粉煤灰對混凝土孔結構與強度的影響

趙傲銘　王志華　楊曉林　張彬彬　查勤雄

摘要：為探究粉煤灰對混凝土孔結構與抗壓強度的影響，利用壓汞分析了粉煤灰的摻量及粒徑分布對混凝土分級孔徑孔隙率和抗壓強度的影響。研究表明：在同齡期同粉煤灰摻量下，隨著粉煤灰粒徑的減小混凝土孔隙率逐漸降低，多害孔、有害孔逐漸減少，無害孔和少害孔逐漸增加，同時通過對混凝土各孔級分孔隙率分形維數計算，發現混凝土孔隙體積分形維數與抗壓強度之間有比較好的相關性。

關鍵詞：混凝土；粉煤灰；抗壓強度；分形維數

Effect of fly ash admixture on the structure and strength of concrete hole

Zhao AomingWang ZhihuaYang XiaolinZhang BinbinZha Qinxiong

School of Civil EngineeringQinghai UniversityQinghaiXining 810016

Abstract：In order to explore the influence of fly ash on the pore structure and compressive strength of concrete， the influence of fly ash content and particle size distribution on the graded pore size and porosity and compressive strength of concrete was analyzed by mercury intrusion analysis. The results show that： in the same age with fly ash， with the decrease of the particle size of fly ash concrete porosity decreased gradually， and many holes and harmful pores gradually reduced， and less harmful and harmless pore hole increases gradually， and through the calculation of concrete of the hole fraction porosity fractal dimension， a better correlation between the concrete pore volume fractal dimension and compressive strength.

Key words：Concrete； fly ash； compressive strength； fractal dimension

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）水泥：青海水泥股份有限公司生產的42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積380m2/kg。

（2）骨料：碎石，5～20mm 連續級配；砂： 細度模數為 2.7 的中砂。

（3）減水劑：減水率18%25% 。

（4）粉煤灰：一級粉煤灰。

1.2 試驗方法

（1）制備不同粒徑的粉煤灰。以粉煤灰研磨時間為控制指標，用球磨儀制備不同粒徑的粉煤灰[13]。然后利用激光粒度儀測試各自的粒徑范圍，其結果見表1。

（2）試驗配合比。采用標準養護，試件尺寸 100 mm × 100 mm × 100 mm，粉煤灰等量替代水泥的比例為 16% 、18% 、20%。水灰比為0.42，試驗用混凝土配合比見表 2。

（3）壓汞試驗試件的制備。將養護至7d齡期的混凝土試塊，在試塊中心部分取直徑 3～5 mm 不含石子的砼碎塊，放置于無水乙醇中浸泡48小時，然后在烘箱中不間斷烘干24h，烘干溫度105℃。最后放入壓汞儀器中進行MIP壓汞試驗[48]。

2 試驗結果與分析

2.1 不同齡期混凝土強度與粉煤灰摻量的關系

以粉煤灰粒徑為F0的混凝土為例，試驗組粉煤灰取代量為16%～20%，齡期為3d、7d、28d砼抗壓強度測試結果如表3，摻量和強度關系見圖1。

由圖1可知，粉煤灰的摻入對混凝土早期強度有一定影響。粉煤灰取代量為15%的砼在養護齡期為3d、7d的抗壓強度平均值分別下降了5.2MPa和3.7MPa，強度百分率分別下降了17.1%和10.4%，可見混凝土早期抗壓強度隨著粉煤灰的加入有一定下降[9]，粉煤灰摻量為15%的砼抗壓強度較大，摻量為20%的砼抗壓強度相對較小。

2.2 不同齡期混凝土抗壓強度與粉煤灰粒徑分布的關系

當粉煤灰摻量為15%時，砼抗壓強度相對較大，能較好凸顯粉煤灰粒徑分布對砼抗壓強度的影響，為進一步探究其關系，選取粉煤灰粒徑大小為F0、F1、F2，摻量為15%三種砼，測試其齡期為3d、7d、28d的抗壓強度，測試結果如圖2所示。

由圖2可見，養護齡期與砼的抗壓強度大致成正比關系。在試件養護早期，粉煤灰粒徑較小的試驗組抗壓強度在一定程度上高于對照組的抗壓強度，在養護后期，兩者抗壓強度極為接近。養護齡期7d時，粒徑F2的粉煤灰所對應砼抗壓強度相比粒徑F0、F1粉煤灰所對應砼抗壓強度分別增長19MPa、1.4MPa，強度增長率分別為5.9%、4.3%；而在養護齡期為28d時粒徑F2粉煤灰對應的砼抗壓強度相比粒徑F0、F1粉煤灰對應的砼抗壓強度分別增長0.8MPa、0.4MPa，強度增長率分別為1.8%、0.9%。

2.3 不同粒徑分布不同摻量粉煤灰對混凝土孔隙分形維數的影響

不同粉煤灰摻量和粒徑分布與砼孔隙分形維數計算結果如表4。

由圖3可見，當粉煤灰粒度相同時，隨著粉煤灰摻量的逐漸增加，混凝土孔隙分形維數隨之逐漸減小，當粉煤灰摻量為20%時混凝土孔隙分形維數最小；當粉煤灰摻量一定時，隨著粉煤灰粒徑的減小混凝土孔隙分形維數呈遞增趨勢。同時，由于粒徑的減小，其比表面積和化學活性增大，提升了二次水化反應的速率，因此，單位時間內生成更多的水化產物，從而達到細化孔徑，使混凝土孔隙率降低，孔隙分形維數增大。

2.4 混凝土孔隙分形維數對抗壓強度的影響

大量學者的研究證明[1012]，混凝土的抗壓強度高低不僅與孔徑尺寸大小有關，孔隙率對混凝土的抗壓強度有著決定性的影響作用，于此同時孔隙分形維數對混凝土的抗壓強度也有一定影響。混凝土抗壓強度和孔隙分形維數如表5所示。

由表5 可以看出，混凝土抗壓強度越大其對應的孔隙分形維數就越大。這是因為孔隙率是決定混凝土材料強度的主要因素，孔隙率越小，孔隙分形維數隨之越大，混凝土抗壓強度也就越大。

3 結論

（1）粉煤灰的加入對混凝土早期抗壓強度具有一定的削弱作用。

（2）養護的齡期越長，混凝土的抗壓強度越大。

（3）當粉煤灰摻量相同時，隨著粉煤灰粒徑的減小（研磨時間越長）少害孔、有害孔及多害孔的分級孔隙率均減小，無害孔分級孔隙率增加，孔徑分布得到較好優化；當粉煤灰粒徑相同時（研磨時間相同），隨著粉煤灰摻量的增加，少害孔、有害孔及多害孔的分孔隙率增加。

（4）當粉煤灰粒度相同時，隨著粉煤灰摻量的增加混凝土孔隙分形維數逐漸減小，粉煤灰摻量為20%時混凝土孔隙分形維數最小；當摻量一定時，隨著粉煤灰粒徑的減小混凝土孔隙分形維數呈遞增趨勢，同時混凝土抗壓強度越大其對應的孔隙分形維數就越大，抗壓強度與孔隙分形維數呈正相關關系。

參考文獻：

[1]周立霞，王起才.建筑材料學報[J].顆粒細度與粉煤灰水泥膠砂性能的關系，2007：56.

[2]唐明，李曉.多種因素對混凝土孔結構分形特征的影響研究[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版，2005，21（3）：232237.

[3]郭偉，秦鴻根，陳惠蘇.分形理論及其在混凝土材料研究中的應用[J].硅酸鹽學報，2010，38（7）：13621368.

[4]Mandeibrot B B.The Fractal Geometry of Nature[M]. New York： Freeman，1982： 117.

[5]馮乃謙.高性能混凝土[M].北京：中國建筑工業出版社，1996：311325.

[6]夏春，劉浩吾.混凝土細骨料級配的分形特征研究[J].西南交通大學學報，2002，37（25）：186189.

[7]王謙源，胡京爽.混凝土集料級配與分形[J].青島建筑工程學院學報，1997，（3）：9399.

[8]ASTM Designation ：C 671 94，Standard test method for criticaldiation of concrete specimens subjected to freezing.

[9]李紅奇，鄭劍之.粉煤灰的粒徑及摻量對高性能混凝土強度的影響[J].北方交通，2015（8）：2225.

[10]孟慶超.混凝土耐久性與孔結構影響因素的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學學位論文，2006.

[11]唐明，陳哲，楊帆.C50泵送混凝土孔隙分形與氯離子滲透特征[J].混凝土，2010，（4）：9295.

[12]Shah S P， Wang K， Weiss J. Mixture proportioning for durable concrete[J].Concrete International，2000，（9）： 7378.

基金：青海省科技項目（項目編號：2014HZ822；2016ZJ721）；青海大學中青年科研基金（項目編號：2013QGY2）

作者簡介：趙傲銘（1990），河南通許人，青海大學。