粉煤灰摻比對砂漿混凝土性能影響及硬化機理研究

摘要：為開展粉煤灰替代水泥比例對混凝土性能影響的系統性研究，分析了粉煤灰替代水泥對砂漿混凝土保水率、稠度、坍落度和抗壓強度的影響，揭示了粉煤灰在提升混凝土性能方面的作用機制，明晰了其水化與硬化機理。當粉煤灰對水泥替代率從0%提升至30%過程中，保水率下降，稠度和坍落度先升后降，抗壓強度下降，粉煤灰替代率為20%時，混凝土料漿流動性最優。粉煤灰具有火山灰活性，可與水泥水化產物發生二次水化反應，形成C—S—H和C—A—S—H凝膠，因而混凝土養護后期強度增長速度快于早期強度。

關鍵詞：粉煤灰；水泥；替代率；混凝土

中圖分類號：TQ172.71+5文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0071-04

Study on the effect of fly ash mixing on the properties of mortar concrete and its hardening mechanism

ZHU Xing1，JIANG Rongbin1，XIAO Leping1，LI Cunqian2

（1.Taizhou Polytechnic College，Taizhou 225300，Jiangsu China；

2.Zhengtai Group Co.，Ltd.，Taizhou 225300，Jiangsu China）

Abstract：In order to carry out a systematic study on the effect of fly ash instead of cement on the performance of concrete，the effects of fly ash instead of cement on the water retention rate，consistency，slump and compressive strength of mortar concrete were analyzed，the mechanism of fly ash in improving the performance of concrete was revealed，and the hydration and hardening mechanism of fly ash was clarified.When the substitution rate of fly ash for cement increased from 0%to 30%，the water retention decreased，consistency and slump initially increased then decreased，and compressive strength decreased.When the replacement rate of fly ash was 20%，the fluidity of the concrete paste was optimal.Fly ash haspozzolanic activity and can undergo secondary hydration reactions with ce?ment hydration products，forming C—S—H and C—A—S—H gels，so the strength growth rate of concrete in the lat?er stages of curing is faster than that in the early stages.

Key words：fly ash；cement；replacement rate；concrete

水泥是現代建筑業中使用最廣泛的材料之一，但其生產過程碳排放量極大，研究如何減少水泥使用量并提高建筑材料的環境友好性與經濟效益已成為當代建材領域的重要任務[1]。粉煤灰因其良好的物理性能和化學活性，被視為減少水泥使用、提高混凝土性能的重要摻合料[2]。盡管粉煤灰在混凝土中的應用已有諸多研究，但關于其替代水泥比例對混凝土性能影響的系統性研究仍有待深化[3]。不同替代比例下，粉煤灰對混凝土保水性、工作性能以及最終的抗壓強度等方面的影響規律及其機理尚不完全明確。粉煤灰的化學活性及與水泥之間的相互作用對混凝土微觀結構的影響，以及這種影響如何轉化為宏觀性能的改善，也是需要深入探討的問題[4]。基于此，探討不同粉煤灰替代水泥比例對砂漿混凝土保水性、稠度、坍落度及抗壓強度等性能影響，揭示粉煤灰改善混凝土性能的硬化機理，為粉煤灰在水泥砂漿混凝土中的應用提供科學依據。

1實驗材料與實驗方法

1.1實驗材料

水泥：本研究使用產自安徽海螺水泥有限公司的標號為P·O 42.5的硅酸鹽水泥，其化學成分如表1所示。

粉煤灰：本研究使用產自匯豐新材料有限公司的粉煤灰，其化學成分如表2所示。

河砂：本研究使用產自某河流的河砂作為骨料，實驗前需將河砂在溫度為（100±5）℃的烘干箱內烘干24 h，并將烘干后的河砂過2.5 mm細篩，最終得到可用于實驗的河砂。

減水劑：本研究使用產自山西飛科新材料科技有限公司的聚羧酸高性能減水劑作為外加劑，減水率為20%。

1.2實驗方法

為探究不同粉煤灰對水泥替代率對混凝土保水率、稠度、坍落度和抗壓強度的影響，本研究設計了混凝土配合比實驗。實驗流程參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》執行，用于測定抗壓強度的模具為70 mm×70 mm×70 mm的立方體模具[5-6]。基于前期大量實驗，確定原料質量比為水∶水泥∶河砂∶粉煤灰∶減水劑=0.28∶1∶0.978∶1.816∶0.008 4。基于上述基準配比，將粉煤灰分別以10%、20%、30%和40%的比例替代水泥。將所有原料按照配合比攪拌均勻測定保水率、稠度和坍落度，然后澆筑試模并在室溫條件下養護24 h后脫模養護至3、7和28 d，最后使用WDW-2000自動壓力測試機測定其抗壓強度。其中基準配比試件（粉煤灰對水泥的替代率為0%）標記為N0，粉煤灰分別以5%、10%、15%、20%、25%和30%的比例替代水泥對應的試件分別標記為N1～N6。

2不同粉煤灰替代率對水泥砂漿混凝土性能的影響

2.1保水率

粉煤灰替代率對水泥砂漿混凝土的保水率影響見圖1。

由圖1可知，不同粉煤灰替代率對應的混凝土保水率為83.7%～87.5%。當粉煤灰替代率為0%時，混凝土保水率為83.7%。當粉煤灰對水泥的替代率從0%逐步提升至30%時，保水率逐漸上升至87.5%。這是因為與水泥顆粒相比，粉煤灰顆粒細度低，顆粒間距小，在“毛細管”作用下使粉煤灰能夠吸附更多水，極大降低了混凝土中水的流失，因此水泥砂漿混凝土的保水率隨粉煤灰對水泥替代率的增加而增加。混凝土的保水率提升有利于現場施工，能夠極大減少砂漿混凝土施工完成后產生的開裂、脫落等問題，因此粉煤灰的添加有助于提升水泥砂漿混凝土的工作性能[7]。

2.2稠度

粉煤灰替代率對水泥砂漿混凝土稠度的影響見圖2。

由圖2可知，所有配合比對應的料漿稠度均為（100±10）mm，符合水泥砂漿混凝土工程應用要求。當粉煤灰替代率為0%時，混凝土料漿稠度為95.2 mm。當粉煤灰對水泥的替代率從0%逐步提升至30%時，稠度呈現出先上升后下降趨勢。粉煤灰對水泥的替代率為20%時，混凝土稠度達到最大值108.3 mm。原因可從兩方面解釋：一方面，當粉煤灰替代率低于20%時，由于粉煤灰顆粒小于水泥顆粒，且較為圓潤，微觀顆粒棱角較少，在料漿中可充分發揮“滾珠作用”，提升了水泥砂漿混凝土的稠度；另一方面，當粉煤灰替代率超過20%時，由于粉煤灰顆粒對水具有較強的吸附能力，粉煤灰的加入吸附了料漿中的水，同時有效填充了各種原料顆粒間的空隙，發揮了粉煤灰的“填隙效應”，降低了水泥砂漿混凝土的稠度[8-10]。

2.3坍落度

粉煤灰替代率對水泥砂漿混凝土坍落度的影響見圖3。

由圖3可知，所有配合比對應的料漿坍落度范圍在194.2～237.8 mm之間，符合水泥砂漿混凝土工程應用要求。當粉煤灰替代率為0%時，混凝土料漿坍落度為192.6 mm。當粉煤灰對水泥的替代率從0%逐步提升至30%時，坍落度呈現出先上升后下降趨勢。粉煤灰對水泥的替代率為20%時，坍落度達到最大值216.3 mm。這是因為當粉煤灰替代率低于20%時，在粉煤灰顆粒的“滾珠作用”下，料漿流動性提升，坍落度隨粉煤灰替代率同步提升；當粉煤灰替代率超過20%時，在粉煤灰顆粒吸水作用下，料漿流動性變差，坍落度隨粉煤灰替代率的提升而下降[11-12]。結合2.2節可知，當粉煤灰對水泥的替代率為20%時，料漿流動性達到最優。

2.4抗壓強度

粉煤灰替代率對水泥砂漿混凝土抗壓強度的影響見圖4。

由圖4可知，所有配合比條件下試件的3 d抗壓強度為19.4～31.2 MPa，7 d抗壓強度為25.2～35.9 MPa，28 d抗壓強度為38.8～52.3 MPa，符合水泥砂漿混凝土工程應用要求。不同粉煤灰替代率條件下水泥砂漿混凝土抗壓強度隨養護齡期的延長呈現出上升趨勢，且早期強度增長速度較慢，后期強度增長速度較快；當養護齡期從7d增加至28 d時，增長速度最快。這是由于在養護早期，粉煤灰對水泥的替代直接減少了水化原料，混凝土中水化產物數量減少，減緩了混凝土早期強度形成的速度；到了養護后期，粉煤灰自身具有的“火山灰效應”可使其與水泥發生二次水化反應，形成水化硅酸鈣（C—S—H）凝膠，有效填充混凝土內部空隙，形成較為穩定的膠結結構，加速了混凝土在養護后期的強度形成[13-14]。

因此，當粉煤灰對水泥替代率為20%時，水泥砂漿混凝土具有最優工作性能。

3粉煤灰替代水泥條件下砂漿混凝土的硬化機理

在混凝土料漿拌和的初期，粉煤灰通過其細小的顆粒填充水泥砂漿中的空隙，提高混凝土的密實度，此時粉煤灰的化學活性較低，主要發揮物理填充作用。隨著混凝土水化過程的進行，水泥水化生成了Ca（OH）2，提升了料漿溶液體系pH值，激發了粉煤灰的化學活性。在堿性條件下，粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3與水泥水化生成的Ca（OH）2發生二次水化反應，形成C—S—H凝膠和水化硅鋁酸鈣（C—A—S—H），上述二次水化產物具有良好的膠結性能，能夠進一步增強混凝土的強度和耐久性[15]。隨著養護時間逐漸延長，粉煤灰中活性組分繼續與Ca（OH）2反應生成更多的C—S—H和C—A—S—H，混凝土的微觀結構變得更加密實。同時，粉煤灰的加入減緩了水泥水化速率，有利于水泥砂漿內部水化反應的充分進行，有利于混凝土長期強度的形成。總之，粉煤灰的添加可改善混凝土的物理性能，還通過化學反應生成的二次水化產物提高混凝土的結構性能和耐久性。

4結語

（1）當粉煤灰對水泥的替代率從0%增長至30%時，水泥砂漿混凝土的保水率逐漸上升，稠度和坍落度先升后降，抗壓強度逐漸降低。當粉煤灰對水泥的替代率為20%時，稠度和坍落度達到最大，此時料漿流動性達到最優；

（2）粉煤灰由于其具有“火山灰效應”，在堿性條件下，粉煤灰中活性成分可與水泥水化生成的水化產物發生二次水化反應，形成C—S—H和C—A—S—H凝膠，使水泥砂漿混凝土后期強度增長速率快于早期；

（3）粉煤灰的加入可從物理填充和化學活性兩方面改善水泥砂漿混凝土的工作性能，當粉煤灰對水泥的替代率為20%時，水泥砂漿混凝土具有最優工作性能。

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（責任編輯：蘇幔，平海）