超細粉煤灰水泥復合材料的基本性能試驗研究

吳兆鋒 畢琛琛

（1.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250000；2.廣信檢測認證集團有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，特別是在發(fā)展中國家，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模越來越大，混凝土是現(xiàn)代建筑工程中使用最廣泛的材料之一。從提高熟料效率的角度來看，更細的超細熟料可以實現(xiàn)更密實的顆粒填充，并提高摻合料的反應(yīng)活性，制備結(jié)構(gòu)更密實、綜合性能更佳的粉煤灰水泥復合材料。該文研究了細粉煤灰和超細粉煤灰部分替代水泥制備的砂漿和粉煤灰混凝土，探索細粉煤灰、超細粉煤灰作為水泥替代物的最優(yōu)替代率，研究其對砂漿、混凝土等水泥復合材料和易性、力學性能和耐久性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗原材料

該研究使用P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥和P·S·A 42.5 級礦渣水泥，密度分別為2977kg/m3和2996kg/m3。普通硅酸鹽水泥CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和SO3分別占比65.4%、16.2%、3.8%、3.1%和4.8%，高爐礦渣水泥CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和SO3分別占比56.5%、23.1%、6.4%、1.8%和4.6%。試驗采用了2種類型的粉煤灰，即粒徑小于9.3mm 的細粉煤灰和粒徑小于4.6mm 的超細粉煤灰，密度分別為2542kg/m3和2518kg/m3，具體化學成分和燃燒損失量見表1。采用的天然河砂堆積密度為1638kg/m3，細度模數(shù)為2.5。粗骨料最大粒徑為35mm，細度模數(shù)為6.2。減水劑為PCE 型聚羧酸醚高效減水劑。

表1 細粉煤灰和超細粉煤灰的化學成分和燃燒損失量

1.2 試件制備

該試驗使用2 種水泥和5 種不同粉煤灰替代水平（0%、10%、20%、30%和50%）的細粉煤灰F1 和超細粉煤灰F2 進行了水泥砂漿的制備。水泥、砂和水之間的比例為2 ∶6 ∶1。水泥砂漿的和易性根據(jù)小型流動臺確定，按GB/T 2419—2016測定水泥砂漿的流動度。制備尺寸為160mm×40mm×40mm 的棱柱體砂漿試件，將脫模后的棱柱體試件置于（20±2）℃的水中5d。硬化后，砂漿棱柱試件采用抗壓強度試驗機進行7d和28d 齡期的抗壓強度試驗。

粉煤灰混凝土配合比以JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》為依據(jù)，配合比設(shè)計應(yīng)達到混凝土所需的和易性，以防止離析并便于澆筑。該試驗中共制備了8 種不同配合比的粉煤灰混凝土，設(shè)置了一組未摻粉煤灰的對照組混凝土（S1），10%細粉煤灰、20%超細粉煤灰以及10%細粉煤灰+10%超細粉煤灰復摻的3 種不同水泥替代率的混凝土配合比見表2。制備尺寸為100mm×100mm×100m 以及高為200mm、直徑100mm的粉煤灰混凝土試件，測試其機力學性能和耐久性。

表2 粉煤灰混凝土試件配合比（單位：kg/m3）

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 砂漿和易性

坍落度試驗結(jié)果表明，細粉煤灰或超細粉煤灰替代率越高，2 種水泥類型制備的砂漿和易性越好，流動坍落度也越大，如圖1 所示。

圖1 砂漿坍落度

細粉煤灰和超細粉煤灰的替代率增加均對流動性有積極影響，這可以在制備混凝土時減少減水劑的用量，對混凝土的強度和耐久性具有有利影響。超細粉煤灰具有較高細度，在摻量較小的情況下可顯著增加砂漿的坍落度。當超細粉煤灰替代率為10%時，硅酸鹽水泥砂漿的坍落度增加了33.3%，礦渣水泥砂漿的坍落度增加了23.8%。細粉煤灰在摻量較小的情況下對水泥漿體的坍落度增加效果沒有超細粉煤灰顯著，但在摻量為50%的情況下，細粉煤灰和超細粉煤灰均有效改善了水泥漿體的和易性，比未摻粉煤灰的硅酸鹽水泥和礦渣水泥漿體的坍落度增加約0.88~2.96 倍。分析其原因，粉煤灰顆粒多為表面光滑的球形顆粒，起到了滾珠軸承的作用，可減少水泥顆粒之間的摩擦，從而改善粉煤灰水泥漿體的流動性[1]。

2.2 砂漿力學性能

砂漿7d 和28d 的抗壓強度試驗結(jié)果如圖2 所示。

圖2 砂漿抗壓強度

與細粉煤灰相比，7d 齡期的超細粉煤灰水泥砂漿的抗壓強度并無明顯差異，但硅酸鹽水泥的7d 抗壓強度整體比礦渣水泥抗壓強度高。當粉煤灰摻量為10%時，硅酸鹽水泥的7d 抗壓強度比礦渣水泥的抗壓強度高出近20MPa，硅酸鹽水泥砂漿混合物在早期達到更高的抗壓強度。在28d 齡期情況下，超細粉煤灰替代硅酸鹽水泥顯示出最佳的抗壓性能，當超細粉煤灰摻量為10%時，硅酸鹽水泥砂漿的28d抗壓強度高達77.4MPa，這表明超細粉煤灰比細粉煤灰對砂漿抗壓強度的提升效果更明顯。與硅酸鹽水泥相比，礦渣水泥砂漿顯示出相似但略有不同的28d 抗壓強度變化規(guī)律。與未摻粉煤灰的礦渣水泥砂漿相比，摻入10%細粉煤灰和超細粉煤灰的礦渣水泥砂漿的28d 抗壓強度分別提高了4.8%和11.7%，與摻入30%細粉煤灰和超細粉煤灰的礦渣水泥砂漿的28d 抗壓強度幾乎相等。粉煤灰細度的影響并不顯著。綜合分析，摻10%粉煤灰的砂漿顯示出最高的抗壓強度，可達到75MPa 以上。當摻量高于20%的粉煤灰代替水泥反而會降低砂漿試樣的抗壓強度。只考慮抗壓強度的情況下，粉煤灰水泥的最佳替代水平在10%，超細粉煤灰比細粉煤灰能獲得更高的力學強度。

2.3 混凝土和易性

粉煤灰混凝土的坍落度試驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 混凝土坍落度

硅酸鹽水泥和礦渣水泥的混凝土混合物均使用1.2kg/m3的恒劑量高效減水劑。當粉煤灰取代水泥比例增加時，坍落度也隨之增加，混凝土拌合物具有更高的流動性。此外，用超細粉煤灰替代20%水泥的混凝土的坍落度值大于相同取代水平且為細粉煤灰10%+超細粉煤灰10%組合的混凝土。這表明使用具有更高細度的超細粉煤灰可使混凝土拌合物具有更好的和易性。分析其原因，粉煤灰在混凝土早期水化階段的作用主要是物理填充作用，因為粉煤灰的火山灰反應(yīng)相對較低，所以采用物理激發(fā)法制備超細粉煤灰比化學激發(fā)法更方便，比表面積可達到600m2/kg~700m2/kg，比普通粉煤灰高約2 倍。盡管超細粉煤灰的化學組成與普通粉煤灰相同，但超細粉煤灰的粒徑、結(jié)構(gòu)和微觀形貌與粉煤灰相比發(fā)生了很大變化，超細粉煤灰在水泥水化過程中的物理、化學作用也發(fā)生了很大變化，可使超細粉煤灰在水泥水化中發(fā)揮更積極的作用[2]。

2.4 混凝土力學性能

對各組粉煤灰混凝土進行抗壓強度試驗，研究不同摻量的細粉煤灰和超細粉煤灰對混凝土力學強度的影響。混凝土力學強度如圖4 所示。

圖4 混凝土力學強度

在7d 和28d 齡期，未摻粉煤灰的硅酸鹽水泥混凝土的抗壓強度最高，28d 抗壓強度可達到53.5MPa。摻入20%超細粉煤灰的硅酸鹽水泥混凝土的抗壓強度接近未摻粉煤灰的混凝土抗壓強度值，高于摻10%細粉煤灰+10%超細粉煤灰的混凝土的抗壓強度。由此可見，粉煤灰細度越細，混凝土力學強度越高。分析其原因，粉煤灰的活性取決于許多參數(shù)，如細度、化學成分和礦物成分、未燃燒碳含量和燃燒損失等。考慮礦渣水泥中波特蘭水泥熟料較少，產(chǎn)生的Ca（OH）2產(chǎn)物用于粉煤灰的火山灰反應(yīng)，與硅酸鹽水泥粉煤灰混凝土相比，礦渣水泥粉煤灰的力學強度結(jié)果較低。摻10%細粉煤灰+10%超細粉煤灰的礦渣水泥粉煤灰混凝土的28d 抗壓強度最低，為44.2MPa。超細粉煤灰比細粉煤灰具有更好的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)，且超細粉煤灰混凝土微觀結(jié)構(gòu)也更致密。

分析其原因，在粉煤灰和水泥復合材料的水化過程中，水泥與水反應(yīng)生成C-S-H、Ca（OH）2。然后Ca（OH）2與粉煤灰、水反應(yīng)生成C-S-H 和C-A-H。從長期水化的角度來看，粉煤灰的成核作用在一定程度上促進了水泥的水化，這是因為粉煤灰提供了大量的成核位點，促進了水泥的結(jié)晶。粉煤灰的成核作用有助于C-S-H 凝膠的形成和Ca（OH）2的結(jié)晶。在水化后期，隨著粉煤灰水化程度的增加，粉煤灰與越來越多的Ca（OH）2反應(yīng)，對改善混凝土的力學性能和水化機理具有積極作用[3]。總體而言，超細粉煤灰的火山灰效應(yīng)好于普通粉煤灰，超細粉煤灰水泥復合材料對孔隙結(jié)構(gòu)的改善作用優(yōu)于普通粉煤灰。

2.5 混凝土抗碳化性能

混凝土與大氣環(huán)境中的CO2產(chǎn)生碳化反應(yīng)會降低混凝土內(nèi)部的pH 值，并可能會引起鋼筋腐蝕。已有學者證明，混凝土的碳化程度與混凝土摻合料種類、水灰比、混凝土固化條件以及暴露于CO2時的齡期有關(guān)。該文對各組粉煤灰混凝土進行了耐久性能分析，并進行了加速碳化試驗，以研究不同摻量的細粉煤灰和超細粉煤灰對混凝土耐久性能的影響。混凝土碳化深度如圖5 所示。

圖5 混凝土碳化深度

由圖5 可知，未摻粉煤灰的硅酸鹽水泥混凝土和礦渣水泥混凝土7d 齡期的碳化深度分別為2.2mm 和6.6mm，28d 齡期的碳化深度分別為2.6mm 和8.4mm。隨著粉煤灰的摻入，粉煤灰混凝土的碳化深度比未摻粉煤灰的混凝土碳化深度大。在7d 和28d 齡期的硅酸鹽水泥混凝土中，摻入20%超細粉煤灰的混凝土比摻入10%細粉煤灰+10%超細粉煤灰混凝土的碳化深度高121.6%和87.1%。在7d 和28d 齡期的礦渣水泥混凝土中，摻入20%超細粉煤灰的混凝土比摻入10%細粉煤灰+10%超細粉煤灰混凝土的碳化深度反而低10.2%和3.3%。在不同齡期的混凝土試樣中，碳化深度隨著齡期的增加而增加。通過加速碳化試驗可發(fā)現(xiàn)，摻入20%超細粉煤灰的硅酸鹽水泥混凝土和摻入10%細粉煤灰+10%超細粉煤灰混凝土的碳化程度較高。

3 結(jié)論

該文研究了超細粉煤灰和細粉煤灰在不同摻量條件下對水泥砂漿和混凝土和易性、力學性能和抗碳化性能的影響，得出如下結(jié)論。1）更細的粉煤灰有助于提高粉煤灰復合水泥砂漿和混凝土混合物的和易性。當超細粉煤灰替代率為10%時，硅酸鹽水泥砂漿的坍落度增加了33.3%，礦渣水泥砂漿的坍落度增加了23.8%。2）對普通硅酸鹽水泥來說，使用20%水泥替代率的超細粉煤灰混凝土的28d 齡期抗壓強度較接近于未摻粉煤灰的普通混凝土抗壓強度，高于摻10%細粉煤灰+10%超細粉煤灰混凝土的抗壓強度。粉煤灰細度越細，混凝土力學強度越高。3）在耐久性方面，用超細粉煤灰替代水泥對抗碳化性能有負面影響，在7d 和28d 齡期的硅酸鹽水泥混凝土中，摻入20%超細粉煤灰的混凝土比摻入10%細粉煤灰+10%超細粉煤灰混凝土的碳化深度高121.6%和87.1%。