摻加粉煤灰和減水劑對混凝土性能影響之研究

楊 朋，王雪蓮，任志福，錢曉麗，余景良，張勁文，韓玉梅，彭 峰

廣州航海學院 航務工程學院，廣東 廣州 510725

為了改善混凝土相關性能，摻加粉煤灰和減水劑是兩種比較常用的方法。粉煤灰是一種常用于混凝土的外加材料，它可在室溫或者其它環境條件下(比如蒸汽、蒸壓養護等)與氫氧化鈣等金屬氫氧化物產生化學反應，從而可生成水硬性膠凝材料。粉煤灰可定義為一種能提高混凝土強度和增加混凝土耐久性的外加材料。減水劑是指能保證混凝土拌合物和易性及水泥用量不變的前提下，能夠明顯減少拌合水用量但能增加混凝土力學性能的有機材料或無機材料。在另一方面，在水泥混凝土拌合物的和易性及強度維持不變的環境下，使用高效減水劑可以明顯節約水泥的使用量［1-4］。恰當合理地使用高效減水劑能保證混凝土混合物的工作性能，增加施工和易性，減少混凝土中的容易出現的病害（比如窩狀，橫縱向裂紋等）［5］。為了研究粉煤灰和減水劑對混凝土的性能影響，本文選擇了工程上普遍使用的兩種產品，通過檢測3d～360d齡期的混凝土試件的強度，研究了粉煤灰和減水劑對混凝土性能參數的影響，分析了試驗數據結果，為二者的配合使用提供了長期試驗的數據支持。

1 本研究所用材料和相關檢測方法

1.1 材料

水泥材料采用華中某地產525型普通硅酸鹽水泥。粉煤灰采用某電廠生產的產品。減水劑采用某水泥外加劑公司生產的高效能減水劑（屬萘系）。砂采用北江河砂（細度模數為2.19）。砂石采用肇慶石廠產花崗巖集料。混凝土拌和用水符合相關標準。

1.2 試驗材料比例

本研究所采用的材料比例見表1、表2。兩表中，粉煤灰摻入方法使用超量取代法［6］。礦粉則采用等量取代法［6］，其所用的等代率是20%。

表1 摻粉煤灰混凝土配料表

表2 摻減水劑混凝土配料表

1.3 試件制備及成型

混凝土拌合物用雙臥軸強制式攪拌機混合攪拌。為了保障數據的可信度，隨機從拌合場的攪拌車中取料，嚴格按照相關規范要求抽取樣品。采用插搗加振動成型方法制作水泥混凝土試件。根據要求，試驗中不同的強度等級混凝土需要抽取一個不同的樣本。試驗測試計算720d以內各齡期的齡期系數（抗壓強度）。混凝土試件成型1d后立即進行拆模，將試件養生在于20±1℃的恒溫養護室并保持至28d。28d后，取出到期試件將其置于室內并養護到試驗規定的齡期。

1.4 公式計算

本試驗為合理地評價水泥對混凝土強度的影響規律，規定了3個評價參數，分別為：水泥的強度效應，灰強比，齡期系數。其中，水泥的強度效應可定義為：每kg水泥材料在混凝土材料中能夠產生的強度。灰強比可定義為為水泥混凝土達到一定抗壓強度所需要的水泥材料的重量。齡期系數則反映了不同齡期混凝土試件的抗壓強度與28d抗壓強度的比例關系。3個請加參數的具體分析方法見公式（1）、公式（2）和公式（3）：

式1中，G為貢獻率，P為不同齡期試件測得的強度（MPa），m（水泥）為試件所用水泥數量（kg）。

式2中，H為灰強比，P為不同齡期試件測得的強度（MPa），m（水泥）為試件所用水泥數量。

式3中，L為齡期系數，P為不同齡期試件測得的強度（MPa），P28為28d試件的強度。

2 摻加粉煤灰后混凝土試驗結果及分析

摻加粉煤灰后混凝土各方面性能參數的變化見圖1-圖4。從圖1中可以看出，隨著養護齡期的增加，兩種混凝土的強度不斷增加，在3～14d時間段，摻加粉煤灰的混凝土強度低于基準混凝土。在28～360d時間段，摻加粉煤灰的混凝土強度明顯高于基準混凝土。抗壓強度比先減小后增加到最大（180d），隨后又發生減小。這是因為粉煤灰等量取代水泥后，不但能降低膠凝材料中水泥含量，而且撥開了水泥顆粒間的距離，因而降低了形成凝膠網絡結構的速度。有科技工作者在文獻指出［7-10］，粉煤灰的潛在強度需要PH值在大于13.2～13.3的環境中才能完全發揮；另外，粉煤灰中低鈣灰的火山灰活性相當低，發揮潛在強度的能力相當緩慢，影響了水泥在混凝土強度效應的發揮，所以降低了混凝土的早期強度。圖2中水泥對混凝土強度貢獻率隨著齡期的增加，呈現先增加后減小再增加的趨勢。圖3中混凝土的灰強比隨著齡期的增加，在3～90d期間呈現不斷增加態勢。到達90d后，則出現不斷減小的趨勢。圖4中隨著齡期的增加，在3～40d期間基準混凝土的齡期系數高于摻粉煤灰混凝土；但到達40d后，摻粉煤灰混凝土的齡期系數大于基準混凝土的齡期系數，且呈現不斷增加態勢。以上數據能充分說明：摻粉煤灰混凝土強度存在早期發揮遲緩，但后期持續增長能力強，具有巨大的潛在強度特性，這也是粉煤灰對混凝土強度的最大貢獻。

圖1 兩種混凝土抗壓強度對比（摻加粉煤灰）

圖2 水泥對混凝土強度貢獻率對比（摻加粉煤灰）

圖3 兩種混凝土灰強比對比（摻加粉煤灰）

圖4 兩種混凝土齡期系數對比（摻加粉煤灰）

3 摻加減水劑后混凝土試驗結果及分析

摻加減水劑后混凝土各方面性能參數的變化見圖5-圖8。從圖5中可以看出，減水劑略能提高180d前的強度。在保持水灰比和塌落度與基準混凝土不變條件下，混凝土摻了減水劑后，即使水泥用量降低了12%，也略能提高180d前的混凝土強度。抗壓強度比在100%～115%之間波動，而后齡期略有下降。與摻加粉煤灰混凝土不同，摻加減水劑的混凝土的抗壓強度比呈現不同的規律。從圖6中可以看出，在3～28d時間段和28～180d時間段，抗壓強度比先減小后增大，180～360d時間段則持續減小。由于減水劑的摻入，主要是釋放被束縛在水泥漿中水泥顆粒間網狀結構中的自由水，并不影響水化產物-凝膠體的結構。所以混凝土強度能與基準混凝土基本保持一致。但后期強度的齡期系略有下降。可以說摻減水劑后的混凝土具有與基準混凝土基本相同的強度齡期系數。從圖7中可以看出，摻減水劑后，由于水泥用量降低了12.3%，但混凝土強度卻略有提高。所以，水泥強度效應產生了0.71～3.18的差值，平均強度效應（按各齡期平均值計）提高了0.025，即水泥的單位膠結能提高了0.025。從圖8可以看出，基準混凝土與摻粉煤灰混凝土的灰強比差值在不斷減小。從以上試驗結果可以看出，減水劑能顯著地提高水泥的單位膠結能，表明其能提高水泥對混凝土強度的貢獻。

圖5 兩種混凝土抗壓強度對比（摻加減水劑）

圖6 兩種混凝土齡期系數對比（摻加減水劑）

圖7 水泥對混凝土強度貢獻率對比（摻加減水劑）

圖8 兩種混凝土灰強比對比（摻加減水劑）

4 結論

本文研究了粉煤灰和減水劑對水泥混凝土性能參數的綜合影響，通過長時間段（3d～360d）試驗分析了二者對混凝土強度的影響規律。試驗發現由于粉煤灰和減水劑對混凝土強度貢獻規律不同，在實際工程使用中需要分析水泥混凝土的具體應用場合，然后再進行優選材料工作。