左右，而國外粉煤灰密度普遍比中國粉煤灰密度高[5]。

粉煤灰根據(jù)細(xì)度、需水量比和燒失量分為三個(gè)等級，即Ⅰ級粉煤灰、Ⅱ級粉煤灰和Ⅲ級粉煤灰。粉煤灰作為礦物摻合料如今已廣泛應(yīng)用于土木建筑的混凝土結(jié)構(gòu)中。粉煤灰用在土木建筑中能改善混凝土和易性，降低水化熱，提高混凝土抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕等性能。雖然我國對中高等品質(zhì)粉煤灰的利用率已經(jīng)很高，但低品質(zhì)粉煤灰的利用率仍然很低，造成環(huán)境污染。所以提高低品質(zhì)粉煤灰的利用率，對保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源有重要意義。該試驗(yàn)通過使用燒失量大的低品質(zhì)粉煤灰研究其性能和對混凝土的影響，為低品質(zhì)粉煤灰更好地應(yīng)用于混凝土提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)選用重慶拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的拉法基普通42.5R水泥，其化學(xué)成分見表1。

表1 水泥的化學(xué)成分

1.1.2 粉煤灰

試驗(yàn)使用的粉煤灰是中石化四川維尼綸廠提供的粉煤灰，分別粉磨2min、10min、18min、30min后得到四種不同比表面積（350m2/kg、400m2/kg、450m2/kg、500m2/kg）的粉煤灰。 粉煤灰的化學(xué)成分見表2。

表2 粉煤灰的主要化學(xué)成分

1.1.3 石灰石粉

試驗(yàn)采用比表面積為512m2/kg的石灰石粉，密度為2.71g/cm3。

1.1.4 細(xì)集料

試驗(yàn)采用機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.8，篩分析結(jié)果如表3所示。

1.1.5 粗集料

試驗(yàn)采用試驗(yàn)室自備粗骨料，其性能指標(biāo)見表4。

1.1.6 外加劑

試驗(yàn)使用的外加劑是科之杰新材料集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，減水率為20%。

1.2 試驗(yàn)方法

在研究低品質(zhì)粉煤灰的活性指數(shù)時(shí)，按照粉煤灰活性指數(shù)的測試方法配制基準(zhǔn)膠砂和受檢膠砂，其中基準(zhǔn)膠砂為水泥∶砂∶水=450∶1350∶225，受檢膠砂為水泥∶粉煤灰∶砂∶水=315∶135∶1350∶225。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d，測試其抗壓強(qiáng)度。

表3 機(jī)制砂的篩分析

表4 粗骨料的主要性能參數(shù)

在研究低品質(zhì)粉煤灰對膠砂流動度的影響時(shí)，用20%、30%、40%和50%的低品質(zhì)粉煤灰分別等質(zhì)量替代部分水泥，研究其各摻量下表面積對砂漿流動度的影響，基準(zhǔn)膠砂為水泥∶砂∶水=450∶1350∶225。

表5 C30混凝土配合比

圖1 不同細(xì)度粉煤灰活性指數(shù)比較

圖2 不同細(xì)度粉煤灰的膠砂流動度

在研究低品質(zhì)粉煤灰的膠砂強(qiáng)度時(shí)，試件的配合比和研究其膠砂流動度的試件配合比相同；在研究低品質(zhì)粉煤灰不同摻量對膠砂強(qiáng)度的影響時(shí)，使用比表面積為350m2/kg的低品質(zhì)粉煤灰；在研究低品質(zhì)粉煤灰細(xì)度對膠砂強(qiáng)度的影響時(shí)，用低品質(zhì)粉煤灰代替30%的水泥。將試件成型為40mm×40mm×160mm的棱形試體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)1d后拆模，分別測試其3d和28d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。在研究低品質(zhì)粉煤灰對混凝土性能的影響時(shí)，試驗(yàn)用低品質(zhì)粉煤灰配制C30混凝土，配合比如表5所示，其中F1代表粉煤灰比表面積為500m2/kg，F(xiàn)2代表粉煤灰比表面積為400m2/kg，F(xiàn)3代表粉煤灰比表面積為450m2/kg。

2 結(jié)果分析

2.1 低品質(zhì)粉煤灰的活性指數(shù)

試體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d測得其抗壓強(qiáng)度并計(jì)算低品質(zhì)粉煤灰的活性指數(shù)如圖1。

由圖1可以看出，粉煤灰的活性隨著粉煤灰細(xì)度的增加而增大，這是因?yàn)槟ゼ?xì)后的粉煤灰能有效提高粉煤灰的火山灰活性，而且粉煤灰細(xì)度越大，其活性指數(shù)也越高，有研究表明粉煤灰的細(xì)度與粉煤灰活性呈指數(shù)關(guān)系，但是對于不同品質(zhì)的粉煤灰情況不同，該試驗(yàn)使用的粉煤灰為低品質(zhì)粉煤灰，因此粉煤灰的活性也受其品質(zhì)的影響，雖然粉煤灰的活性指數(shù)隨著其比表面積的增大而增加，但增加趨勢逐漸趨于平緩。

2.2 低品質(zhì)粉煤灰對膠砂流動度的影響

圖2為低品質(zhì)粉煤灰不同細(xì)度對膠砂流動度的影響。由圖2可以看出粉煤灰不同摻量時(shí)，各組膠砂的流動度都隨著粉煤灰細(xì)度的增大而先增加后減小，這主要是因?yàn)榉勖夯翌w粒細(xì)小且多為球狀顆粒的玻璃體，其表面光滑致密，可充分發(fā)揮其物理填充作用，置換出更多水泥顆粒間的水，但當(dāng)粉煤灰的比表面積較大時(shí)，需要更多的水來潤濕其表面，此時(shí)物理填充作用不再是主導(dǎo)因素，比表面積的增加導(dǎo)致需水量的增加，因而膠砂流動度隨粉煤灰比表面積進(jìn)一步增加而開始降低。且低品質(zhì)粉煤灰摻量為20%和30%時(shí)，膠砂流動度在粉煤灰細(xì)度為400m2/kg時(shí)達(dá)到最大值，而低品質(zhì)粉煤灰摻量為40%和50%時(shí)，膠砂流動度在粉煤灰細(xì)度為450m2/kg時(shí)達(dá)到最大值。

2.3 低品質(zhì)粉煤灰對膠砂強(qiáng)度的影響

2.3.1 不同低品質(zhì)粉煤灰的摻量對膠砂強(qiáng)度的影響

按照配合比成型試體后，在養(yǎng)護(hù)3d和28d后分別測試試體的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果見表6所示。

表6 不同低品質(zhì)粉煤灰摻量對膠砂強(qiáng)度的影響

從表6可以看出，對于低品質(zhì)粉煤灰而言，其摻量越大，試體的抗折、抗壓強(qiáng)度都降低，且早期、后期強(qiáng)度都低于不摻粉煤灰組；對于高品質(zhì)粉煤灰而言，其早期強(qiáng)度可能略有下降，但后期強(qiáng)度會比基準(zhǔn)強(qiáng)度高。試驗(yàn)中使用的粉煤灰為低品質(zhì)的粉煤灰，其品質(zhì)較低且燒失量過大，導(dǎo)致隨著摻量增加，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度都會下降。

2.3.2 不同低品質(zhì)粉煤灰細(xì)度對水泥膠砂強(qiáng)度的影響

分別用不同細(xì)度的粉煤灰等量替代30%的水泥，按試驗(yàn)配合比成型試體，分別測試其3d和28d的抗折和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表7所示。

從表7可看出摻30%粉煤灰后，隨著粉煤灰細(xì)度增大，膠砂試體的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都有小幅度的增大，說明隨著粉煤灰細(xì)度的增大其活性也在增加，但抗折和抗壓強(qiáng)度都低于空白組，主要原因仍為使用的粉煤灰為低品質(zhì)粉煤灰，燒失量大，影響了膠砂試體的強(qiáng)度。

2.4 低品質(zhì)粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響

根據(jù)表5的配合比拌制混凝土，其測試結(jié)果見表8。

從結(jié)果來看，低品質(zhì)粉煤灰摻入到混凝土中能夠達(dá)到混凝土各項(xiàng)性能的要求，其中效果最好的兩組為S453和S454，強(qiáng)度分別達(dá)到了48.4MPa和48.9MPa。

表7 不同低品質(zhì)粉煤灰細(xì)度對膠砂強(qiáng)度的影響

表8 C30混凝土測試結(jié)果

3 結(jié)論

（1）低品質(zhì)粉煤灰的活性指數(shù)隨著其細(xì)度的增加而增加，但增加趨勢逐漸放緩。低品質(zhì)粉煤灰的膠砂流動度隨著細(xì)度的增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。膠砂流動度在粉煤灰比表面積為450m2/kg達(dá)到最大值。

（2）低品質(zhì)粉煤灰對膠砂強(qiáng)度會產(chǎn)生不利影響。

（3）低品質(zhì)粉煤灰能夠滿足混凝土的各項(xiàng)性能，所以能夠應(yīng)用在實(shí)際工程中。

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