粉煤灰含量對水泥混凝土工作性的影響研究

摘 要：通過粉煤灰替代部分水泥，研究了在低水膠比情況下，粉煤灰摻量變化對混凝土工作性的影響。結果表明，粉煤灰摻量對水泥混凝土的工作性有最直接的影響，在摻量0%—50%之間，隨著粉煤灰替代量的增加，水泥混凝土的工作性逐漸增大，粉煤灰摻量超過50%后混凝土工作性就開始下降，粉煤灰對混凝土的塌落度損失有明顯的延緩作用。

關鍵詞：粉煤灰；混凝土；工作性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.089

粉煤灰是火力發電廠燃燒煤粉后產生的“廢棄物”，近年來在倡導綠色建筑的形勢下，粉煤灰的綜合利用獲得了飛速的發展[1]，特別是在水泥混凝土中的應用獲得了較大的成功，不僅可以解決工業廢渣堆放及再利用，起到環境保護、節約土地資源的作用[2]。同時由于粉煤灰的特性，在混凝土中還起到改善工作性、提高后期強度、改善碳化性能等作用[3]。隨著近年來大流動和高強混凝土的應用，粉煤灰已經成為混凝土不可或缺的材料[4-5]。雖然粉煤灰在混凝土中應用已經非常普遍，但是在低水膠比情況下粉煤灰對水泥混凝土工作性的影響研究較少，本文在低水膠比情況下，通過粉煤灰取代水泥，研究了粉煤灰對水泥混凝土工作性的影響。

1 原材料及實驗方案

1.1 原材料

1.1.1 粉煤灰

杭州半山熱電廠產粉煤灰，經檢測為二級粉煤灰，具體性能指標見表1。

1.1.2 水泥

杭州市建德海螺水泥有限責任公司生產的海螺牌PO32. 5 普通硅酸鹽水泥，基本性能見表2。

1.1.3 砂

浙江嘉興地區普通河砂，具體性能指標見表3。

1.1.4 骨料

骨料：普通骨料，浙江省杭州市大通碎石場生產，技術指標如表4所示：

1.1.5 減水劑

杭州德松建材有限公司生產的高效聚羧酸類減水劑，各項檢測指標合格。

1.2 實驗方案

在低水膠比（0.33）的情況下，粉煤灰分別替代20%、30%、40%、50%、60%、70%水泥用量，然后進行工作性測定，研究粉煤灰摻量對混凝土工作性的影響情況。工作性的測定方法嚴格按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法》（GB/T50080-2016）進行。

2 實驗結果與分析

2.1 對混凝土工作性的影響

粉煤灰分別按照20%、30%、40%、50%、60%、70%用量替代等量水泥，拌制水泥混凝土試樣，然后測定其工作性，具體變化規律如圖1所示。

由圖1可以看出，在摻量0%—50%之間，隨著粉煤灰替代量的增加，水泥混凝土的工作性逐漸增大，說明在低水膠比情況下，粉煤灰對水泥混凝土的工作有直接的影響。原因是由于粉煤灰顆粒幾乎成致密的圓形顆粒，隨著摻量的增加混凝土的工作性也逐步增加。同時，由圖1還可以看，粉煤灰摻量從0%—20%之間混凝土工作性增加斜率大于粉煤灰摻量從20—50%，原因是隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰中細小的顆粒逐漸填充混凝土的空隙率，從而造成工作性增加逐漸降低；在粉煤灰摻量達到50%時混凝土的塌落度達到最大值，比不摻加粉煤灰的基礎混凝土工作性增加了80mm，增加了61.5%，也說明了粉煤灰對混凝土工作性的提高效果非常明顯。但是粉煤灰摻量超過50%后混凝土工作性就開始下降，隨著摻量的增加，工作性下降的更加明顯。原因是粉煤灰摻量超過“最佳摻量”后，粉煤灰中的微細顆粒幾乎填滿了混凝土的空隙，隨著摻量的再增加，使的混凝土變得干澀，從而造成工作性的下降。

2.2 對混凝土塌落度損失的影響

以粉煤灰最佳替代量50%時的摻量制作水泥混凝土，在保證初始塌落度相同的情況下，測定30min、1h、2h和3h時的塌落度損失情況，分析粉煤灰對混凝土塌落度損失的影響。

由圖2可以看出，在同樣的時間點上，摻粉煤灰的混凝土塌落度都大于基準混凝土的塌落度，說明粉煤灰對混凝土的塌落度損失有明顯的延緩作用。同時，在1.5小時之內，摻加粉煤灰的混凝土塌落度損失為0，這在實際的工程應用中有非常重要的現實意義。在規范要求的兩小時內，摻粉煤灰的混凝土比基準混凝土塌落度損失減小了15mm，隨著時間的推移，在3h時塌落度損失減少量更加明顯，減少了40mm。

2.3 粉煤灰摻量對混凝土強度的影響

在注入水量一定的情況下，分別使用10%、20%、30%、40%、50%的粉煤灰替代水泥，拌制混合混凝土并檢測其抗壓特性，基本變化規律如圖1展示。

由圖3可以看出，粉煤灰替代量的增多，水泥混凝土抗壓特性也是逐漸的下降，說明在粉煤灰添加的量對混凝土的該方面特性有直接的作用。分析認為原因是由于粉煤灰數量的增加，相應的水泥含量就逐漸減少，也就是膠凝材料的逐漸減少造成了水泥混凝土強度的逐漸降低。同時，由圖1還可以看，粉煤灰添加的量從0%—30%之間強度特性雖然也是在逐漸的下降，但是下降的程度較小，變化不太明顯；但是添加的量一旦高于30%之后，此材料的抗壓特性急速減弱。特別是粉煤灰加入的量由30%減弱至40%過程中，強度由52.7Mpa減弱至43.5Mpa，減弱程度高達17.5%，遠大于由0%至30%之間的下降速率，粉煤灰加入的量由40%下降到50%過程中，抗壓強度降低速率雖然小于粉煤灰加入量由30%到40%的減弱速率，但是也遠遠高于0%到30%的減弱速率，說明粉煤灰添加的量在30%時達到臨界值，添加的量在30%以內時對抗壓特性影響較小，超過30%后對抗壓特性的作用效果比較大，所以粉煤灰在該類混凝土中替代水泥的使用量一般不能超過30%。

2.4 粉煤灰在混凝土中的作用原理分析

粉煤灰是火力發電廠燃燒了磨細的煤炭后收集起來的粉塵，每個粉煤灰顆粒都是經過了充分的燃燒。根據以往實驗結果，總結出粉煤灰對水泥混凝土的影響主要包含形態效應、微骨料效應和火山灰效應。

（1）形態效應：通過電子顯微鏡觀察分析，粉煤灰顆粒大部分都是微小的圓形顆粒，由于燃燒的作用，表面光滑，特別類似于玻璃球狀態。這對于水泥混凝土而言，摻入粉煤灰替代同等水泥用量，能夠降低水的使用量，或者提高水泥混凝土的有關特性。

（2）微骨料效應：由于粉煤灰顆粒非常細小，特別是磨細粉煤灰更加明顯，70%以下都是小于0.075mm顆粒，添加的粉煤灰顆粒能夠補充混凝土里存在的微小間隔，個別甚至能夠補充兩顆粒中間形成的間隔。能夠明顯增強混凝土的緊密程度，進而改善水泥混凝土的抵抗滲漏的特性和抗壓強度。

（3）火山灰效應：該效應是粉煤灰的主要特征之一，基本原理是粉煤灰中的SiO2與反應產物Ca（OH）2發生二次同水發生的化學作用，生產具有粘結效應的水化硅酸鈣，從而增加混凝土中膠凝物質的含量，這是摻粉煤灰水泥后期強度較高的最主要原因。

3 結論

通過以上圖表和實驗數據可以得出以下結論：（1）粉煤灰摻量對水泥混凝土的工作性有最直接的影響；（2）在摻量0%—50%之間，隨著粉煤灰替代量的增加，水泥混凝土的工作性逐漸增大，粉煤灰摻量超過50%后混凝土工作性就開始下降；（3）粉煤灰對混凝土的塌落度損失有明顯的延緩作用。

參考文獻：

[1]呂新玲.粉煤灰對高性能混凝土工作性的影響[J].工程科技，2016（12）：234.

[2]米文瑜.粉煤灰對高性能混凝土工作性的影響研究[J].煤炭科學技術，2007（07）：77-79.

[3]蘇勝，岳素貞，米文瑜.粉煤灰影響高性能混凝土工作性的研究[J].華北科技學院學報，2005（09）：72-74.

[4]范召坤，趙賢，蔡其全.混凝土中粉煤灰、礦粉的應用[J].工業建筑，2010（40）：785-789.

[5]陳磊，周悅.談影響粉煤灰混凝土工作性的因素[J].粉煤灰綜合利用，2003（03）：35-36.

作者簡介：強強（1979-），男，陜西西安人，工程師，主要從事鐵路工程建設管理工作。