粉煤灰需水量對混凝土用水量及外加劑摻量的影響

付轉霞

（青海祁連山水泥有限公司，青海 西寧 811604）

0 引言

如今隨著混凝土技術的發展與進步，尤其是大體積混凝土、水下混凝土的廣泛應用，粉煤灰已成為這些混凝土所必需的材料。粉煤灰是電廠煤粉爐煙道氣體中收集的固體粉末，它的主要氧化物組成有：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。通常情況下粉煤灰本身無膠凝性，但它能與石灰或水泥熟料水化時釋放出的 Ca(OH)2發生反應，生成具有膠凝性的水化產物，這一反應稱為火山灰反應。粉煤灰加入混凝土中可以提高混凝土的和易性、后期強度、耐久性等性能，并且對降低混凝土水化溫升、延長混凝土凝結時間等起到非常重要的作用。

1 技術要求

對于粉煤灰的技術要求，在 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中有明確規定，粉煤灰按照煤的種類分為 F 類（有無煙煤或煙煤煅燒收集的粉煤灰）和 C 類（由褐煤或次煙煤煅燒收集的粉煤灰，其氧化鈣含量一般大于 10%），并且按照粉煤灰的品質又分為 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三個等級，具體見表 1 和表 2。

表1 拌制混凝土和砂漿用粉煤灰技術要求

2 粉煤灰重要檢測指標

在 GB/T 18736—2002《高強高性能混凝土用礦物外加劑》中也提到，礦物外加劑是生產高強高性能混凝土的組成材料之一，也是提高混凝土耐久性的重要措施。在混凝土攪拌過程中加入具有一定細度和活性的輔助膠凝材料，不僅可以取代部分水泥，改善新拌混凝土的工作性，而且能夠提高硬化后的混凝土性能（特別是混凝土耐久性）。由于礦物摻合料在混凝土中的應用一般取代部分水泥或細骨料，使其具有膠凝條件或自身就具有膠凝作用，因此礦物摻合料與水泥一起被視為膠凝材料。當前廣泛使用的礦物外加劑是磨細粉煤灰。作為攪拌站來說，使用的優質粉煤灰 28 天強度活性指數應不小于 70%，需水量比要控制在 105% 以內，這兩個重要指標在檢測控制中是有嚴格要求的。

粉煤灰第一重要指標“活性”主要來自活性 SiO2（玻璃體 SiO2）和活性 Al2O3（玻璃體 Al2O3）和 f-CaO（游離氧化鈣）都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏（CaSO4）的形式存在，它對粉煤灰早期強度的發揮有一定作用，因此粉煤灰中的硫對粉煤灰活性也是有利組成。粉煤灰中的鈣含量在 3% 左右，它對膠凝體的形成是有利的。粉煤灰是以顆粒形狀存在的，且這些顆粒的礦物組成、粒徑大小、形態各不相同，通常將其形狀分為珠狀顆粒和渣狀顆粒兩大類。顯微鏡下觀察，粉煤灰由多種粒子構成，其中珠狀顆粒包括空心玻珠、厚壁及實心微珠、鐵珠、炭粒、不規則玻璃體和多孔玻璃體等五大品種。其中不規則玻璃體是粉煤灰中較多的顆粒之一，大多是由似球和非球形的各種渾圓度不同的粘連體顆粒組成。有的粘連體斷開后，其外觀和性質與各種玻璃球形體相同，其化學成分則略有不同。多孔玻璃體形似蜂窩，具有較大的表面積，易粘附其它碎屑，密度較小，融點比其他微珠偏低。渣狀顆粒包括海綿狀玻璃渣粒、炭粒、鈍角顆粒、碎屑和黏聚顆粒等五大品種。正是由于這些顆粒各自組成上的變化及組合上的比例不同，才直接影響到粉煤灰質量的優劣。現在市場上銷售的粉煤灰，大多是未充分燃燒的煤炭渣，經二次磨細，并且里面會加入石粉、煤矸石粉末等物質，大大降低了粉煤灰的活性及強度。兩種粉煤灰在顏色上就有很大差異，肉眼直觀，優質粉煤灰其顏色由乳白至灰色不等，用手研磨較細滑；劣質粉煤灰顏色泛黑灰色，用手研磨較粗，有黑色顆粒。對于混凝土來說，優質粉煤灰能夠等量替代水泥，達到減少水泥用量的效果，劣質粉煤灰只能超量摻加，緩解混凝土因膠材少而改善混凝土和易性的作用，無形之中增加了生產成本。

粉煤灰第二重要指標是“需水量比”，它與各齡期粉煤灰的強度貢獻成反比，需水量比愈小，粉煤灰的強度貢獻愈大。粉煤灰需水量比對強度貢獻的影響在養護期高于后期，在養護期 7d 左右的需水量比對強度的貢獻大于細度對強度的貢獻，即粉煤灰對混凝土的性能的影響在早期是物理作用，后期是化學作用。需水量比小的粉煤灰摻入混凝土后，有減水作用，不僅可以增進混凝土強度的發展，同時可以提高抗滲性及耐久性。

表2 水泥活性混凝土料用粉煤灰技術要求

3 不同粉煤灰對比圖樣

粉煤灰進廠后不同廠家應分庫存放，避免性能不同的粉煤灰存放在同一庫內，存放期超三個月的使用前須進行復檢，按復檢結果使用。通過大量試驗證明，當粉煤灰需水量比大于 105%、細度較大時，混凝土會出現用水量大、包裹性差、水灰比大、吸附外加劑能力強這四大弊病，需水量在 95%～100% 之間外加劑摻量較穩定，需水量在 100%～110% 之間時，外加劑摻量提高(0.3±0.1)%，需水量在 115% 左右時，外加劑摻量會提高 (0.6±0.1)%，而且混凝土拌合物坍落度損失大、和易性差、強度無法保障，所以粉煤灰要嚴格控制需水量比、燒失量、細度三個重要指標。對每車進廠粉煤灰進行取樣和檢測，取樣要有代表性，用加長取樣器在車前部、后部分別取樣，充分均化后制樣檢測，數據真實有可追溯性。在水泥和外加劑品質不變的情況下，快速檢測粉煤灰的需水量變化，為指導和穩定生產做好前期工作。圖 1 為兩種不同需水量比、不同細度的粉煤灰。

圖1 不同粉煤灰對比圖

4 配合比分析

以下是我試驗室以 C30 混凝土為例，用兩種不同粉煤灰做混凝土試驗。在粉煤灰需水量逐漸上升的情況下，考察混凝土拌合物的和易性、外加劑摻加量、用水量、水膠比的變化以及硬化后混凝土的強度變化。

4.1 原材料選用

（1）細集料：當地洗砂廠 Ⅱ 區中砂，含泥量3.5%，含石率 23.5%，顆粒級配 2.9，含水率 3.5%，空隙率 36%。

（2）粗集料：當地石料廠 5～25mm 碎石，含水率0.5%，壓碎值指標 8.6%，針片狀含量 4.8%。

（3）水泥：42.5 級普通硅酸鹽水泥。

（4）水：飲用水。

（5）外加劑：聚羧酸系高性能減水劑。

（6）粉煤灰 1：細度 15%，需水量比 93%，燒失量 1.3%。粉煤灰 2：細度 35%，需水量比 115%，燒失量 15.1%。

4.2 C30 混凝土配合比對比

使用粉煤灰 1 制備混凝土的配合比及抗壓強度數據見表 3。

表3 配合比試拌的混凝土拌合物和易性、流動性良好，可泵性能良好，混凝土柔軟。外加劑摻加量較穩定 1.6%，實際用水量為 180kg，水膠比 0.47，3d 標養強度 25.9MPa，達到設計強度的 86.3%，7d 標養強度34.6MPa，已達到設計強度的 115.3%，隨著齡期的增加，強度仍不斷上升，28d 強度 40.3MPa，達到設計強度的 134.3%。該配合比適用于大生產。優質粉煤灰顆粒細小，混凝土保水性好、不離析，并且細度小的粉煤灰，其活性較高。

使用粉煤灰 2 制備混凝土的配合比及抗壓強度數據見表 4。

表4 配合比試拌的混凝土拌合物和易性、保水性、流動性良好，可泵性能良好，混凝土柔軟。外加劑摻加量 1.5%，實際用水量 220kg，水膠比較大為 0.58，3d標養強度 12.0MPa，達到設計強度的 40%，7d 標養強度 22.6MPa，勉強達到設計強度的 70% 以上，雖然強度隨著齡期的增加而增加，但是 28d 強度 30.4MPa，因粉煤灰細度大、需水量高，混凝土耐久性差、實體混凝土碳化較深，加之混凝土在實際澆筑過程中會受養護不到位、施工方任意往混凝土拌合物內加水、外加劑摻加量小、水灰比大、泵損大、難施工等不利因素的影響，后期強度無法保障，帶來工程質量隱患。

因此，在粉煤灰不變的情況下，降低水灰比，提高外加劑摻加量，進行了試拌，配合比及強度見表 5。

表5 配合比試拌的混凝土拌合物較柔軟，但是保水性略差，易泌水，可泵性能一般。外加劑摻量 1.8%，實際用水量為 200kg，水膠比控制略大為 0.53，3d 標養強度 15.7MPa，達到設計強度的 52.3%，7d 標養強度23.4MPa，達到設計強度的 78%，盡管強度隨著齡期的增加而增加，28d 標養強度 33.6MPa，但是工作性能較差，不便于施工，配合比還需根據試驗作調整。混凝土的泌水性隨粉煤灰粒徑的減小和摻量的增減而減小。

通過第三組試驗認為，要保證混凝土強度穩定增長、工作性能好、便于施工，理論上就要降低水膠比、減少用水量、提高外加劑摻加量，第四組試驗見表 6。

表3 第一組混凝土配合比及強度

表4 第二組混凝土配合比及強度

表5 第三組混凝土配合比及強度

表6 第四組混凝土配合比及強度

表 6 配合比試拌的混凝土拌合物較干硬，靜置五分鐘后，出現嚴重泌水、抓底現象，均勻拌合后觀察，拌合物流動速度慢、干、硬、重，外加劑摻量 2.1%，實際用水量為 180kg，水膠比控制略大為 0.47，3d 標養強度 119.2MPa，達到設計強度的 64.0%，7d 標養強度 27.3MPa，達到設計強度的 91.0%，28d 標養強度35.9MPa，雖然混凝土強度達到設計要求，但是因混凝土無可泵性，工作性能極差，該配合比不能用于大生產。

5 試驗結果與分析

使用細度粗、需水量高的粉煤灰，混凝土和易性差，無可泵性和工作性能。外加劑摻加量不易過高，（調整外加劑含氣量仍無明顯效果），水膠比不易過小，若要確保施工性能，水膠比應控制在 0.5 以上，并且因用水量降不下來，水泥用量不宜降低，否則可泵性能極差。

6 結語

在同等用水量的情況下，優質粉煤灰拌制的混凝土不僅和易性、工作性能良好，而且根據齡期的增長，強度較劣質粉煤灰高 5MPa 左右，這為進一步優化配合比、降低生產成本提供了有利的數據支撐。使用優質粉煤灰取代部分水泥能減少混凝土的用水量，相應降低水膠比，可提高混凝土的密實性和抗滲性，并改善混凝土的抗化學侵蝕性，還能降低混凝土的干縮變形，特別是混凝土的早期收縮。對于需水量大的粉煤灰，應適當降低其摻量。粉煤灰在混凝土中起著至關重要的作用，在檢測和使用上要高度重視，根據澆筑部位、工程重要程度等情況使用不同質量和摻量的粉煤灰，為保證建筑物實體質量打好基礎。