粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)和耐久性的影響的研究

朱 利

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211188）

粉煤灰作為工業(yè)廢料，一直對(duì)環(huán)境污染造成很大的危害，2015年我國(guó)年產(chǎn)量可達(dá) 5億噸之多。如何把粉煤灰變廢為寶，是幾十年來(lái)科研工作者們一直努力的方向。現(xiàn)在粉煤灰可以制成粉煤灰磚、粉煤灰水泥、粉煤灰砌塊、粉煤灰混凝土等等建筑材料。由于粉煤灰是一種火山灰質(zhì)材料，在常溫下粉煤灰可以進(jìn)行二次水化反應(yīng)，生成難溶的 H-S-C，這種膠體填充了混凝土內(nèi)部的孔隙，提高了混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性。粉煤灰的獨(dú)特的微觀形態(tài)使得粉煤灰摻加到混凝土中，提高了混凝土的和易性，在不改變混凝土的和易性的前提下，可以減少混凝土的用水量；在不改變混凝土的水灰比的前提下，可以減少水泥的用量。粉煤灰的綜合利用不僅可以節(jié)約水泥，降低工程材料成本，對(duì)節(jié)約能源，減少環(huán)境污染都有不可估量的作用。

一、在進(jìn)行本項(xiàng)試驗(yàn)研究之前，先給介紹一個(gè)試驗(yàn)中的參數(shù)

1、粉煤灰摻加量

在高性能混凝土中采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰是目前混凝土配制的普遍做法。發(fā)達(dá)國(guó)家早已把粉煤灰視為混凝土中必不可少的第六組分來(lái)對(duì)待。許多國(guó)家的試驗(yàn)結(jié)論已經(jīng)明確指出：粉煤灰對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)及耐久性的提高有著顯著的貢獻(xiàn)。其取代水泥量一般為25-40%。英國(guó)雪非耳大學(xué)試驗(yàn)證明：粉煤灰摻加量為30%的情況下。能滿足混凝土的強(qiáng)度和易性等方面的要求。本文試驗(yàn)中粉煤灰取代量就根據(jù)這個(gè)參數(shù)設(shè)置的，分別設(shè)置粉煤灰的取代量為0%，5%，10%，15%，20%，25%，30%，還有的兩組摻量在10%和15%摻外加劑的試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比粉煤灰對(duì)混凝土的和易性、強(qiáng)度和耐久性能的影響，確定該粉煤灰的最佳摻加量。

2、粉煤灰混凝土強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度混凝土強(qiáng)度包括：抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度等。

就是按照計(jì)算的配合比，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，制得的標(biāo)準(zhǔn)試件，用標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)7D或28D，用標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法算得的強(qiáng)度值。本次試驗(yàn)測(cè)定了不同摻加量情況下粉煤灰混凝土7D、28D和120天的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度（軸心劈裂強(qiáng)度）。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究不同摻加量的粉煤灰對(duì)混凝土的強(qiáng)度的影響。

3、混凝土的耐久性

混凝土的耐久性是指混凝土在實(shí)際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長(zhǎng)期保持強(qiáng)度和外觀完整性的能力。簡(jiǎn)單地說(shuō)，混凝土材料的耐久性指標(biāo)一般包括：

抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性、混凝土的碳化等性質(zhì)。混凝土耐久性是一個(gè)綜合指標(biāo)。

混凝土的碳化性能是反應(yīng)混凝土老化程度的一個(gè)試驗(yàn)，碳化程度越深，證明混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用越弱，老化的越厲害。所以通過(guò)不同摻加粉煤灰的混凝土的在不同齡期（7d、28d、60d、75d、180d）的碳化深度的測(cè)定，來(lái)評(píng)價(jià)粉煤灰摻加量對(duì)粉煤灰混凝土碳化的影響。

二、試驗(yàn)原材料介紹

1、粉煤灰

牡丹江第二發(fā)電廠的干排灰，按GB1596-2005經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，屬于Ⅱ級(jí)灰。

2、水泥

試驗(yàn)中采用牡丹江水泥集團(tuán)生產(chǎn)的 P·O 42.5水泥，其性能指標(biāo)符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3、砂、石

試驗(yàn)中采用牡丹江砂石廠的江砂、石，經(jīng)檢驗(yàn)砂屬于中砂，碎石粒徑5-31.5mm，符合JGJ52-2006《普通混凝土用砂石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定。

4、外加劑

為充分發(fā)揮粉煤灰的活性效應(yīng)，我們結(jié)合粉煤灰參與水化反應(yīng)的特點(diǎn)，采用了高性能混凝土減水劑，符合GB8076-2008《混凝土外加劑》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

三、試驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)

1、粉煤灰混凝土的技術(shù)要求

對(duì)比混凝土配合比設(shè)計(jì)主要控制如下參數(shù)：設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C30，配置強(qiáng)度38.2MPa，坍落度70-90mm，粉煤灰不同摻加量的情況下，粉煤灰混凝土的配合比（材料用量除去砂石用量，因?yàn)樯笆昧棵拷M都一樣），見(jiàn)表1-1所示。其中第一組到第六組的試驗(yàn)中沒(méi)有摻加外加劑，只有第七組和第八組中摻入了外加劑。

2、粉煤灰混凝的試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件：采用機(jī)械拌合、振實(shí)臺(tái)振搗、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度 20±2℃，濕度 95%以上。制作標(biāo)準(zhǔn)的立方體，用標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，按照計(jì)算規(guī)則計(jì)算平均強(qiáng)度，填入表1-1中。

3、為測(cè)定粉煤灰對(duì)混凝土的作用效果，并以此判定粉煤灰用于混凝土中的最佳用量及合理的用法，我們?cè)谠囼?yàn)室條件下，以C30混凝土為對(duì)比基礎(chǔ)，改變粉煤灰取代水泥值，測(cè)定混凝土拌合物性能、硬化混凝土的物理力學(xué)性能及其耐久性能，并比較分析試驗(yàn)結(jié)果。

在對(duì)比混凝土基礎(chǔ)上按如下各量摻加量水泥 5%、10%、15%、20%、25%、30%。試驗(yàn)用混凝土配合比、拌合物性能及物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1-1所示。

表1 -1 粉煤灰混凝土拌合物的性能及物理力學(xué)性能指標(biāo)

四、試驗(yàn)結(jié)果分析

1、粉煤灰對(duì)混凝土拌合物性能的影響

從表 1-1中可以看出，摻入粉煤灰后混凝土拌合物的用水量、和易性、凝結(jié)時(shí)間都有不程度的變化。

4.1.1 用水量：

當(dāng)粉煤灰摻加量越多，粉煤灰顆粒的比表面積增大，粉煤灰顆粒所需吸附水自然增加，因此，粉煤灰用量越大，所需拌合水就越多。摻入粉煤灰，控制拌合物坍落度不變，則拌合物總用水量增加，水灰比就會(huì)變大。

4.1.2 拌合物的和易性：

混凝土拌合物的和易性是包括混凝土的流動(dòng)性（用坍落度表示）、粘聚性和保水性三個(gè)方面。我們這個(gè)試驗(yàn)是控制混凝土流動(dòng)性不變的情況下進(jìn)行的，但是在試驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)坍落度相同的情況下，摻粉煤灰越多，拌合物和易性越好，混凝土表面越光滑。這是因?yàn)榉勖夯冶戎兀?.00-2.40）較水泥輕，同樣重量粉煤灰的體積就大于水泥的體積，所以膠凝材料的漿體體積增加，會(huì)使混凝土有較好的塑性和粘性，粉煤灰的球形顆粒將有利于混凝土的流動(dòng)性。

4.1.3 凝結(jié)時(shí)間：

凝結(jié)時(shí)間測(cè)定是指當(dāng)混凝土貫入阻力3.5MPa、28MPa時(shí)的時(shí)間為混凝土的初凝時(shí)間、終凝時(shí)間。由表1-1可知，摻粉煤灰的混凝土的初凝時(shí)間與終凝時(shí)間都受粉煤灰摻加量的影響。粉煤灰用量越大，凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。

這是因?yàn)椋勖夯胰〈嗪螅嗔肯鄬?duì)減少，遇水后的總堿度降低，水化初產(chǎn)物始濃度下降，導(dǎo)致凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，當(dāng)與外加劑共同作用時(shí)，凝結(jié)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，這是由于二者緩凝作用相互疊加的結(jié)果。凝結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，給泵送混凝土帶來(lái)了運(yùn)輸和泵送的時(shí)間，因此在泵送混凝土中按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求必須摻二級(jí)以粉煤灰就是這個(gè)道理。

2、粉煤灰對(duì)混凝土物理力學(xué)性能的影響

由表1-1可知混凝土28天的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度都下降，摻加量越多，強(qiáng)度下降越大，主要是由于粉煤灰的水化反應(yīng)的速度非常緩慢，降低了混凝土的早期強(qiáng)度。

但是粉煤灰在水化產(chǎn)物堿性激發(fā)劑的情況下，會(huì)發(fā)生二次水化反應(yīng)，所以在粉煤灰混凝土的后期強(qiáng)度，特別是 120天的強(qiáng)度方面看，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度要比不摻粉煤灰的混凝土快，有外加劑的強(qiáng)度增長(zhǎng)更快。所以想要提高摻粉煤灰混凝土的強(qiáng)度最好摻加高效的減水劑。

3、粉煤灰對(duì)混凝土耐久性能的影響

綜上所知，混凝土的耐久性是一個(gè)綜合指標(biāo)，包括混凝土抗凍性、抗碳化性等性能，具體如下：

1、抗凍性能：

試驗(yàn)條件為：抗凍試件經(jīng)28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，開(kāi)始受凍試驗(yàn)，凍融制度采用慢凍法，-20℃凍4h；15-20℃水中融4h，經(jīng)250次循環(huán)后，混凝土的強(qiáng)度變化情況如表1-2所示：

表1 -2 粉煤灰混凝土的抗凍性指標(biāo)

從凍融后的試件外觀狀態(tài)看：除第六組外，其它都比較好，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，粉煤灰混凝土的凍融強(qiáng)度損失，隨粉煤灰取代水泥量的增加而增加，在取代量超過(guò)15%后，強(qiáng)度損失明顯加快。

混凝土中用粉煤灰取代水泥后，在早、中期水化產(chǎn)物減少，毛細(xì)孔增多，強(qiáng)度偏低。以粉煤灰混凝土 28d強(qiáng)度測(cè)定，即混凝土受凍前齡期較短時(shí)易凍壞，這在粉煤灰品質(zhì)較差，混凝土需水量相應(yīng)增加的情況下尤為突出。隨著粉煤灰的活性物質(zhì)發(fā)生二次水化反應(yīng)，使粉煤灰具有一定膠凝性，填充了水泥水化后微小孔隙，使混凝土密實(shí)度得以提高。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，其抗凍性增強(qiáng)。

3、抗碳化性：

試驗(yàn)條件：碳化試件成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，烘干48小時(shí)，在溫度20±5℃，二氧化碳濃度為20±3%，濕度為70±5%的碳化箱內(nèi)進(jìn)行碳化試驗(yàn)，結(jié)果如下1-3所示：

表1 -3 粉煤灰混凝土抗碳化性能指標(biāo)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)同組摻量的情況下，粉煤灰混凝土的碳化深度隨齡期增加而加深；在同一齡期下，沒(méi)摻外加劑的混凝土碳化深度隨粉煤灰取代水泥量的增加而加深。摻外加劑的混凝土的碳化深度缺大大減少。

在抗壓強(qiáng)度與碳化速率關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果表明，摻粉煤灰混凝土的碳化速率均不同程度的高于同強(qiáng)度的基準(zhǔn)混凝土。只有當(dāng)前者的強(qiáng)度超過(guò)后者一定幅度時(shí)，兩者才可能有相同的抗碳化能力。這是因?yàn)榉勖夯胰〈嗪笫炝蠑?shù)量減少，堿度降低的結(jié)果。但是隨著齡期延長(zhǎng)，火山灰反應(yīng)不斷增強(qiáng)，達(dá)到一定齡期時(shí)，抗?jié)B性的提高彌補(bǔ)了堿度低的不足，粉煤灰混凝土的碳化速率就可能與同齡期的基準(zhǔn)混凝土相同甚至比后者更小。在實(shí)際工程中，由于大氣中二氧化碳濃度極低，碳化進(jìn)程十分緩慢，粉煤灰混凝土的抗碳化能力有可能隨著火山灰反應(yīng)程度的不斷提高，而得到較好的改善。

五、結(jié)論

牡丹江第二發(fā)電廠的粉煤灰屬二級(jí)干排灰。在不摻外加劑情況下，其取代水泥適宜用量為10%；當(dāng)摻入高性能減水劑后，其取代水泥適宜大于15%，具體的摻量還要根據(jù)減水劑的種類、水泥的品種等因素通過(guò)試驗(yàn)決定。

總之，粉煤灰在合理的摻加量?jī)?nèi)，會(huì)滿足混凝土28D的強(qiáng)度的要求，在粉煤灰混凝土的后期強(qiáng)度，特別是 120天的強(qiáng)度方面看，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度要比不摻粉煤灰的混凝土快，有外加劑的強(qiáng)度增長(zhǎng)更快。混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)了，該粉煤灰混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性都有所提高。但是最好改變摻加粉煤灰混凝土的特性的還是要加高效的外加劑。

[1]中國(guó)水利部，GBJ 146-1990《粉煤灰混泥凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1990年12月30日。

[2]中國(guó)建筑科學(xué)研究院，GB/T 50081-2003《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003年1月10日。

[3]中國(guó)建筑科學(xué)研究院，GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009年11月30日。