低品質粉煤灰在結構混凝土中應用的研究進展

王卓琳 施鐘毅 李向民1， 許清風1，

(1．上海市工程結構安全重點實驗室，上海200032;2．上海市建筑科學研究院(集團)有限公司，上海200032)

1 引言

粉煤灰在混凝土中應用可以減少環境污染、增加固體廢棄物利用，其研究從20世紀30年代即已開始。由于粉煤灰具有特殊的活性效應、形態效應和微集料效應，在混凝土中應用可以減少水泥用量、降低水化熱、降低泌水率、減少干縮、增加后期強度、提高抗滲性與抗腐蝕性等。國家標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)［1］將粉煤灰劃分為 I、Ⅱ、Ⅲ三個等級。低品質粉煤灰通常是指除了I級和Ⅱ級以外的粉煤灰。國家標準《粉煤灰混凝土應用技術規范》(GB/T 50146—2014)［2］除對預應力混凝土有專門限定外，規定其他混凝土宜摻用I級、Ⅱ級粉煤灰，摻用Ⅲ級粉煤灰時應經過試驗論證。目前我國電廠排灰能達到I級、Ⅱ級指標的數量十分有限，符合I級標準的粉煤灰僅占排灰量的約5%，現有分級標準導致電廠排放的大部分粉煤灰不能用于結構混凝土，甚至水工混凝土［3］。粉煤灰在混凝土中的應用是其利用的主要途徑，如能充分利用低品質粉煤灰拌制結構混凝土并適當增加其摻量，可對我國固體廢棄物的資源化利用起到重要作用。

2 國內外粉煤灰品質劃分對比

粉煤灰的品質與煤的品種、燃燒情況、爐型、除灰方式、環保措施等諸多因素有關，各國粉煤灰應用技術標準多結合當地粉煤灰的生產條件和產灰質量進行制訂。表1列出了不同國家標準中粉煤灰品質劃分的各項具體指標。由表1可知，各國對粉煤灰品質評價的內容基本相同，影響粉煤灰品質的關鍵指標有燒失量、細度、需水量比、強度活性指數、SiO2含量等。我國標準從細度、燒失量和需水量比三個指標進行灰質判斷，若有一項指標不合格，就做灰質降級處理。

表1 不同國家規范中粉煤灰主要品質指標的比較Table 1 Comparison of the quality classification index of fly ash in different national standards

雖然根據表1所示的單因子特征劃分粉煤灰品質等級更易于操作，但不能根據粉煤灰的具體情況進行綜合評價，往往由于個別指標的微小差異，導致粉煤灰被劃分為低品質灰，限制了其應用范圍。為此，很多國家和地區已經開始采用組合因子品質特征對粉煤灰進行綜合評價。美國材料試驗協會采用細度乘以燒失量作為復合因子，并規定該復合因子值不能大于225，且建立了需水量比(%)與該復合因子的回歸方程［9］;英國采用細度乘以燒失量復合因子判斷粉煤灰的減水能力，并據此將粉煤灰的減水性能劃分為若干等級［9］;我國臺灣地區采用粉煤灰復合因子平方根及品質當量 Q 進行灰質評價［9－10］，見式(1)、式(2)。

品質當量

3 低品質粉煤灰制備結構混凝土的研究

3．1 粉煤灰的品質綜合評價

混凝土中摻入粉煤灰主要有三種應用方式［3］:①在早期強度要求很低，長期強度在25～35 MPa的大體積水工混凝土中，大摻量替代水泥;②在結構混凝土里較少量地替代水泥(10%～25%);③在強度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。從表1可以看出，以活性材料作為混凝土摻合料的美國F類、C類粉煤灰，英國Ⅱ類粉煤灰以及日本的各等級灰，其品質都相當于國產Ⅱ級灰及以上;國產的Ⅲ級灰在國外已經屬于等外灰。由于國外粉煤灰品質普遍高于國內，因此對低品質粉煤灰的研究并不充分。國內已有學者對低品質粉煤灰的應用進行了研究，發現其在混凝土中可以部分替代細骨料，發揮微集料效應，改善混凝土性能，緩解天然砂缺少危機［11－12］;還可用于制備干拌砂漿粉［13］、生產粉煤灰蒸壓磚［14］等。本文主要關注低品質粉煤灰制備結構混凝土的材料力學性能、耐久性能及構件的受力性能，同時采用復合因子對已有試驗研究中所采用的低品質粉煤灰進行綜合評價，分析粉煤灰品質對其制備結構混凝土性能的影響。

表2列出了低品質粉煤灰試驗研究中所采用粉煤灰的各項指標，并根據式(1)、式(2)計算了粉煤灰的品質當量。可以看出，各文獻采用的Ⅱ級灰及Ⅲ級灰的品質當量數值比較接近，活性成分總含量也非常接近;Ⅱ級灰與Ⅲ級灰的差別主要體現在細度上，燒失量和需水量比的差別較小。已有研究對比了Ⅱ級灰與Ⅲ級灰制備的結構混凝土的各項性能，都得到了二者差別不大的結論。

表2 現有試驗研究中低品質粉煤灰的品質綜合評價Table 2 Comprehensive evaluation of low quality fly ash used in the existing experimental research

3．2 力學性能

林旭健等［15－16］選取了Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級灰分別制備了不同摻量(20% ～50%)、不同強度(C30～C50)的混凝土，其 7 d、28 d、60 d、90 d 抗壓強度結果表明，Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級粉煤灰配制的混凝土各齡期強度相差不大。鐘福金［17］制備了Ⅱ級、Ⅲ級、等外灰三種粉煤灰混凝土，水膠比0．33～0．49，粉煤灰摻量為19．8% ～23．6%。其中，Ⅲ級灰僅細度和需水量比達不到Ⅱ級灰標準，等外灰僅細度和需水量比達不到Ⅲ級灰標準。其3 d、7 d、28 d、60 d抗壓強度結果表明，Ⅲ級灰混凝土強度比Ⅱ級灰混凝土平均下降2．5% ～7．5%;等外灰混凝土強度比Ⅲ級灰混凝土強度平均下降5%～10%。本文作者制備了20%摻量的Ⅱ級、Ⅲ級灰混凝土［22］，Ⅲ級灰混凝土各齡期(7 d、28 d、90 d、180 d)的軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度分別較Ⅱ級灰混凝土低約10%和3%。一般認為，粉煤灰混凝土強度在28d后到6個月期間增長幅度較大，粉煤灰摻量越大，后期強度增長越明顯［16］。從上述研究中可以發現，低品質粉煤灰混凝土強度增長呈現同樣趨勢;90 d齡期以內的普通混凝土、Ⅱ級灰混凝土、低品質灰混凝土三者強度差別不大;齡期更長的強度發展規律有待進一步研究。

3．3 耐久性能

林旭健等［15］對I級、Ⅲ級灰配制的中、高摻量粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能及抗鋼筋銹蝕性能進行了研究。試驗表明，Ⅲ級粉煤灰混凝土抗氯離子滲透性能總體上與I級粉煤灰混凝土無明顯差別;摻粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能總體上明顯高于同強度等級的普通混凝土。混凝土中鋼筋快速銹蝕試驗結果表明，Ⅲ級灰混凝土的鋼筋失重率與I級灰混凝土相差不到1%。冷發光等［18］用Ⅱ級、Ⅲ級灰配制了C25～C60五種強度等級、25%和45%摻量的混凝土，對其抗凍融、抗碳化、抗氯離子滲透、收縮和早期開裂等性能進行了研究，結果表明，Ⅱ級灰與Ⅲ級灰混凝土耐久性能比較接近。宋少民等［19］配制了超細石灰石粉與低品質粉煤灰復摻的混凝土，研究其抗氯離子滲透性、抗凍性及抗硫酸鹽侵蝕性。粉煤灰摻量分別為8%、12%、20%、40%，復摻總比例為40%。結果表明，隨著粉煤灰替代量的減少，混凝土氯離子滲透系數略有增大，對混凝土抗凍性沒有明顯影響;摻入適量石粉后，混凝土抗硫酸鹽性能受影響不明顯，但石粉摻量過大時會降低混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。本文作者通過試驗對比了不摻粉煤灰和摻20%的Ⅱ級、Ⅲ級粉煤灰對混凝土碳化深度的影響［23］，發現摻粉煤灰的混凝土碳化深度略大于普通混凝土，Ⅱ級灰與Ⅲ級灰混凝土的碳化深度差別不大。上述各項研究表明，低水膠比情況下(0．31～0．40)，適當摻量的低品質粉煤灰混凝土在耐久性方面表現良好。已有研究多采用試驗室加速老化試驗，且大部分耐久性試驗開始時間為28 d養護齡期，并不能完全真實反映低品質粉煤灰混凝土應用于結構中后的耐久性能。

3．4 構件受力性能

劉發水［20］針對公路水泥混凝土路面結構層的要求，設計了彎拉強度不小于4．5 MPa的Ⅲ級粉煤灰混凝土，所采用的Ⅲ級灰僅細度指標不能達到Ⅱ級灰的標準。對100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件進行了三分點加載的彎曲疲勞試驗。結果表明，低品質粉煤灰混凝土的彎曲疲勞壽命具有很大的離散性，且與普通混凝土相比疲勞壽命有所降低，疲勞壽命數值符合雙參數Weibull分布。林旭健等［21］進行了4根Ⅲ級粉煤灰混凝土簡支梁和2根普通混凝土簡支梁(150 mm×300 mm×3 000 mm)的受彎試驗，結果表明，低品質粉煤灰混凝土和普通混凝土梁初裂荷載相近、裂縫開展及寬度相近、破壞形態相似，其抗彎性能沒有明顯區別;彎剪段箍筋應變發展相似，抗剪性能無明顯區別。粉煤灰混凝土梁仍然符合平截面假定，與鋼筋共同工作性能良好。

4 低品質粉煤灰在結構混凝土中應用的問題

已有研究表明，經過合理的品質指標選擇以及配合比設計后，低品質粉煤灰完全可以用于結構混凝土的生產。在低水膠比情況下，通過摻加高效減水劑，低品質粉煤灰也能明顯發揮其活性效應和微集料效應，配制出較高強度的混凝土。已經有實際工程采用Ⅲ級粉煤灰配置C60混凝土并用于結構轉換層澆筑［24］。為了進一步促進低品質粉煤灰在結構混凝土中的應用，還應解決以下問題:

4．1 完善粉煤灰品質評價方法

現行標準用單因子水平評價灰質，細度、需水量比、燒失量若有一項指標不合格，粉煤灰品質就降級處理。許多粉煤灰僅因細度指標略超過25%上限，就被評為Ⅲ級灰。此外，粉煤灰的細度和燒失量直接影響需水量比，相對于細度(≤45%)和燒失量(≤15%)要求較為寬松而言，Ⅲ級灰對需水量比(≤115%)的要求顯得較為嚴格［25］。因此，現行灰質評價標準對我國粉煤灰總體品質狀況的適用性有待提高，按現行標準，我國絕大多數粉煤灰被評判為低品質灰，不能用于結構混凝土，使得粉煤灰有效利用率大大下降。建議將現有單因子評價改為復合因子和復合摻量綜合評價，評價方法應能準確反映粉煤灰在混凝土中的作用。同時可針對低品質粉煤灰活性低、需水量大的缺點，進行活化技術或激發技術的研發。

4．2 改變混凝土傳統設計強度方法

現有各類研究對混凝土耐久性的評價，都是以28 d齡期快速老化試驗結果為基準的。低水膠比情況下，低品質粉煤灰混凝土耐久性表現較好。但在高水膠比條件下，粉煤灰混凝土的水化延緩，現有研究結果都反映粉煤灰使混凝土耐久性下降，特別是抗碳化和耐磨耗［3］。此外，粉煤灰混凝土早期強度通常較低，后期強度增長明顯，甚至會超過不摻粉煤灰的混凝土。現行標準和研究仍以28 d強度及耐久性試驗結果，對粉煤灰混凝土在結構中的應用進行限制依據不足。應考慮低品質粉煤灰混凝土強度隨齡期的發展規律，合理確定其設計強度，并以拌和試驗結果確定粉煤灰在混凝土中的應用范圍和合理摻量，以和易性、力學性能、耐久性等是否達到設計規定和施工要求為準。

4．3 完善結構設計規范中的相關規定

現行國家標準對粉煤灰在結構混凝土中的應用摻量和品質都有較為嚴格的限制。Ⅲ級粉煤灰主要用于無筋混凝土，對設計強度等級C30及以上的無筋粉煤灰混凝土，宜采用I級、Ⅱ級粉煤灰［2］。結構鋼筋混凝土中粉煤灰摻量一般不超過膠凝材料的20% ～25%，保護層厚度不足5 cm時還應減小摻量。現有的配合比設計將粉煤灰視作火山灰質材料，作為膠凝材料的一部分替代水泥摻入混凝土。因此進行配合比設計時總是將不摻粉煤灰的混凝土作為基準，再逐漸增大粉煤灰摻量的比例，這樣通常導致早期強度降低，而后期強度超過普通混凝土［3］。目前在低品質粉煤灰配制結構混凝土方面還缺少指導意見和設計方法。需要積極開展低品質粉煤灰混凝土構件及結構層次的試驗研究，掌握低品質粉煤灰混凝土與普通鋼筋以及高強鋼筋的協同工作性能，掌握低品質粉煤灰鋼筋混凝土構件的耐久性能和長期性能，制定相應的設計方法以指導工程實踐。

5 結語

已有研究結果表明，低品質粉煤灰經過合理的品質指標選擇和配合比設計后可用于結構混凝土，其各項力學性能及耐久性能等與Ⅱ級粉煤灰混凝土相差不大。建議在進一步研究基礎上，通過粉煤灰品質的復合因子評價方法、考慮齡期影響的強度設計方法等，綜合考慮粉煤灰的品質差異以及結構使用的環境要求、粉煤灰混凝土的設計強度、構件早期養護等影響因素，以促進低品質粉煤灰在結構混凝土中的推廣應用。

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