不同種類粉煤灰對混凝土性能的影響

王偉，楊善順，連亞明，陳賢錫

（廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

不同種類粉煤灰對混凝土性能的影響

王偉，楊善順，連亞明，陳賢錫

（廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

在試配過程中發現不同顏色的粉煤灰對混凝土工作性影響較大，即采用兩種不同顏色的粉煤灰拌制混凝土進行對比研究，包括工作性和抗壓強度。試驗結果表明，同強度等級同配合比條件下，黃色粉煤灰拌制的混凝土工作性更好；28d 抗壓強度對比中，黃色粉煤灰拌制混凝土強度偏低。通過對兩種顏色粉煤灰進行微觀分析，包括 XRD、SEM、激光粒度分析和主要物質成分分析，解釋了兩種顏色粉煤灰對混凝土性能的影響機理。

粉煤灰；混凝土性能；XRD；SEM

0 引言

在當代混凝土中，活性礦物摻合料，尤其是粉煤灰的品質，直接影響到混凝土拌合物的施工性能、硬化后混凝土的力學性能以及混凝土結構件在長期使用中的耐久性能。因此，具有良好品質和穩定性的粉煤灰是確保混凝土實現高性能的重要前提[1-2]。

粉煤灰可以簡單地解釋為：“粉”就是很細的粉末；“煤”說明粉煤灰的來源是煤；“灰”則是經過燃燒后產生的灰燼。具體到我國，粉煤灰主要來自于燃煤電廠煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰。粉煤灰已經從一種工業廢棄物轉變為了不可或缺的新興建材原料和化工產品的原料[3-4]。

粉煤灰的主要來源是以煤粉為燃料的火電廠和城市集中供熱鍋爐，由此可見，粉煤灰的性能與燃燒的煤粉密不可分。最直觀的就是粉煤灰的顏色，常見的粉煤灰顏色在乳白色到灰黑色之間變化。為研究不同顏色的粉煤灰對混凝土性能的影響，筆者分別采用了兩種顏色的粉煤灰進行對比研究，包括混凝土拌合物的和易性和抗壓強度。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

試驗選用福建紅獅水泥股份有限公司的 P·O42.5R水泥，表觀密度 3100kg/m3，28d 抗壓強度 50.2MPa；三鋼集團股份有限公司的 S95 級礦粉，表觀密度2920kg/m3，28d 活性指數 102%；細集料為河砂，表觀密度 2610kg/m3，細度模數 2.6；粗集料為普通碎石，表觀密度 2670kg/m3，粒徑 5～20mm（石 1）和16～31.5mm（石 2）兩種；外加劑采用福建科之杰新材料有限公司的聚羧酸高性能減水劑，減水率 30%；試驗用水為自來水，滿足現行行業標準 JGJ 63—2006《混凝土用水標準》的要求。試驗研究了廈門某公司生產的黃色和灰白色兩種顏色的粉煤灰，如圖 1 和圖 2 所示。兩種粉煤灰的部分技術指標如表 1 所示。

圖 1 黃色粉煤灰

圖 2 灰白色粉煤灰

表 1 粉煤灰技術指標

1.2 試驗方法

粉煤灰的細度、需水量比按照 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》進行試驗；混凝土坍落度按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；混凝土的力學性能按照 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性試驗能方標準》進行測試。

1.3 試驗方案

為了充分研究兩種顏色的粉煤灰對混凝土性能的影響，分別用兩種粉煤灰配制了 C40、C45、C50 三個強度等級的混凝土，并進行試驗，具體配合比見表 2。試驗時保持配合比不變，僅僅更換兩種不同顏色的粉煤灰進行對比。

表 2 強度等級 C40～C50 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果及數據分析

2.1 試驗結果

根據表 2 的混凝土配合比，進行了試拌，試拌結果如表 3 所示。從表 3 中看出，強度等級 C40，用黃色粉煤灰拌制的混凝土坍落度 200mm，灰白色粉煤灰拌制的混凝土坍落度 150mm，黃色粉煤灰拌制的混凝土工作性明顯比灰白色粉煤灰拌制的混凝土工作性好；其余兩個強度等級，黃色粉煤灰拌制的混凝土坍落度也明顯大于灰白色粉煤灰拌制的混凝土坍落度。提高外加劑的摻量，使得兩種顏色粉煤灰拌制的混凝土工作性相同，成型 (150×150×150)mm3標準立方體試塊，標準養護，測得了 7d 和 28d 的抗壓強度，如表 3 所示。

表 3 強度等級 C40～C50 混凝土試拌結果

由表 3 可以看出，達到相同工作性時，外加劑的摻量對比。從圖 1 中可以看出，各強度等級中，采用黃色粉煤灰拌制的混凝土需要的外加劑摻量較小，C40 和C45 的混凝土外加劑摻量差值 0.05%，C50 的混凝土外加劑摻量差值達到 0.1%，為研究產生成這種差值的原因，分別檢測了兩種粉煤灰的需水量比。檢測結果：黃色粉煤灰的需水量比為 91%，而灰白色粉煤灰的需水量比為 99%，進而從側面佐證了混凝土試拌結果。

圖 1 是兩種顏色粉煤灰 7d 抗壓強度對比，可以看出兩種顏色的粉煤灰拌制的混凝土 7d 抗壓強度相差無幾。其中 C40 和 C50 兩個強度等級，黃色粉煤灰拌制的混凝土比灰白色粉煤灰拌制混凝土 7d 抗壓強度稍高；C45 強度等級，灰白色粉煤灰拌制的混凝土比黃色粉煤灰拌制混凝土 7d 抗壓強度稍高。

圖 2 是兩種顏色粉煤灰 28d 抗壓強度對比，可以看出兩種顏色的粉煤灰拌制的混凝土 28d 抗壓強度相差較大。3 個強度等級對比中，黃色粉煤灰拌制的混凝土比灰白色粉煤灰拌制的混凝土 28d 抗壓強度低 5MPa 左右。兩種顏色粉煤灰拌制的混凝土 28d 強度都能滿足設計要求。

圖 1 兩種顏色粉煤灰 7d 抗壓強度對比

圖 2 兩種顏色粉煤灰 28d 抗壓強度對比

2.2 數據分析

圖 3 是兩種粉煤灰的 XRD 圖像，f-1# 是黃色粉煤灰，f-2# 是灰白色粉煤灰。從圖中可以看出，兩種粉煤灰中都含有 Fe2O3，也就是意味著，粉煤灰呈現黃色并非因為含有 Fe2O3，而是其他原因。與黃色粉煤灰相比，灰白色粉煤灰中含有大量的莫來石。莫來石是一系列由鋁硅酸鹽組成的礦物統稱，莫來石是 Al2O3-SiO2系中唯一穩定的二元化合物[6]。兩種粉煤灰中都含有大量的石英和碳。

圖 3 兩種粉煤灰的 XRD 圖像

表 4 主要物質成分 %

表 5 激光粒度分析 %

表 4 給出了兩種粉煤灰主要物質成分。從表中可以看出，兩種顏色的粉煤灰中 Fe2O3的含量在 15.5% 左右，直接證明粉煤灰顯黃色，不是因為含有 Fe2O3；兩種顏色的粉煤灰中 Al2O3的含量，黃色粉煤灰比灰白色粉煤灰低 7.23%；兩種顏色的粉煤灰中 SiO2的含量，黃色粉煤灰比灰白色粉煤灰低 6.63% ；兩種顏色的粉煤灰中 CaO 的含量，黃色粉煤灰比灰白色粉煤灰高4.63%，這正是粉煤灰顯黃色的原因，從資料得知，高鈣粉煤灰顯黃色。

粉煤灰化學成分中含有大量活性 SiO2和 Al2O3，在潮濕的環境中與 Ca(OH)2等堿性物質發生化學反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質，是硬化強度的主要來源[7-8]。分析認為：黃色粉煤灰 28d 抗壓強度偏低，是因為黃色粉煤灰中 Al2O3和 SiO2含量相比灰白色粉煤灰偏低 14%。

從表 5 兩種顏色粉煤灰激光粒度分析結果可以看出，黃色粉煤灰粒徑小于 7.423μm 的顆粒體積含量占全部顆粒的 50%，灰白色粉煤灰粒徑小于 17.564μm的顆粒體積含量占全部顆粒的 50%；黃色粉煤灰粒度＜3μm 含量占 28.844%，粒度＞65μm 含量占 0.049%，灰白色粉煤灰粒度＜3μm 含量占 11.956%，粒度＞65μm 含量占 6.659%，即黃色粉煤灰相對灰白色粉煤灰平均粒度要小。從資料得知：粉煤灰顆粒分布越偏向于細小顆粒，顆粒形狀因子中圓度越大，則細小而密實的玻璃體含量越高，因而活性也越大，需水量就越小。解釋了前面黃色粉煤灰需水量比較小的現象[9-10]。

圖 4 分別給出了兩種顏色粉煤灰的 SEM 圖像。從圖像中可以看出，兩種粉煤灰都含有大量的球形玻璃微珠，都是質量良好的粉煤灰。通過對比發現，黃色粉煤灰微型玻璃微珠（＜3μm）含量更高，印證了激光粒度分析的測試結果。

3 結論

（1）黃色粉煤灰拌制混凝土和易性更好，但是28d 抗壓強度相比灰白色粉煤灰降低 5MPa 左右。

（2）黃色粉煤灰中 Al2O3和 SiO2含量相比灰白色偏低 14%，是黃色粉煤灰抗壓強度偏低的主要原因。

（3）粉煤灰顯黃色，是因為 CaO 含量較高。

（4）黃色粉煤灰拌制混凝土和易性更好，是因為其平均粒度比灰白色粉煤灰小，微型玻璃微珠更多。

圖 4 兩種粉煤灰 SEM 圖像

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[2]孫家國，谷艷玲．基于礦渣微粉和粉煤灰再生混凝土配制的試驗研究[J]．混凝土，2016(3): 110-113．

[3]陸小黑，劉煥成，王彩萍，等．機械活化對粉煤灰作為水泥混合材使用性能的影響[J]，粉煤灰綜合利用，2013(6): 28-29．

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[6]王子儀，王智，孫化強，等．脫硝對粉煤灰作為礦物摻合料性能的影響[J]．硅酸鹽通報，2016,35(3): 884-890．

[7]李源，賈磊，馬清波．粉煤灰、礦粉摻合料對低強度等級混凝土的強度及和易性的影響[J]．混凝土，2014, 10: 93-98．

[8]李旭光，陶珍東，楊鶴，等．粉煤灰粒度分布對水泥性能的影響[J]，徐州工程學院學報（自然科學版），2014, 29(1): 53-57．

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[10]閻莉．減水劑、粉煤灰及水灰比對混凝土坍落度的影響[J]．城市建筑，2015(33): 234-234．

王偉（1988—），男，工程師，福建廈門，主要從事新型混凝土及建筑材料研究工作。

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