復摻粉煤灰和硅灰對混凝土力學性能的影響

周躍森　符聰沖

摘 要：混凝土的性能受多種因素的影響，摻入粉煤灰和硅灰，混凝土的性能會有明顯的改善。對單摻粉煤灰、硅灰和復摻粉煤灰、硅灰對混凝土力學性能影響的研究，并展望了復摻粉煤灰和硅灰對混凝土性能的研究前景。

關鍵詞：混凝土；粉煤灰；硅灰；力學性能

混凝土是當前用途最廣、用量最大的人造土木工程材料，也是單位質量產品能耗最低的材料之一，并主要用于工程結構。眾多研究表明，在混凝土中摻入礦物摻合料既能減少水泥用量也能改善混凝土的力學性能，在實際生產中應用越來越廣泛。在混凝土中摻入優質的礦物摻合料，不但能取代水泥、節約能源以及減少環境污染，也被譽為混凝土的“第六組分”。例如粉煤灰是一種具有火山灰活性的礦物摻合料，在混凝土中摻入粉煤灰，將有利于其后期強度的發展。但單一的礦物摻合料對混凝土性能會產生一些不利影響，例如新拌混凝土的泌水量會變大、和易性變差、早期強度降低等，使它在工程應用中受到一些限制。如果將兩種甚至多種礦物摻合料復合使用，可能會產生復合交互效應，不失為改善混凝土綜合性能的有效途徑。已有研究表明同時在混凝土中摻粉煤灰和礦粉，比單摻粉煤灰或礦粉具有更好的效果。

在我國，硅灰通常是作為摻合料用于混凝土產業中，不僅可節約水泥熟料，降低成本，還能減少環境污染，保護環境，此外硅灰具有很好的活性，能夠很好的改善混凝土的性能。

由此，本文對不同齡期，不同水膠比，單摻和復摻粉煤灰、硅灰混凝土的抗壓和抗拉強度進行了實驗研究。

1 試驗原材料與方案

1.1 試驗原材料

1.1.1 膠凝材料

水泥：試驗采用杭州海獅水泥有限公司產的普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，其化學成分及物理力學性能如表1所示。

1.1.2 其它材料

試驗所用的砂為天然河砂，屬于Ⅱ級中砂，孔隙率40.2%，細度模數2.6，堆積密度1630kg/m3，表觀密度2.56g/cm3；石子為5mm-25mm的碎石，堆積密度為1465kg/m3；減水劑為萘系高效減水劑，減水效率20%；水為自來水。

1.2 試驗方案

①在水膠比為0.5的情況下，取砂率為34%。用粉煤灰替代0%、15%、30%以及45%的水泥，對不同粉煤灰摻量的混凝土抗拉、抗壓強度進行試驗研究，分析粉煤灰摻量對混凝土抗拉、壓強度的影響；

②在試驗①的基礎上，摻入硅灰，分析復摻粉煤灰和硅灰對混凝土抗壓、抗拉強度的影響；

③在試驗①、②的基礎上，分別取水膠比0.4和0.6，對混凝土抗拉、抗壓強度進行研究，分析水膠比對復摻粉煤灰和硅灰的混凝土抗拉、抗壓強度的影響；

為了所拌制的混凝土能滿足施工泵送要求，調配外加劑的摻量，使混凝土的坍落度處于160mm-180mm內?；炷恋木唧w配合比如表4所示。

混凝土抗壓、抗拉強度的試件尺寸為150mm×150mm× 150mm，并按規范要求制作、養護，當養護齡期達到3d、7d、28d時分別測試不同配合比的混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度。

2 試驗結果和分析

2.1 粉煤灰摻量對混凝土強度的影響

從圖1、圖2可知，混凝土的強度隨著粉煤灰摻量的變化而變化，摻入粉煤灰使混凝土的前期抗壓強度均有所下降，其中FA30（0.5）和FA45（0.5）這兩組降幅較明顯。此外，7d齡期前摻粉煤灰的混凝土的抗壓強度發展比未摻粉煤灰的慢，且摻量越大，強度增長越緩慢。但在后期，粉煤灰混凝土的抗壓強度增長較快。在28d齡期時，FA15（0.5）的抗壓強度甚至要大于FA0（0.5），而FA30（0.5）和FA45（0.5）的抗壓強度雖增長較快，但仍舊比FA0（0.5）的低。

在劈裂抗拉強度方面，早期摻粉煤灰混凝土的抗拉強度較低，FA45（0.5）的尤其明顯。后期摻粉煤灰混凝土的抗拉強度有所提高，但仍然比FA0（0.5）的要低。由此可見，劈裂抗拉強度可能是限制摻粉煤灰混凝土綜合性能的一個指標。根據本次實驗的結果，分析混凝土抗壓、抗拉強度之間的關系（如圖3），得式2-1：

由此可知，本次試驗所擬合的公式和現有已知公式雖大致相同，但還存在差異，考慮試驗組數有限，系統誤差得不到完全檢定和校正。

2.2 單摻硅灰及復摻粉煤灰和硅灰對混凝土強度的影響

根據以上分析結果，認為粉煤灰摻量的相對最佳值約為30%，因此以下試驗均以粉煤灰摻量30%為試驗參數。從圖4，圖5可知，在3d齡期，FA0S（0.5）的抗壓強度要比FA0（0.5）的低，且FA30S（0.5）的抗壓強度比FA30（0.5）的要低。但到了7d齡期，FA0S（0.5）的抗壓強度有明顯的增長且比FA0（0.5）的要高。到28d齡期時，FA0S（0.5）的抗壓強度雖然比FA0（0.5）的要高，但是相差不大。FA30S（0.5）的抗壓強度在3d，7d齡期時雖然都比FA30（0.5）的要低，但是增長速度比FA30（0.5）的要快，到了28d齡期時，FA30S（0.5）的抗壓強度就比FA30（0.5）的要高?？梢姽杌沂强梢蕴岣呋炷猎缙趶姸鹊?。

在劈裂抗拉強度方面，早期FA0S（0.5）的抗拉強度比FA0（0.5）的要低，FA30S（0.5）的抗拉強度也要低于FA30（0.5）的抗拉強度。在7d齡期和28d齡期時，FA0S（0.5）的抗拉強度比FA0（0.5）和FA30（0.5）的抗拉強度均有較大的提升，而FA30S（0.5）的抗拉強度比FA30（0.5）的抗拉強度要低。

綜上所述，單摻硅灰可以提高混凝土早期的抗壓和抗拉強度。在此次試驗中硅灰對強度的提高不能彌補粉煤灰對強度的減少，可能它們之間存在一個最優配比，既能提高混凝土的強度也能彌補單摻粉煤灰混凝土在前期抗拉強度的不足。endprint

2.3 水膠比對復摻粉煤灰和硅灰混凝土強度的影響

從圖6，圖7分析可知，在混凝土其它配比不變，養護條件相同的情況下，FA30S（0.4）的抗壓強度在3d齡期雖然是最小，但增幅最大。到28d齡期時，FA30S（0.4）抗壓強度最大，FA30S（0.6）的抗壓強度最小，FA30S（0.5）則居中。

在抗拉強度方面，3d齡期時，三者的抗拉強度相差不大，到了28d齡期，FA30S（0.4）抗拉強度最大，FA30S（0.6）的抗拉強度最小，FA30S（0.5）居中。

可見，復摻粉煤灰和硅灰的混凝土抗壓，抗拉強度與普通混凝土一樣，在一定范圍內隨著水膠比的增大而減小。

3 結語

混凝土在摻入粉煤灰后，若量較少則對混凝土前期的強度影響不大，摻量過大則強度會有明顯的降低。在中后期摻粉煤灰的混凝土的強度增長較快。當摻量在15%和30%之間時，28d齡期的抗壓強度會比未摻粉煤灰的混凝土高。但粉煤灰對混凝土的抗拉強度增幅較小。

單摻硅灰會提高早期混凝土的抗壓，抗拉強度。復摻粉煤灰和硅灰時，它們之間應該存在一個最優配比，既能提高混凝土的強度也能彌補單摻粉煤灰混凝土在早期抗拉強度的不足。

在混凝土其它配比不變，養護條件相同的情況下?；炷镣g期的抗壓強度會隨著水膠比的減小而逐漸提高?？梢?，水膠比是影響混凝土強度的不能忽視的重要因素。

混凝土的強度會隨著齡期的延長而增大。

在進行公路，橋梁，機場等道面混凝土施工時，不妨在混凝土中復摻粉煤灰和硅灰，并用高效減水劑控制好坍落度，這樣不僅混凝土早期強度得到提高，而且后期強度的增長也有了保證，混凝土的性能和結構得以改善。

4 展望

本研究中硅灰摻量只有5%一種，且只與30%摻量的粉煤灰復摻。復摻其它量的硅灰和粉煤灰對于混凝土力學性能的影響還有待研究。

本研究中混凝土的力學性能試驗齡期為3d，7d，28d，對于后期粉煤灰和硅灰對混凝土的力學性能的影響無法準確得知，還有待于延長齡期進行觀察試驗。

本研究中，混凝土試塊是在20℃恒溫養護條件下測試混凝土的力學性能，而實際應用中環境溫度變化會可能會導致其性能變化，因此不同溫度養護條件下混凝土的性能有待研究。

本研究只研究了粉煤灰和硅灰對混凝土力學性能的影響，而實際應用中還可能要考慮到混凝土的抗凍性，抗滲性，耐久性等性能。所以粉煤灰和硅灰對混凝土其它性能的影響還有待研究。

確定一個改進混凝土綜合性能的最優粉煤灰、硅灰替代比并將其應用于實際生產中。既能減少水泥用量，改善混凝土性能，又科學環保符合可持續發展的主題。隨著我國的建筑不斷向高層化、大型化、現代化發展，高性能混凝土必將越來越受到人們的重視。

參考文獻

[1] JOAO A.Rossignolo，Marcos V.C.Agnesini.Mechanical properties of polymer-modified lightweight aggregate concrete[J].Cement and ConcreteResearch，2002，32：329-334.

[2] WU Z.Green high performance concrete-The development trend of concrete[J].Concr.Cem.Prod，1998（1）：3-5.

[3] 楊華全，董維佳，王仲華.摻礦渣微粉和粉煤灰的混凝土性能試驗研究[J]，人民長江，2001（11）：30-32.

[4] Mohammad I K，Rafats.Utilization ofsilica fume in concrete：Review of durability properties[J].Resources，Conservation and Recycling，2011，57： 30-35.

[5] 張亞梅，孫道勝，秦鴻根.土木工程材料[M].南京：東南大學出版社，2013.

[6] 姜德民.硅灰對高性能混凝土強度的作用機理研究[J].建設技術開發，2001（4）：44-46.

基金項目：2015年浙江省大學生科技創新活動計劃暨新苗人才計劃（項目編號：2015R412022）；2014年紹興市大學生科技創新項目（項目編號：JYSXKC1402）。

作者簡介：周躍森（1993- ），男，浙江東陽人，本科，浙江農林大學暨陽學院，研究方向：土木工程。endprint