大掺量粉煤灰混凝土试验研究

摘要：本实验通过调节配合比，进行了粉煤灰掺量从30%～60%的抗冻混凝土的配制。从粉煤灰掺量、砂率、外加剂等角度分析了混凝土组分对其工作性的影响。实验结果表明：在满足工作性的前提下，砂率存在最佳取值，并且砂率过小比过大对工作性的影响更加明显；实验中发现，只有当引气剂的掺量增加到一定程度时，其作用效果才会明显提高，即引气剂掺量存在饱和点。

关键词： 大掺量粉煤灰；低水泥用量 ；配合比参数；工作性

中图分类号：TU502 文献标识码：A文章编号：

1 引言

混凝土是最大宗的人造材料，由于混凝土的组分很多，而这些组分不是单一对混凝土进行影响，而是相互作用，因此，混凝土的配制是一项基础性的工作，同时也是一项综合性的工作,研究者对此也做了大量的研究工作，尝试着用各种方法对配合比进行优化。然而，对抗冻融的大掺量粉煤灰混凝土配制的研究相对较少，文献[1～2]介绍了大掺量粉煤灰混凝土中粉煤灰、减水剂等对其工作性和强度的影响，但没有掺入引气剂，文献[3～4]介绍了引气混凝土的抗冻性、抗渗性、抗碳化性、耐磨性等性能，但没有介绍混凝土的组分对工作性的影响。

另外，在混凝土的基本组成材料中，水泥的价格最贵，早前我国著名混凝土专家吴中伟先生预期规划2010年我国的水泥产量是8亿吨，然而实际情况则是16亿吨，是当时规划的2倍，过多的使用水泥会产生大量的水化热，容易产生裂缝，影响建筑物的耐久性，增加建造和维修成本，而且生产1t硅酸盐水泥会释放约1t的二氧化碳，加剧了温室效应，此外，由于粉煤灰混凝土早期强度较低，现今规范中粉煤灰的用量只在30%以内，使粉煤灰的应用受到了一定的限制。但粉煤灰能够改善混凝土的孔结构，对提高抗渗性、耐久性都是十分有利的,如果我们对其加以利用，而且大掺量的使用粉煤灰，不仅可以改善环境还可以创造巨大的经济利益，同时也符合可持续发展观的要求[5～6]。

本文通过对实验结果的分析，总结了抗冻混凝土中各组分对其工作性的影响，为今后抗冻混凝土的配制提供经验，为规范对粉煤灰用量的修订提供实验参考。

2 实验材料及实验过程

2-1 材料

水泥：硅酸盐水泥，强度等级为42.5MPa，表观密度：3000kg/m3粉煤灰：II级粉煤灰，密度:2200kg/m3其他指标见表2.1；砂：沂源河砂；石：碎石，粒径为10～20mm，不是连续级配（由于我国粗骨料的生产相对落后，粒形不好，针状、片状颗粒较多），砂石分析见表2.2；外加剂：巴斯夫聚羧酸系高效减水剂；巴斯夫引气剂。

表2.1

表2.2

2-2 实验过程

根据对实验材料的分析结果，参照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011，制作了100×100×100mm的试块,在整个配制过程中对骨料的含水率进行了实时检测。由于混凝土的抗压强度是以边长为150mm的立方体试件的试验结果为标准，实验数据应在此基础上乘以0.95的系数，以下数据已进行修正。

3 结果与分析

3-1 粉煤灰对工作性的影响

表3.1

由表3.1中数据1、2、3得图3.1可知，当粉煤灰掺量从30%增加到40%时，坍落度由11.5cm增加到14cm，增加了20%，这主要取决于粉煤灰的球状颗粒具有形态效应，能够改善混凝土的颗粒级配，减少了集料界面的摩擦，从而改善混凝土的和易性。当粉煤灰掺量从40%增加到50%时，坍落度从14cm降到6.5cm，减少了50%多，由于粉煤灰的细度很小，比表面积很大，这时粉煤灰的减水负效应代替了填充效应而占主要因素，混凝土的和易性就会变差。而且可以得出，当粉煤灰掺量增大到一定程度时，粉煤灰的减水作用会非常明显。

从表3.1中数据4和5可知，文献[7]用450kg的水泥和80kg的粉煤灰配出了强度为48Mpa的混凝土，粉煤灰掺量为15%,本实验中，胶凝材料总用量约为470kg，水泥仅用了约200kg，不到[7]的一半，粉煤灰掺量达到60%，而且，该实验中的水胶比是0.24，[7]的水胶比是0.32，降低了0.08，由于总的胶凝材料少，这就意味着本实验的用水量更少，而且制配出的混凝土含气量达到了5%，与[7]相比，本实验的配合比似乎是朝着“坏”的方向变化，然而，依然配制出了28天强度达到近60Mpa，工作性符合要求的混凝土。笔者认为这主要有两个方面的原因，一方面：粉煤灰的活性比水泥要差，早期不参与水化，尽管用水量少，但水泥用量也很少，这些水满足了水泥的水化，而且，水泥水化的产物氢氧化钙能够使粉煤灰水化，在后期水泥会一定程度倒吸粉煤灰吸附的水分进行第二次水化，这样粉煤灰颗粒对试件就形成了内养护[8]，因此比普通混凝土具有更大的强度发展潜力。但前面分析得出，当粉煤灰掺量增大到一定程度时，和易性会降低。这时，我们采取了第二个措施（即第二个原因），当大掺量的加入粉煤灰之后，实验通过调节外加剂的掺量来降低水胶比，而水胶比是影响混凝土强度最主要的因素，同时，外加剂的使用也很大程度的提高了混凝土的和易性，因此，这两个因素的共同作用使得大掺量粉煤灰混凝土的配制成为可能，而且实验也验证了这一点。

3-2 砂率对工作性的影响

表3.2

由表3.2数据得图3.2，从数据中可看出，砂率由39%变到38%时，坍落度由14.5cm减少到11cm，减少了约24%，减幅很大，砂率从39%增加到41%时，坍落度由14.5cm降到了11.5cm，当砂率增大后，由于砂的粒径小，比表面积大，需要附着大量的胶凝材料，混凝土中的砂浆就不足以包裹粗骨料的表面，在骨料之间起到作用的胶凝材料就会变的稀薄，流动性也就随着减小，因此，坍落度会减小。

砂率过小或过大，混凝土的组分就会趋于不合理，混凝土的骨架结构也会随之变化，都会影响混凝土的工作性，从实验结果来看，本实验的最佳砂率取值应在39%左右。而且从图中可以看出砂率过小对混凝土工作性的影响要比砂率过大更明显。

3-3 外加剂对工作性的影响

表3.3

由表3.3数据得图3.3，从实验现象中可以看出，随着引气剂掺量的增加，混凝土更加易铲，在拔坍落度桶时，混凝土坍落的更顺一些，从引气桶倒出后，底层的石子有砂浆包裹。坍落度从13cm增加到18cm，增幅较大，说明引气剂可以改善混凝土的和易性。

从图中易看出，含气量随着引气剂掺量的增加，开始时增加的慢，后来增加的快，即当引气剂掺量达不到要求时，含气量的增幅不大，当引气剂掺量即将达到要求时，只要再略微增加，含气量即可满足要求，说明引气剂的引气作用不是线性的，而是当掺量接近或等于其饱和量时，其引气作用才会明显。

4 结论

1、粉煤灰对混凝土工作性的影响取决于其掺量的大小，当粉煤灰掺量较小时，粉煤灰有利于工作性，当粉煤灰掺量较大后，其减水作用占主导作用，混凝土工作性显著下降。

2、随着砂率的变化，混凝土的组成体系会发生改变，在满足工作性的前提下，只有当各组分构成的体系处于最密实状态时，砂率最优，砂率过大或过小都不利于混凝土的工作性，而且砂率过小要比砂率过大对混凝土工作性的影响更明显。

3、通过外加剂的使用和粉煤灰自身的性质，能够配制出含气量高（6%）、粉煤灰掺量大（60%），工作性和强度满足要求的混凝土，而且能够较大程度的降低水泥用量，符合绿色高性能混凝土和科学发展观的要求。

4、引气剂的引气作用不是随掺量的线性关系，只有当掺量接近一定程度时，其作用才会明显提高，即引气剂掺量存在饱和点。

致谢：本文得到了山东理工大学建筑工程学院张众副教授的热情指导和帮助，在此表示由衷的感谢！

参考文献

1、吴建华,蒲心诚，刘芳 大掺量粉煤灰高性能混凝土配制技术[J].重庆大学学报 2005（5）：54-58.

2、孙建全,张维锋，李敏 采用聚羧酸系减水剂配制大掺量粉煤灰混凝土的实验研究[J].科学研究 2006（6）：14-19.

3、王硕太，刘庆涛等 引气剂和减水剂复配在机场道面混凝土工程中的应用研究[J].新型建筑材料 2008（7）：47-48.

4、王林，宋少民 引气含量对大掺量粉煤灰混凝土耐久性的影响[J].武汉理工大学学报 2009(7):60-63.

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6、吴中伟 我国水泥工业的发展方向[J].中国建材 1999(12)：51-52.

7、Gai-Fei Peng ,Qiang Ma , Hong-Mei Hu The effects of air entrainment and pozzolans on frost resistance of 50–60 MPa grade concrete[J]. Construction and Building Materials 21 (2007) 1034–1039.

8、覃维祖利用粉煤灰开发高性能混凝土若干问题的探讨[J]建筑材料学报 1999（2）153-158.