粉煤灰對混凝土力學和耐久性的影響的研究

朱 利

（南京交通職業技術學院，江蘇南京 211188）

粉煤灰作為工業廢料，一直對環境污染造成很大的危害，2015年我國年產量可達 5億噸之多。如何把粉煤灰變廢為寶，是幾十年來科研工作者們一直努力的方向。現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材料，在常溫下粉煤灰可以進行二次水化反應，生成難溶的 H-S-C，這種膠體填充了混凝土內部的孔隙，提高了混凝土強度和抗滲性。粉煤灰的獨特的微觀形態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約水泥，降低工程材料成本，對節約能源，減少環境污染都有不可估量的作用。

一、在進行本項試驗研究之前，先給介紹一個試驗中的參數

1、粉煤灰摻加量

在高性能混凝土中采用優質粉煤灰是目前混凝土配制的普遍做法。發達國家早已把粉煤灰視為混凝土中必不可少的第六組分來對待。許多國家的試驗結論已經明確指出：粉煤灰對混凝土后期強度的增長及耐久性的提高有著顯著的貢獻。其取代水泥量一般為25-40%。英國雪非耳大學試驗證明：粉煤灰摻加量為30%的情況下。能滿足混凝土的強度和易性等方面的要求。本文試驗中粉煤灰取代量就根據這個參數設置的，分別設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。通過試驗對比粉煤灰對混凝土的和易性、強度和耐久性能的影響，確定該粉煤灰的最佳摻加量。

2、粉煤灰混凝土強度

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

就是按照計算的配合比，通過標準的試驗方法，制得的標準試件，用標準的養護方法養護7D或28D，用標準的計算方法算得的強度值。本次試驗測定了不同摻加量情況下粉煤灰混凝土7D、28D和120天的抗壓強度、抗折強度和抗拉強度（軸心劈裂強度）。通過試驗對比數據，進一步研究不同摻加量的粉煤灰對混凝土的強度的影響。

3、混凝土的耐久性

混凝土的耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長期保持強度和外觀完整性的能力。簡單地說，混凝土材料的耐久性指標一般包括：

抗滲性、抗凍性、抗侵蝕性、混凝土的碳化等性質。混凝土耐久性是一個綜合指標。

混凝土的碳化性能是反應混凝土老化程度的一個試驗，碳化程度越深，證明混凝土對鋼筋的保護作用越弱，老化的越厲害。所以通過不同摻加粉煤灰的混凝土的在不同齡期（7d、28d、60d、75d、180d）的碳化深度的測定，來評價粉煤灰摻加量對粉煤灰混凝土碳化的影響。

二、試驗原材料介紹

1、粉煤灰

牡丹江第二發電廠的干排灰，按GB1596-2005經過試驗檢測，屬于Ⅱ級灰。

2、水泥

試驗中采用牡丹江水泥集團生產的 P·O 42.5水泥，其性能指標符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》標準規定。

3、砂、石

試驗中采用牡丹江砂石廠的江砂、石，經檢驗砂屬于中砂，碎石粒徑5-31.5mm，符合JGJ52-2006《普通混凝土用砂石質量標準》規定。

4、外加劑

為充分發揮粉煤灰的活性效應，我們結合粉煤灰參與水化反應的特點，采用了高性能混凝土減水劑，符合GB8076-2008《混凝土外加劑》標準規定。

三、試驗步驟及數據

1、粉煤灰混凝土的技術要求

對比混凝土配合比設計主要控制如下參數：設計強度等級 C30，配置強度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，因為砂石用量每組都一樣），見表1-1所示。其中第一組到第六組的試驗中沒有摻加外加劑，只有第七組和第八組中摻入了外加劑。

2、粉煤灰混凝的試驗條件

試驗條件：采用機械拌合、振實臺振搗、標準養護溫度 20±2℃，濕度 95%以上。制作標準的立方體，用標準的試驗方法進行強度試驗，按照計算規則計算平均強度，填入表1-1中。

3、為測定粉煤灰對混凝土的作用效果，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，我們在試驗室條件下，以C30混凝土為對比基礎，改變粉煤灰取代水泥值，測定混凝土拌合物性能、硬化混凝土的物理力學性能及其耐久性能，并比較分析試驗結果。

在對比混凝土基礎上按如下各量摻加量水泥 5%、10%、15%、20%、25%、30%。試驗用混凝土配合比、拌合物性能及物理力學性能指標見表1-1所示。

表1 -1 粉煤灰混凝土拌合物的性能及物理力學性能指標

四、試驗結果分析

1、粉煤灰對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、凝結時間都有不程度的變化。

4.1.1 用水量：

當粉煤灰摻加量越多，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性（用坍落度表示）、粘聚性和保水性三個方面。我們這個試驗是控制混凝土流動性不變的情況下進行的，但是在試驗過程中，我們發現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。這是因為粉煤灰比重（2.00-2.40）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性。

4.1.3 凝結時間：

凝結時間測定是指當混凝土貫入阻力3.5MPa、28MPa時的時間為混凝土的初凝時間、終凝時間。由表1-1可知，摻粉煤灰的混凝土的初凝時間與終凝時間都受粉煤灰摻加量的影響。粉煤灰用量越大，凝結時間越長。

這是因為，粉煤灰取代水泥后，水泥量相對減少，遇水后的總堿度降低，水化初產物始濃度下降，導致凝結時間延長，當與外加劑共同作用時，凝結時間會更長，這是由于二者緩凝作用相互疊加的結果。凝結時間的延長，給泵送混凝土帶來了運輸和泵送的時間，因此在泵送混凝土中按照國家標準的要求必須摻二級以粉煤灰就是這個道理。

2、粉煤灰對混凝土物理力學性能的影響

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

但是粉煤灰在水化產物堿性激發劑的情況下，會發生二次水化反應，所以在粉煤灰混凝土的后期強度，特別是 120天的強度方面看，強度增長速度要比不摻粉煤灰的混凝土快，有外加劑的強度增長更快。所以想要提高摻粉煤灰混凝土的強度最好摻加高效的減水劑。

3、粉煤灰對混凝土耐久性能的影響

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

1、抗凍性能：

試驗條件為：抗凍試件經28天標準養護，開始受凍試驗，凍融制度采用慢凍法，-20℃凍4h；15-20℃水中融4h，經250次循環后，混凝土的強度變化情況如表1-2所示：

表1 -2 粉煤灰混凝土的抗凍性指標

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

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

3、抗碳化性：

試驗條件：碳化試件成型后標準養護28天，烘干48小時，在溫度20±5℃，二氧化碳濃度為20±3%，濕度為70±5%的碳化箱內進行碳化試驗，結果如下1-3所示：

表1 -3 粉煤灰混凝土抗碳化性能指標

從試驗結果可以看出，對同組摻量的情況下，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。

在抗壓強度與碳化速率關系的試驗結果表明，摻粉煤灰混凝土的碳化速率均不同程度的高于同強度的基準混凝土。只有當前者的強度超過后者一定幅度時，兩者才可能有相同的抗碳化能力。這是因為粉煤灰取代水泥后熟料數量減少，堿度降低的結果。但是隨著齡期延長，火山灰反應不斷增強，達到一定齡期時，抗滲性的提高彌補了堿度低的不足，粉煤灰混凝土的碳化速率就可能與同齡期的基準混凝土相同甚至比后者更小。在實際工程中，由于大氣中二氧化碳濃度極低，碳化進程十分緩慢，粉煤灰混凝土的抗碳化能力有可能隨著火山灰反應程度的不斷提高，而得到較好的改善。

五、結論

牡丹江第二發電廠的粉煤灰屬二級干排灰。在不摻外加劑情況下，其取代水泥適宜用量為10%；當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減水劑的種類、水泥的品種等因素通過試驗決定。

總之，粉煤灰在合理的摻加量內，會滿足混凝土28D的強度的要求，在粉煤灰混凝土的后期強度，特別是 120天的強度方面看，強度增長速度要比不摻粉煤灰的混凝土快，有外加劑的強度增長更快。混凝土的強度增長了，該粉煤灰混凝土的抗滲性、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]中國水利部，GBJ 146-1990《粉煤灰混泥凝土應用技術規范》，北京，中國建筑工業出版社，1990年12月30日。

[2]中國建筑科學研究院，GB/T 50081-2003《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，北京，中國建筑工業出版社，2003年1月10日。

[3]中國建筑科學研究院，GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，北京，中國建筑工業出版社，2009年11月30日。