粉煤灰摻量和細度對混凝土強度的影響

楊德才

(云南省建筑材料科學研究設計院，云南昆明650221）

隨著能源的過度開發和環境污染的加劇，如何科學合理地利用資源成為科學研究的熱點，尤其是廢棄資源的循環再利用問題更是引人關注。我國是能源消耗大國，大量的煤炭被用于發電、加熱鍋爐，燃燒煤炭則會產生大量的氣體污染物及固體污染物。怎樣科學、合理、有效地利用好粉煤灰的剩余價值，是一個重要、迫切、很有價值的課題。出于這種考慮，粉煤灰被用于造磚、鋪墊路基、路面整平、土壤改造等各方面，在土建、水利等工程建設中發揮作用。但是，如何更深入更有效地利用粉煤灰，仍需要進一步研究。

上世紀70年代，煤炭是最重要的能源，世界的電力大多靠燃燒煤炭發電，煤炭的大量消耗產生的固體廢棄物粉煤灰受到人們越來越多的關注。國外圍繞如何利用好粉煤灰，也作了很多探究和嘗試，希望能增加它的使用量和使用范疇，大量的研究工作集中在把粉煤灰科學合理地使用在水泥、混凝土的配制方面。這一時期，大量高性能的用粉煤灰作為摻和物的混凝土得到了推廣應用。

1 理論基礎

1.1 粉煤灰

煤炭是工業的糧食，我國每年都要消耗掉大量煤炭用于電廠發電和城市鍋爐供熱。煤粉灰是燃煤的一種廢棄物，每年我國都會排放出數量巨大的粉煤灰。煤炭燃燒中，將里面能燃燒的東西全部燃燒殆盡，剩下的都是不可燃燒的物質，由于溫度非常高，這些物質會發生熔融，形成細小的顆粒，這些溫度很高的顆粒物，在溫度降低后會冷卻，收集后得到的東西就是煤粉灰，具有很高的內在活性。

1.2 水泥

水泥是一種粉狀的無機化合物，外觀很像火山灰，具有很強的膠凝性。水泥在空氣中都可以發生膠凝，在水里更可以經化學反應后逐漸硬化，是一種用途比較廣、非常普遍的建筑材料。將它與細碎的砂、石等摻混在一起后，加入淡水，材料之間產生物理和化學反應，凝固后便可以產出具備較好強度的建材——混凝土。

1.3 骨料

在混凝土的配制中，如果不加入骨料，水泥遇水后就會呈現出漿糊狀，無法成型，制成的混凝土強度太低，無法使用。骨料在各種參與的原材料中的用量最大，是混凝土的“筋骨”，是混凝土在建筑物中發揮支撐力度的關鍵構成。骨料的質量是否過關，是否符合要求，將會直接影響到混凝土的性能，間接影響到建筑物的堅固性、耐用性等。

1.4 混凝土

混凝土是一個統稱，一般是用水泥等易膠凝的材料將砂石等骨料及其他摻和物、外加劑等黏結，產生物理化學反應而形成的混合物，廣泛應用于各種基礎設施建設中。混凝土可以用水、水泥、粗細骨料、外加劑等5種最基本的原材料制作。水泥、水為混凝土的流動性發揮效果，骨料則可以抵抗水泥漿干縮。

1.5 外加劑

外加劑有強化性，提升強化某方面的效果，用于混凝土的生產實踐中，主要是為了提高性能。外加劑的使用量很小，占水泥量的5%以內，但效果明顯，必不可少。比如，減水劑減少了很大的用水量，可提升強度，產出的混凝土更耐用。

2 粉煤灰摻量對混凝土強度的影響

2.1 實驗思路

本組實驗設計是用控制變量作為指導進行設計的。不管摻量的大小是多少，所有試塊都用同一個水膠比來進行配比。對于骨料，不管是砂還是石，都用相同規格的原料。添加劑也是一樣，同品種、同比例。其他條件都要保持一致，包括由同一個人來操作，在同樣的外界環境情況下進行制作。本實驗中，粉煤灰分成40%、30%、20%、10%和0%等5種不同摻量大小的情況。

2.2 實驗原材料

（1）粉煤灰

本實驗使用的粉煤灰是唐山粉煤灰，其詳細物質構成與化學結構見表1。

表1 粉煤灰成分

（2）水泥

本實驗使用的水泥是華標水泥公司的一般性普通類常規水泥，其詳細物質構成與化學結構見表2。

表2 水泥成分

（3）細骨料

本實驗使用的砂是價格便宜的機制砂，主要參數見表3。

表3 細骨料性能

（4）粗骨料

本實驗使用的粗骨料是價格便宜的卵石，主要參數見表4。

表4 粗骨料性能

（5）外加劑

本實驗使用的減水劑是價格便宜的減水率達到26.7%的萘系減水劑。

（6）水

本實驗使用的水是普通自來水。

2.3 各原料配比與試塊制作

本實驗拌制混凝土各原料的配比見表5。水膠比：0.30，5種摻量百分比：40%、30%、20%、10%、0%。配制的混凝土編號分別為F4、F3、F2、F1、F0。

表5 各原料配比（kg/m3）

將本實驗采用的砂、石、水泥、粉煤灰按比例摻和在一起攪拌均勻，再加入定量的水與外加劑攪拌均勻，制作出200mm×200mm×200mm的混凝土試塊。將混凝土試塊按規范的保養方法養護到一定期限后，再進行抗壓強度測試。

2.4 結果分析

分別對用5種不同粉煤灰摻量大小的混凝土試件按規范步驟進行抗壓強度測試，得到實驗數據見表6。

表6 抗壓強度（MPa）

從表中可以看出：

（1）第7天時，沒有加入粉煤灰的混凝土抗壓強度最大，是53.6MPa。加入粉煤灰的量越多，抗壓強度越小，這是因為粉煤灰水化較慢。

（2）第28天時，在抗壓強度方面，粉煤灰混凝土強度增加，最高的一組達到72.5MPa，超過了摻量為0%的那一組。

（3）在抗壓強度方面，粉煤灰混凝土早期小、后期大，是因其吸水性差，早期混凝土干燥慢，到了后期，粉煤灰的細小顆粒填充效果及化學反應使混凝土更密實，提高了強度。

3 粉煤灰細度對混凝土強度的影響

3.1 實驗思路

本組實驗設計是用控制變量作為指導進行設計的。對于粉煤灰，不管細度的大小是多少，制作試塊都用同一個水膠比來進行配比。對于骨料，不管是砂還是石，都用相同規格的原料。添加劑也是一樣，同品種、同比例。其他條件都要保持一致，包括由同一個人來操作，在同樣的外界環境情況下進行制作。目的是控制唯一自變量：粉煤灰細度大小。參與配制的其他各種原料的配比、材質和質量均相同，只有粉煤灰的細度不同，來探究粉煤灰細度與混凝土強度之間的對應關系。

3.2 實驗原材料

（1）水泥

本實驗使用的水泥是華標水泥公司的一般性普通類常規水泥，其詳細物質構成與化學結構見表7。

表7 水泥成分

（2）粉煤灰

本實驗使用的粉煤灰是唐山粉煤灰，其詳細物質構成與化學結構見表8。將粉煤灰等重量分成3份，分別粉磨0s、600s和1200s，獲得等重量不同細度的粉煤灰，其細度分別為13.20μm、11.00μm和9.30μm，將這3份不同細度的粉煤灰分別命名為F1、F2和F3。

表8 粉煤灰成分

（3）細骨料

本實驗使用的砂是價格便宜的機制砂，主要參數見表9。

表9 細骨料性能

（4）粗骨料

本實驗使用的石子是價格便宜的卵石，主要參數見表10。

表10 粗骨料性能

（5）外加劑

本實驗使用的減水劑是價格便宜的減水率達到26.7%的萘系減水劑。

（6）水

本實驗使用的水是普通自來水。

3.3 各原料配比與試塊制作

摻量大小：20%，水膠比：30%。本實驗拌制混凝土各原料配比見表11。

表11 各原料配比（kg/m3）

將本實驗采用的粗骨料、細骨料、水泥、粉煤灰按比例摻和在一起攪拌均勻，再加入定量的水與外加劑攪拌均勻，制作出150mm×150mm×150mm的混凝土試塊。將混凝土試塊按規范的保養方法養護到一定期限后，再進行抗壓強度測試。

3.4 結果分析

分別對3種不同細度大小的粉煤灰拌制的混凝土試件按規范步驟進行抗壓強度測試對比，在整個養護時間段內，不管在前期還是后期，細度大小為9.30μm的那組抗壓強度一直比細度為11.00μm的大，細度為11.00μm的那組抗壓強度一直比細度為13.20μm的大。這說明細度越小的粉煤灰對混凝土強度的提升效果越好,這是因為等重量的粉煤灰顆粒越小，粉煤灰的顆粒數量越多，配制的混凝土密實性越強，抗壓性能也越好。

4 結論

在混凝土的配制過程中，摻加粉煤灰可以節省水泥，具有一定的經濟效益和生態效益。本文在研究混凝土、粉煤灰、水泥等物質基本性質的基礎上，用控制變量法的思想，設計了幾組實驗，對比分析了不同粉煤灰摻量和細度對配制的混凝土性能的影響。

（1）在粉煤灰摻量對混凝土性能的影響實驗中，在其他條件都相同的情況下，取5種摻量百分比：40%、30%、20%、10%、0%，并對它們配制的混凝土的抗壓強度作對比分析，實驗結果表明：粉煤灰混凝土的前期強度增長慢，后期強度提升大；適量粉煤灰的摻入會提高混凝土強度，摻量取20%為宜。

（2）在粉煤灰細度對混凝土性能的影響實驗中，在其他條件都相同的情況下，用細度分別為13.20μm、11.00μm和9.30μm的粉煤灰配制混凝土，并對它們的抗壓強度作對比分析，實驗結果表明：粉煤灰的細度值越小，制成的混凝土的抗壓強度越大。