大摻量粉煤灰混凝土性能研究★

王松鶴 李鴻霖 孫浩浩 王 彬 石榮生

(中國礦業大學徐海學院,江蘇 徐州 221008)

大摻量粉煤灰混凝土性能研究★

王松鶴 李鴻霖 孫浩浩 王 彬 石榮生

(中國礦業大學徐海學院,江蘇 徐州 221008)

粉煤灰是工業副產品，實際生產中排放量巨大。在混凝土中摻加粉煤灰，不但可以變廢為寶，還能降低混凝土的成本，其中大摻量粉煤灰混凝土的應用更是優勢巨大。通過對現有研究情況的歸納總結，簡述了大摻量粉煤灰混凝土在強度、耐久性等方面的研究現狀。

大摻量粉煤灰，強度，耐久性

1 概述

粉煤灰又稱飛灰，是現代工業的附屬產品，屬火山灰制材質，通常所指的粉煤灰為火力發電廠煤粉燃燒后經裝置收集的物質。目前國內粉煤灰處于高排放量低利用率的階段，大部分粉煤灰在灰庫中滯留，如何有效利用粉煤灰是目前所面臨的問題。粉煤灰多呈灰褐色，含有較多硅鋁化合物，在工程中主要用在混凝土，路基回填，墻體、磚體材料等方面，而其中作為混凝土的摻合料是解決粉煤灰問題的主要途徑之一。

隨著建筑結構等的不斷發展，對混凝土性能的要求也越來越高。但高性能常伴隨高成本，尋找價格便宜、來源豐富的材料來配制高性能混凝土，就顯得尤為重要。已有的研究表明，在普通混凝土中摻入粉煤灰等摻合料，會對混凝土的許多性能產生有利的影響，同時粉煤灰的利用還可以節省能源、減少污染。目前，相關規范中規定粉煤灰摻量一般不超過30%。為了更有效的利用粉煤灰，研究大摻量粉煤灰混凝土勢在必行，這樣不僅可以充分地利用粉煤灰，化害為利、保護耕地、節約能源，而且在改善混凝土的工作性能、強度、耐久性和綜合造價上亦有較大優勢。推進大摻量粉煤灰混凝土在工程中的應用符合建筑業的長遠發展。

2 目前主要研究方向

2.1配制技術

粉煤灰混凝土配合比的設計，其主要目的是確定合理、經濟、符合要求的材料組合，并通過試配等來滿足混凝土各方面的性能。

粉煤灰混凝土配合比設計常采用超量取代法進行計算，即按照JGJ 55—2011普通混凝土配合比設計規程要求設計基準混凝土配合比，然后以此為基礎根據等標號原則再采用粉煤灰超量取代水泥的方法進行配合比設計。但對于大摻量粉煤灰混凝土配合比的設計來說，由于粉煤灰摻量較大，其對混凝土性能的影響不同于普通混凝土，需要將粉煤灰作為混凝土的一個單獨變量來考慮。國內外學者均提出了一些計算方法，如Dunstan提出的三維設計法、Dhir提出的圖表設計法，艾紅梅引入的粉煤灰膠凝系數β法等[1]，但這些大摻量粉煤灰混凝土配合比的設計方法均存在缺陷，其配制技術需要進一步研究。

2.2強度影響

大量研究表明，大摻量粉煤灰替代水泥后，混凝土的早期強度發展較為緩慢，后期強度則提高較多，一般情況下其抗壓強度在28 d～6個月期間增長幅度較大。這是由于隨著齡期的增長，大摻量粉煤灰混凝土水化程度逐漸提高，水化產物增多，強度、密實性不斷提高，甚至高于基準混凝土。

在實際工程中，由于大摻量粉煤灰混凝土存在早期強度較低的特性，導致現場施工拆模時間延長，影響施工工期。改善大摻量粉煤灰混凝土的早期強度，對大摻量粉煤灰混凝土在工程中的應用推廣意義重大。為解決此問題，諸多學者進行了大量的研究[2-6]。有研究發現，將納米材料(納米SiO2或納米CaCO3)適量添加到混凝土中等量代替水泥后，混凝土的抗壓強度和抗拉強度，尤其是早期強度有較大幅度的提高，納米材料對混凝土早期力學性能的改善優于后期。但是限于目前納米材料的昂貴價格，納米混凝土還未能廣泛應用。若能解決納米材料成本問題或者選取其他廉價的摻合料來改善粉煤灰混凝土早期強度低的問題，可大大推動粉煤灰的開發利用。

2.3耐久性影響

隨著經濟和社會的發展，混凝土的耐久性問題已日益被人們重視。混凝土的耐久性問題主要有兩方面原因，一方面由于混凝土本身受到影響，另一方面由于內部鋼筋受到影響。近年來，大摻量粉煤灰混凝土技術在工程中的應用越來越多，對其耐久性能的研究也較多。主要包括抗滲性、抗碳化和抗凍性等方面。

2.3.1抗滲性研究

混凝土材料的抗滲性是其耐久性方面最重要的性能之一，當混凝土的抗滲性較差時，外部有害介質容易侵入混凝土內部，造成混凝土的性能退化。與普通混凝土相比，摻粉煤灰材料的混凝土的抗滲性能較優，這是因為粉煤灰的火山灰反應會生成一種水化硅酸鈣，這種水化硅酸鈣會進入混凝土的空隙中，使得混凝土的密實度得以提高[7]。

2.3.2抗碳化研究

混凝土的碳化指的是水泥中的水化產物和外界的二氧化碳發生作用，生成硅酸鹽等物質的現象。混凝土碳化后堿度降低，內部環境由堿性向酸性發展，使得混凝土內部的鋼筋喪失鈍化保護。混凝土碳化的主要影響因素有三個：外界環境的二氧化碳濃度，內部化學因素和內部的物理因素。其中，內部的物理因素主要指二氧化碳由混凝土外部向內部的擴散，而擴散速率則主要受混凝土孔隙情況影響，因此，混凝土的密實度是影響混凝土碳化的一個非常重要的因素。粉煤灰是具有活性的摻合料，主要含有SiO2和Al2O3，這些成分與水泥水化產物反應后填充了混凝土內部成型時出現的一些孔隙和孔洞，降低了混凝土的孔隙率，切斷了二氧化碳進入混凝土內部的通道，使得混凝土的抗碳化能力得到改善。研究發現，粉煤灰的摻量在一定摻量范圍(30%左右)時，混凝土的后期抗碳化能力較好[8]。而大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能隨粉煤灰摻量的增加(超過50%)有降低趨勢，需要采取其他措施來提高抗碳化性能。

2.3.3抗凍性研究

抗凍性是混凝土耐久性能優劣的主要指標之一。凍融循環后，混凝土遭到破壞，嚴重影響其使用壽命。混凝土在凍融循環作用下，交替產生膨脹和收縮變形，使得混凝土結構逐漸發生損壞，進而嚴重影響結構的安全性，因此提高混凝土的抗凍性能尤為重要。目前對普通混凝土的抗凍性能研究較多，對大摻量粉煤灰混凝土抗凍性能的研究也已開展。研究表明，混凝土中摻入適量粉煤灰可以起到填充效應和火山灰效應，大大改善了混凝土的微觀結構，使得混凝土的結構變得更為致密，抗凍性能得以提高。

2.4高溫影響

混凝土結構在使用過程中可能會遭受火災高溫作用，因此除了要保證其常溫下的性能，也應保證其火災高溫后的性能。近年來，許多學者對混凝土材料包括大摻量粉煤灰混凝土材料高溫后的性能進行了相關研究。研究表明，隨著受熱溫度的升高，大摻量粉煤灰高溫后抗壓、抗拉強度不斷降低，但降低幅度低于普通混凝土，當粉煤灰摻量為40%左右時，高溫后殘余強度最高[9]。

2.5微觀分析

采用X射線衍射技術和電鏡微觀測試技術來分析混凝土內部的微觀形貌結構，是目前分析粉煤灰對混凝土影響機理的常用手段。混凝土在宏觀上所表現出來的強度、耐久性、耐高溫性等特征，從根本上取決于混凝土的微觀結構。因此，從大摻量粉煤灰混凝土微觀結構研究的進展出發，探討混凝土結構演化機制和結構模型的特點，進而指出實際工程中混凝土出現問題的所在，并為最優性能的大摻量粉煤灰混凝土提供可靠方案，進行微觀分析必不可少。現有研究顯示，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥硬化后水泥漿體的孔溶液堿度有一定程度的降低，硬化后，隨著齡期的增加，水泥漿體結構不斷密實。

3 結語

對大摻量粉煤灰混凝土各方面性能的研究，有助于粉煤灰在實際工程中的推廣應用，對于降低施工成本，改善混凝土結構的工作性能有重要意義。目前除了在混凝土中摻粉煤灰外，其他材料，如納米材料、礦渣等的復合摻加對混凝土的影響還需要進行系統的研究。

[1] 艾紅梅，王立久.大摻量粉煤灰混凝土配合比設計的理論研究[J].防災減災工程學報，2010，30(sup)：365-368.

[2] 黃 聰.大摻量粉煤灰混凝土力學性能試驗及應用[J].人民長江，2015，46(S1)：189-192.

[3] 胡小鋒，方曉瑞，胡春環.粉煤灰對高強混凝土性能的影響[J].華北水利水電學院學報，2009，30(5)：53-55.

[4] 李 輝，曹敏麗，張 偉，等.大摻量超細粉煤灰高強混凝土研究[J].硅酸鹽通報，2014，33(5)：1028-1034.

[5] 魯良輝.納米SiO2復摻粉煤灰對混凝土抗壓強度研究[J].建筑技術，2017，48(1)：41-43.

[6] 陳燕飛，孟云芳，李鐵軍.摻納米SiO2、粉煤灰高性能混凝土的力學性能試驗研究[J].寧夏工程技術，2011，10(3)：229-231.

[7] 王 鵬，杜應吉.大摻量粉煤灰混凝土抗滲抗凍耐久性研究[J].混凝土，2010(12)：76-78.

[8] 劉 斌.大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能[J].混凝土，2003(3)：44-47.

[9] 賈福萍，崔艷莉，孫宜兵，等.高溫作用對大摻量粉煤灰混凝土力學性能影響[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2011，43(4)：581-586.

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WangSongheLiHonglinSunHaohaoWangBinShiRongsheng

(XuhaiCollege,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)

Fly ash is the industrial byproduct, and the emission of fly ash is enormous. Mixing with fly ash in concrete can not only turn waste into wealth, but also reduce the cost of concrete. And the application of large amount of fly ash concrete has great advantage. The research status of large amount of fly ash concrete on strength and durability are described through the summary of the existing research situation.

large amount of fly ash, compressive strength, durability

1009-6825(2017)29-0123-02

2017-08-05 ★:江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃資助項目(201713579007Y)

王松鶴(1996- )，男，在讀本科生

TU502

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