粉煤灰混凝土抗压性能的试验研究

【摘要】粉煤灰混凝土有诸多优点，这些优点决定了其越来越广泛的应用。本文首先概述了粉煤灰混凝土的有关问题，介绍了粉煤灰在混凝土中的作用，探究了影响粉煤灰混凝土抗压性能的因素，在分析比较粉煤灰混凝土与普通混凝土的对比优势基础上，深入研究了粉煤灰混凝土的抗压性能试验。

【关键词】粉煤灰混凝土；抗压性能；试验；研究

中图分类号：TU37文献标识码： A

一、前言

粉煤灰混凝土的优势十分明显，在实际建筑工程中得到了越来越重要的应用。粉煤灰混凝土的一大重要课题便是其抗压性能的高低，通过研究粉煤灰混凝土的抗压性能，能够更好地指导其在施工过程中的应用方法，进而保证其使用效果。

二、概述

粉煤灰具有填充骨料空隙、对水泥颗粒起物理分散作用、延缓水泥水化、防止水化过热以及加强薄弱的过渡区等诸多优点，故作为矿物掺合料而取代部分水泥。这样既改善了混凝土的性能，又充分利用了工业废料。因此，近年来添加粉煤灰的混凝土在工程中得到越来越广泛的应用。

我国的灰渣年排放量在不断地增长，这给国民经济建设和生态环境造成了巨大的压力。粉煤灰混凝土技术不仅可以实现粉煤灰的资源化，解决环境污染问题；还可以改善混凝土的质量，增加混凝土品种，降低混凝土水化热及综合成本。因此大力发展粉煤灰的综合利用具有十分重要的意义。

粉煤灰作为一种有益于混凝土的材料，随着近年来粉煤灰应用技术水平的提高，在保证质量的前提下，用粉煤灰替代部分水泥使用使混凝土成本降低，或使混凝土性能提高。粉煤灰的掺入可以分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高水泥浆的密实度，降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料-水泥浆界面强度的提高；粉煤灰颗粒与Ca(OH)2反映生成水化硅酸钙胶体，有利于混凝土强度的提高。

一般情况下，在混凝土中合理使用1吨粉煤灰可替代0.6-0.8吨水泥，相当于节约石灰石和黏土矿物资源1.05-1.75吨，并且节约包括燃料和电力的总能耗0.12-0.20吨标准煤。粉煤灰作为一种有益于混凝土性能的材料，随着近年来粉煤灰应用技术水平的提高，在保证质量的前提下，用粉煤灰替代部分水泥会使混凝土成本减低，或使混凝土性能提高。

三、粉煤灰在混凝土中的作用

截至2010年底，我国的灰渣年排放量已达9400万吨。随着我国电力工业的迅速发展，预计2015年的年排放量将达到两亿吨，这给国民经济建设及生态环境造成了巨大的压力。粉煤灰混凝土技术不仅可以实现粉煤灰的资源化，解决环境污染问题，还可以改善混凝土的质量，增加混凝土品种，降低混凝土水化热及综合成本。因此，大力开展粉煤灰的综合利用具有十分重要的意义。

粉煤灰的掺入可以分散水泥颗粒，使水泥水化更充分，提高水泥浆的密实度，降低混凝土的泌水，有利于混凝土中骨料――水泥浆界面强度的提高；粉煤灰颗粒与Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙胶体，有利于混凝土强度的提高。在硅酸盐水泥最终产物中，Ca(OH)2的体积占整个水泥石的25%，而且其结晶强度最低，仅是托波莫来石强度的1%-2%，粉煤灰对Ca(OH)2有吸收作用，大约能吸收总量的15%-30%。具体来讲，粉煤灰在混凝土中所起的作用主要有以下几个方面:

1.填充作用。粉煤灰的表观密度只有水泥的2/3左右，能够能更好的填充混泥土使，混凝土内部更加密实。

2.分散作用。粉煤灰掺入混凝土后可以使水泥颗粒均匀分布。

3.发生火山灰效应。粉煤灰与混凝土中的Ca(OH)2晶体会产生火山灰反应，生成物有胶凝性质，加强了混凝土中的薄弱区域，提高了混凝土的整体性能。

4.降低水化热。粉煤灰的潜在活性能够有效减缓水化反应速度，降低因水泥水化热引起的温升，这有利于避免混凝土温度裂缝的产生，这对大体积混凝土工程特别有利。

5.交互作用。粉煤灰、水泥以及外加剂的混合物能够产生多种物理反应、化学反应。这些反应之间交互作用，提高了混凝土的性能。

由上可知，粉煤灰混凝土早期的强度偏低，但是强度储备较大，后期的强度高，能够满足建筑性能和力学性能的双重要求。此外实践发现，粉煤灰的质量越高，其替代水泥所配制出的混凝土工作性能越好。

四、影响粉煤灰混凝土抗压性能的因素

1.水泥。作为混凝土中的活性成分，水泥的强度直接影响到混凝土的强度。随着水泥用量的增加，混凝土拌合物的坍落度值保持不变，表观密度减小，混凝土的抗压强度均增加，且在早期的增长幅度较大。

2.水泥和粉煤灰都有胶凝的作用，在胶凝材料量无变化且保持单位用水量不变的条件下，混凝土拌合物的表观密度降低，但坍落度随着胶凝材料用量的增加而变化较小。当胶凝材料用量480kg/m3时，粉煤灰混凝土抗压强度有下降趋势，这表明在一定的试验条件下，混凝土中的胶凝材料用量不宜过多。

3.粉煤灰的掺量。由于粉煤灰的“滚珠轴承”作用以及对填充水的置换，提高了混凝土拌合物的流动性。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的强度下降，表观密度下降。从强度角度考虑，混凝土中粉煤灰掺量不宜超过30%。另外，蒸汽养护有助于粉煤灰活性在早期的发挥。

4.砂率。砂率反映了混凝土中砂与石两者的比例。当水泥砂浆一定时，砂率越小说明石子的含量较大，混泥土中易出现蜂窝现象，降低了混凝土的强度和抗压性。当砂率逐渐增大时，砂子会填满蜂窝，提高了混凝土的抗压性。但是砂率过大会降低混凝土的密实性，降低了混凝土的抗压性。

5.水胶比。用水量显著影响混凝土拌合物的坍落度，混凝土的抗压强度均随着用水量的增大而降低，这主要是因为蒸汽养护促进了水泥和粉煤灰的水化。

五、粉煤灰混凝土与普通混凝土的对比优势

1.粉煤灰混凝土的破坏形态与普通混凝土相似，破坏基本上均属于粗骨料和水泥凝胶体面间的粘结破坏。但是粉煤灰混凝土破坏时的环箍效应没有普通混凝土那么明显。

2.与普通混凝土类似，当水灰比较大时，粉煤灰混凝土的抗压强度随着水灰比的增大而减小；但当水灰比不是太大时，粉煤灰混凝土的抗压强度并不是随着水灰比的减小而显著增大。因此不宜过分地减小水灰比以获取较高的抗压强度，建议粉煤灰混凝土的水灰比控制在0.45 左右。

3.再生粗骨料取代率与粉煤灰混凝土的抗压强度密切相关，粉煤灰混凝土抗压强度随着再生粗骨料取代率的增大而降低。当再生粗骨料取代率从25%增大到100%时， 粉煤灰混凝土的抗压强度较相同配合比的普通混凝土降低15%-30% 。

4.粉煤灰混凝土抗压强度随龄期的发展规律与普通混凝土基本相同，但是在28d 龄期后，粉煤灰混凝土的抗压强度仍有较大的增长。

六、抗压性能试验研究

1.试验原材料

（一）水泥:沈阳冀东水泥有限公司生产的盾石牌P・O42.5水泥；

（二）砂:中砂，过5mm筛，含水率为5.14%，表观密度为2564kg/m3，细度模数u=2.6；

（三）碎石:采用最大粒径为31.5mm的碎石，含水率为2.0%，表观密度为2731kg/m3。砂和碎石的级配见表1，粉煤灰的质量指标及化学成分见表2。

2.试验方法

试件尺寸为150mm*150mm*150mm。试验以不含粉煤灰且坍落度为7-9cm的C30混凝土记为混凝土0，掺入Ⅰ级粉煤灰的混凝土记为混凝土1，掺入Ⅱ级粉煤灰的混凝土记为混凝土2。掺入的粉煤灰等质量替代水泥，混凝土1、混凝土2中粉煤灰的替代量分别为10%、20%、30%、40%和50%。运用绝对体积法，根据JGJ55)2000《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计。砂的含水率为5.14%，石子为2.0%。施工配合比见表3。

表3 施工配合比

水泥/（kg/m³） 粉煤灰/（kg/m³） 水/（kg/m³） 砂/（kg/m³） 碎石/（kg/m³） 粉煤灰取代水泥率/%

480 0 217.3 554.533 999.089 0

432 48 217 532.688 1001.589 10

384 96 216.8 525.716 988.479 20

336 144 216.2 518.744 975.37 30

288 192 215.8 511.772 962.261 40

240 240 215.2 504.8 949.152 50

将配置后搅拌好的拌合物装入试模之后，放在振动器上振动30s，在试件表面覆盖塑料袋以防止水分挥发，24h后拆模，放入养护室按照GBJ81)85《普通混凝土力学性能试验方法》养护成型。每组3个试件，分别养护3d、7d、28d、60d后进行抗压强度试验。

3.试验结果分析

以每组三个试件抗压强度的算术平均值作为试件的抗压强度，试验结果见表4。根据表4可绘制曲线图1和图2。由图1和图2可以看出:

（一）随着粉煤灰替代水泥率的增大，混凝土3d与7d抗压强度的比值逐渐减小；

（二）随着粉煤灰替代率的增加，混凝土的28d抗压强度逐渐降低，且当替代率>20%时，强度的降低率较大；

（三）粉煤灰混凝土的早期强度普遍偏低，7d至28d和28d至60d这两个时间段的强度增幅比较明显，说明粉煤灰的活性效应主要表现在28d左右；

（四）对比图1与图2不难看出，两种不同的粉煤灰对混凝土的影响是不同的，粉煤灰替代率相同的混凝土1的强度高于混凝土2。说明粉煤灰磨细后颗粒变小，产生了许多新的颗粒表面，使表面效应增大，从而使粉煤灰的活性增大。

4.结论

（一）掺入的粉煤灰品质及质量不同，对于混凝土强度的影响程度不同，在粉煤灰替代水泥率≤25%时，Ⅰ级粉煤灰混凝土的强度优于Ⅱ级粉煤灰混凝土，之后则显劣势；

（二）粉煤灰对混凝土的强度贡献――粉煤灰效应，表现在处于潮湿养护环境中，后期强度增长较大，尤其是28d之后；

（三）以强度损失不大为标准，Ⅰ级粉煤灰的等质量最佳替代水泥量为30%；Ⅱ级粉煤灰的等质量最佳替代水泥量为30%。

七、结束语

通过对粉煤灰混凝土抗压性能的试验研究，我们可以发现，粉煤灰在混凝土中的作用十分重要，这是进行试验的重要根据。此外，影响粉煤灰混凝土抗压性能的因素也是多方面的。通过试验研究，能够得出具有十分重要价值的试验结论，值得有关人员深入掌握。

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