粉煤灰強度活性指數(shù)對混凝土性能影響研究

尹紹清，王春暉，吳倩雯，方 朋

(1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537200；2.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610)

粉煤灰因其良好的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)以及微集料效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于普通混凝土及高性能混凝土的配制[1-3]。粉煤灰用于混凝土的主要技術(shù)優(yōu)勢在于：一是顯著地改善新拌混凝土的和易性，提高混凝土泵送性；二是混凝土需水量，減少泌水與離析，降低坍落度損失[4-5]；三是粉煤灰的摻入，可明顯抑制混凝土的徐變[6]。但是，粉煤灰的摻入對混凝土早期抗碳化性能和抗凍性能均具有不良影響。隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗凍性能降低[7]。實際工程應(yīng)用中，粉煤灰品質(zhì)對混凝土的工作性、強度、干縮、抗?jié)B、抗凍、抗沖磨性能的影響各不相同[8]。其中，強度活性指數(shù)在粉煤灰物理品質(zhì)評價體系中至關(guān)重要。近年來，隨著粉煤灰供應(yīng)緊張，導(dǎo)致市場上的粉煤灰質(zhì)量參差不齊。因此，為了控制粉煤灰品質(zhì)，粉煤灰在水泥和混凝土中的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)也相應(yīng)提升。GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》新增“用于拌制混凝土和砂漿用粉煤灰，強度活性指數(shù)不低于70%”的要求[9-10]。對于在建工程，混凝土關(guān)鍵原材料重要性能指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生改變時，則需對混凝土施工配合比進(jìn)行驗證，以確保混凝土質(zhì)量。

以大藤峽水利樞紐工程混凝土為研究對象，用于配制混凝土的F類Ⅱ級粉煤灰平均強度活性指數(shù)為68%，略低于新規(guī)范“強度活性指數(shù)不小于70%”的要求。為了探明粉煤灰強度活性指數(shù)對大藤峽工程混凝土性能的影響規(guī)律，本文從粉煤灰微觀形態(tài)、硬化混凝土力學(xué)性能、變形性能、耐久性能以及混凝土對鋼筋握裹力等方面開展研究，分析了粉煤灰強度活性指數(shù)對混凝土性能的影響規(guī)律，并對工程建設(shè)施工及驗收中關(guān)于粉煤灰材料質(zhì)量控制要求提出合理建議。

1 原材料試驗及粉煤灰制備

試驗采用廣西魚峰水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5中熱硅酸鹽水泥，天津市鑫永強混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的緩凝型高性能減水劑及引氣劑；骨料為江口天然砂礫石料場生產(chǎn)的砂巖骨料，其中細(xì)骨料為機制砂，粗骨料為卵石骨料。粉煤灰為廣西欽州藍(lán)島環(huán)保材料有限公司提供的欽州電廠F類粉煤灰，粉煤灰原材料共有Ⅰ級灰樣品和專用低活性粉煤灰2種，粉煤灰樣品微觀形貌及物理性能分別見圖1、表1。

粉煤灰強度活性指數(shù)高低與其玻璃微珠含量多少密切相關(guān)[3-4]。通過掃描電鏡圖可清晰看到：強度活性指數(shù)89%的粉煤灰(圖1a)顆粒形貌較規(guī)則，多為球形顆粒，且顆粒較均勻，填充效果較好。強度活性指數(shù)64%的粉煤灰(圖1b)則以不規(guī)則顆粒為主，球形顆粒含量占比相對較少，顆粒間填充效果較差。

a) 強度活性指數(shù)89%的粉煤灰

b) 強度活性指數(shù)64%的粉煤灰

本次通過對Ⅰ級粉煤灰和低活性粉煤灰進(jìn)行復(fù)配，選定3組不同活性指數(shù)的粉煤灰，復(fù)配出的粉煤灰各項物理性能見表2。

表1 粉煤灰物理性能

表2 復(fù)配粉煤灰物理性能

2 試驗用配合比選擇

結(jié)合大藤峽水利樞紐左岸廠壩工程常態(tài)混凝土配合比中粉煤灰常用摻量，選取C20W6F100(二)、C25W6F100(二)、C35W6F100(二)3個混凝土配合比進(jìn)行論證試驗。選定施工配合比設(shè)計參數(shù)見表3。分別采用3組不同強度活性指數(shù)的粉煤灰進(jìn)行對比試驗。混凝土拌和、成型、養(yǎng)護及各項性能試驗均按SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規(guī)程》相應(yīng)要求執(zhí)行。

表3 施工配合比設(shè)計參數(shù)

3 試驗結(jié)果與討論

選擇3個施工配合比，共有0.37、0.46、0.48等3個水膠比，分別用3組不同活性指數(shù)的粉煤灰進(jìn)行對比試驗。混凝土拌和、成型、養(yǎng)護及各項性能試驗均按SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規(guī)程》相應(yīng)要求執(zhí)行。

3.1 立方體抗壓強度

立方體抗壓強度是混凝土最重要的力學(xué)指標(biāo)，對混凝土質(zhì)量控制有重要意義。硬化混凝土立方體抗壓強度檢測成果見表4，不同設(shè)計齡期混凝土立方體抗壓強度與粉煤灰強度活性指數(shù)關(guān)系擬合曲線見圖2。

表4 硬化混凝土抗壓強度

a)28 d

b)90 d

當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)在64%～76%范圍時:①采用不同強度活性指數(shù)粉煤灰制備混凝土，其立方體抗壓強度均滿足配制強度要求；②粉煤灰摻量為25%時，粉煤灰強度活性指數(shù)每增加1%，28 d混凝土立方體抗壓強度約增加0.6 MPa，90 d抗壓強度約增加0.4 MPa；③當(dāng)粉煤灰摻量為20%時，粉煤灰強度活性指數(shù)每增加1%，28 d混凝土立方體抗壓強度約增加0.6 MPa，90 d抗壓強度約增加0.4 MPa；④當(dāng)粉煤灰摻量為15%時，強度活性指數(shù)每增加1%，28 d混凝土抗壓強度約增加0.4 MPa，90 d抗壓強度約增加0.5 MPa。

以28 d抗壓強度作為基準(zhǔn)值，當(dāng)粉煤灰摻量為25%，粉煤灰活性指數(shù)分別為64%、70%、74%時，其對應(yīng)90 d抗壓強度增長率分別為141.0%、133.2%、126.0%；當(dāng)粉煤灰摻量為20%，粉煤灰活性指數(shù)為別為64%、70%、74%時，其對應(yīng)90 d抗壓強度增長率分別為138.6%、129.8%、123.2%；當(dāng)粉煤灰摻量為15%，粉煤灰活性指數(shù)分別為64%、70%、74%時，其對應(yīng)90 d抗壓強度增長率分別為115.9%、117.0%、117.0%。

上述數(shù)據(jù)分析表明，當(dāng)粉煤灰摻量為20%、25%時，在水泥水化前期，強度活性指數(shù)較高的粉煤灰可能已經(jīng)開始水化[13]，并對混凝土28 d抗壓強度發(fā)揮積極作用；而對于強度活性指數(shù)相對較低的粉煤灰可能未發(fā)生水化，其早期主要呈現(xiàn)水化惰性效果，對混凝土28 d抗壓強度的提升作用較小；而到混凝土90 d齡期時，由于其火山灰效應(yīng)，強度活性指數(shù)相對較低的在水化過程中與水泥水化釋放出的Ca(OH)2發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成硅酸鈣類水化物。90 d后粉煤灰顆粒表面產(chǎn)生大量的水化硅酸鈣纖維狀晶體，相互交叉連接形成很高的黏結(jié)強度[14]。因此，與摻低強度活性指數(shù)粉煤灰的混凝土相比，摻高活性指數(shù)粉煤灰的混凝土90 d抗壓強度/28 d抗壓強度比值更高。

當(dāng)粉煤灰摻量為15%時，可能由于粉煤灰摻量較低，粉煤灰對水泥-粉煤灰體系的早期水化過程具有加速作用，主要機理是當(dāng)粉煤灰等量取代部分水泥后，一方面增大了水泥漿體中的有效水灰比，另一方面由于粉煤灰的成核作用，從而促進(jìn)了水泥的早期水化速率[15]。隨著齡期的增長，粉煤灰摻量為15%的混凝土，抗壓強度受到水膠比、粉煤灰摻量、粉煤灰強度活性指數(shù)等因素的耦合作用影響，因此呈現(xiàn)出摻低活性指數(shù)粉煤灰的混凝土相比摻高活性指數(shù)粉煤灰混凝土的90 d抗壓強度/28 d抗壓強度比值基本接近的現(xiàn)象。

3.2 軸向拉伸試驗

軸向拉伸試驗是一種綜合測定混凝土拉伸性能指標(biāo)的技術(shù)手段，反映混凝土抵抗拉伸變形的能力。本文采用八字模試樣進(jìn)行軸向拉伸試驗，28 d軸心抗拉強度及極限拉伸值見表5，軸心抗拉強度及極限拉伸值與粉煤灰強度活性指數(shù)增長關(guān)系見圖3。

表5 28 d混凝土軸心抗拉強度及極限拉伸值

a)28 d

b)28 d

表5中數(shù)據(jù)表明當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)在64%～76%范圍時：①混凝土抗拉強度及極限拉伸變形量隨粉煤灰強度活性指數(shù)增加均呈現(xiàn)增長趨勢；②當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)由64%提高至70%時，同一設(shè)計指標(biāo)混凝土抗拉強度與極限拉伸變形增長幅度，較強度活性指數(shù)由70%提高至76%時更大，因此對于抗裂性能要求較高的混凝土結(jié)構(gòu)，宜優(yōu)先選用強度活性指數(shù)高的優(yōu)質(zhì)粉煤灰。

3.3 軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量

靜力抗壓彈性模量反映混凝土受軸心應(yīng)力與產(chǎn)生的應(yīng)變之間的關(guān)系，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算不可缺少的硬化混凝土性能指標(biāo)。28 d混凝土軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量見表6。

表6 28 d齡期軸心抗壓強度及靜力抗壓彈性模量

表6中數(shù)據(jù)表明當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)在64%～76%范圍時：①隨著水膠比、粉煤灰摻量減小，混凝土軸心抗壓強度及靜力抗壓彈性模量增大；②當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)由64%提高至70%時，C20(粉煤灰摻量25%)及C25(粉煤灰摻量20%)混凝土軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量增長幅度，較強度活性指數(shù)由70%提高至76%時更大；③對于C35(粉煤灰摻量15%)混凝土，28 d粉煤灰強度活性指數(shù)增長，軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量無明顯增長，這可能是由于粉煤灰摻量較低時，水膠比對混凝土28 d軸心抗壓強度及彈性模量發(fā)揮主要作用[13]。

3.4 抗?jié)B試驗

混凝土抗?jié)B性是指混凝土材料抵抗壓力水滲透的能力。采用逐級加壓法測試混凝土抗?jié)B等級，試驗結(jié)束后量測平均透水高度綜合評定混凝土抗?jié)B性能，28 d混凝土抗?jié)B性能見表7。

表7 28 d齡期抗?jié)B性能

表7中數(shù)據(jù)表明：①當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)在64%～76%范圍變化時，同一設(shè)計指標(biāo)硬化混凝土抗?jié)B性能均能滿足W6抗?jié)B設(shè)計要求；②隨粉煤灰強度活性指數(shù)提高，當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)在64%～76%范圍時，同一設(shè)計指標(biāo)硬化混凝土平均透水高度降低，抗?jié)B性能提高。由于粉煤灰的微集料效應(yīng)，強度活性指數(shù)高的粉煤灰微觀形貌更規(guī)則、顆粒分布更均勻，填充效果更好，提高了混凝土的密實性。

3.5 抗凍試驗

混凝土抗凍性能是影響混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一，硬化混凝土抗凍性能見表8。

表8 28 d齡期抗凍性能

表8中數(shù)據(jù)表明：①當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)在64%～76%范圍變化時，同一設(shè)計指標(biāo)硬化混凝土抗凍性能均能滿足F100抗凍設(shè)計要求;②當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)在64%～76%范圍時，隨著粉煤灰強度活性指數(shù)變化，硬化混凝土抗凍性能差異規(guī)律性不明顯。9組試樣的質(zhì)量損失率范圍為0.11%～0.26%，相對動彈模量范圍為90.5%～95.2%，2項指標(biāo)的變化范圍較小。這可能是由于所試驗各混凝土抗凍性能均較好，而凍融次數(shù)較少，即使粉煤灰活性指數(shù)在64%～76%范圍內(nèi)變化，但尚未能對混凝土抗凍性能產(chǎn)生規(guī)律性的影響。

3.6 混凝土對鋼筋握裹力試驗

握裹力是鋼筋和混凝土共同作用的基礎(chǔ)，主要由化學(xué)膠結(jié)力、摩阻力和機械咬合力三部分組成。在標(biāo)準(zhǔn)試驗邊界條件約束下，混凝土對鋼筋握裹力試驗一定程度上反映鋼筋與混凝土接觸面上剪切應(yīng)力隨混凝土抗壓強度增長的變化情況。28 d混凝土對鋼筋的握裹力見表9。

表9 28 d混凝土對鋼筋的握裹力

表9中數(shù)據(jù)表明：①當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)在64%～76%范圍時，隨著粉煤灰強度活性指數(shù)提高，硬化混凝土對鋼筋握裹力(強度)表現(xiàn)增長規(guī)律，原因可能是強度活性指數(shù)高的粉煤灰，其微集料效應(yīng)、火山灰效應(yīng)和密實填充效應(yīng)更優(yōu)異，更好改善了混凝土與鋼筋之間的界面結(jié)構(gòu)，提高了二者之間的界面黏結(jié)力[14]；②當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)分別為64%、70%、76%時，同一設(shè)計等級硬化混凝土對鋼筋握裹力檢測代表值較均勻，差異較小，在本次研究粉煤灰強度活性指數(shù)范圍內(nèi)，粉煤灰強度活性指數(shù)發(fā)生變化，混凝土對鋼筋握裹力檢測值差異表現(xiàn)不明顯。

4 結(jié)語

當(dāng)粉煤灰強度活性指數(shù)在本文研究范圍內(nèi)波動時，同一設(shè)計指標(biāo)硬化混凝土立方體抗壓強度、抗?jié)B性能、抗凍性能均能滿足設(shè)計要求；對于相對較低強度活性指數(shù)的粉煤灰，可通過及時調(diào)整混凝土配合比參數(shù)，試配出適用于工程需求的混凝土，以達(dá)到資源最大化利用。

a)通過線性擬合可知，同一設(shè)計指標(biāo)硬化混凝土立方體抗壓強度增長與粉煤灰強度活性指數(shù)提高線性相關(guān)性較好；但其抗壓強度增長受到水膠比、粉煤灰摻量、粉煤灰強度活性指數(shù)等因素的耦合作用影響，其表現(xiàn)出的增長規(guī)律不盡相同。對于抗裂性能要求較高的混凝土結(jié)構(gòu)，宜優(yōu)先選用強度活性指數(shù)高的優(yōu)質(zhì)粉煤灰。

b)本文研究選取的粉煤灰活性指數(shù)變化范圍內(nèi)，抗拉強度、極限拉伸值、軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量、混凝土對鋼筋握裹力均表現(xiàn)為與粉煤灰強度活性指數(shù)保持相同的增長趨勢。

鑒于粉煤灰強度活性指數(shù)波動對混凝土性能的影響，建議在工程啟動初期建立粉煤灰強度活性指數(shù)與混凝土立方體抗壓強度關(guān)系數(shù)據(jù)庫，設(shè)定粉煤灰強度活性指數(shù)下限值，作為施工期混凝土質(zhì)量控制的輔助方式。