水胶比和粉煤灰取代率对混凝土强度影响规律的试验研究

谷 艳 玲

(武夷学院土木工程与建筑学院， 福建 武夷山 354300)



水胶比和粉煤灰取代率对混凝土强度影响规律的试验研究

谷 艳 玲

(武夷学院土木工程与建筑学院， 福建 武夷山 354300)

根据C30级混凝土的强度要求，采用均匀设计法制定20组试验方案，对比分析粉煤灰取代率和水胶比对混凝土抗压强度的影响规律。研究发现，随着粉煤灰取代率的增加，混凝土试件抗压强度呈逐渐降低趋势；而随着水胶比减小，其抗压强度随之增加。

粉煤灰； 抗压强度； 水胶比； 混凝土强度

粉煤灰大多来源于火力发电厂的煤炭燃烧废料，其主要化学成分是SiO2和Al2O3。作为一种混凝土矿物掺合料，粉煤灰具有价格低、产量高、性能优越等特点，广泛应用于各类土木建筑工程中，具有良好的生态效应[1-2]。目前，国内外关于粉煤灰的研究主要集中在其微观结构和宏观性能上，而不同煤种、产地及工艺的粉煤灰性能差异较大[3]，还需进行综合研究。

福建省火力发电厂较多，粉煤灰产量很高，仅华能福州电厂每年就产生粉煤灰30万t。然而，粉煤灰用于混凝土的比例不高，粉煤灰产品利用率较低。为了保证混凝土质量，很多施工单位在配制混凝土时宁可多加水泥而较少使用粉煤灰，因此粉煤灰资源未得到充分利用[4]。有研究表明，用粉煤灰取代一定比例水泥后，可以改变混凝土的和易性，且水胶比(WB)直接影响粉煤灰混凝土的强度[5]。本次研究以华能福州电厂生产的Ⅰ级粉煤灰为试验材料，分析水胶比和粉煤灰取代率对混凝土强度的影响。

1　试验材料

(1)P.O42.5级水泥试样。采用江西万年青水泥股份有限公司生产的万年青牌P.O42.5级水泥，水泥的平均细度1.41%，28d养护龄期的胶砂抗压强度为51.17MPa。表1所示为P.O42.5级水泥性能参数。

表1　P.O42.5级水泥性能参数

(2)集料。粗集料选用武夷山生产的碎石，最大粒径为30mm，含泥量为0.52%，泥块含量为0.32%，针片状颗粒含量为4.5%，压碎指标为7.7%；细集料采用当地河砂，其细度为2.67%，含泥量为1.83%，级配良好。

(3)粉煤灰。采用Ⅰ级粉煤灰，由华能福州电厂生产。粉煤灰细度为9.7%，含水率为0.45%，需水量比为100%，强度比为68.6%,SO3质量分数为0.23%，烧失量为1.47%。

(4)减水剂。采用聚羧酸系YS-A高性能减水剂，由福州君安建材有限公司生产。

(5)水。采用武夷山市当地的自来水。

2　试验研究

2.1设计粉煤灰混凝土配合比方案

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55 — 2011)的要求，结合水胶比和粉煤灰取代率的变化，按照C30级混凝土的强度要求，采用均匀设计法制定了20组试验方案，具体混凝土配合比设计方案见表2。

表2　粉煤灰混凝土配合比设计

2.2制作混凝土试件

严格按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GBT50081 — 2002)(以下简称《标准》)制作混凝土试件。将150mm×150mm×150mm的标准试块，根据试验设计方案制作成20组试块，分别测试7、28、56d养护龄期的混凝土抗压强度，每次取3组数据的平均值来确定抗压强度；每组按照3个养护龄期制作9个试块，总计制180个试块。

2.3测验混凝土抗压强度

测验混凝土抗压强度的工作通过微机控制电液伺服压力试验机(HCT306A)来进行。以0.5～0.8MPas的加压速度匀速加压，养护龄期分别为7、28、56d，每次测验3个试块的抗压强度，结果取平均值。表3所示为混凝土抗压强度检验结果。

3　试验结果分析

根据不同的粉煤灰取代率及水胶比的变化，以及上述测试所得混凝土的抗压强度，分析每组方案对7、28、56d养护龄期混凝土抗压强度的影响规律。

3.1水胶比不变时粉煤灰取代率对混凝土抗压强度的影响

从表3可以看出，粉煤灰取代率从0增大到65%，当水胶比保持0.45左右时，随着粉煤灰取代量增大，混凝土抗压强度呈下降趋势，特别是早期强度下降比较明显。以7d养护龄期抗压强度为例，粉煤灰取代率每提高10%，混凝土抗压强度平均下降27.5%左右；而养护龄期为56d时，混凝土抗压强度平均下降17.3%左右。试验表明，延长混凝土的养护龄期，使得粉煤灰对混凝土抗压强度的影响越来越大，提高了粉煤灰胶凝效率系数[6]，尤其在28d以后混凝土强度发展速率随粉煤灰取代率的增加而迅速提高。因此，加大混凝土粉煤灰取代率，可以改善混凝土结构物在后期的体积收缩，提高混凝土结构的密实度和抗渗性，使混凝土的后期抗压强度得以提高[7]。

表3　混凝土各龄期抗压强度

3.2不同粉煤灰取代率下水胶比对混凝土抗压强度的影响

为了进一步探讨水胶比对粉煤灰混凝土强度的影响，分别观察粉煤灰取代率为0、20%、30%、50%、65%时，水胶比变化对混凝土抗压强度的影响规律，其试验结果见图1 — 图5。

(1)粉煤灰取代率为0。从图1可以看出，当粉煤灰取代率为0，即采用基准混凝土配比时，随着水胶比从0.60降至0.45，养护龄期28d的粉煤灰混凝土抗压强度从30.8MPa提高到47.2MPa。水胶比每降低0.01，则混凝土抗压强度平均约提高3.6%。

图1　粉煤灰取代率为0时水胶比对混凝土抗压强度的影响

(2)粉煤灰取代率为20%。 从图2可以看出，当粉煤灰取代率为20%时，随着水胶比从0.52降至0.37， 养护龄期28d的粉煤灰混凝土抗压强度从25.6MPa提高到43.3MPa。水胶比每降低大约0.01，则混凝土抗压强度平均约提高4.6 %。按照基准配合比的28d强度进行分析，粉煤灰在混凝土中取代水泥量20%时，水胶比降至0.13 左右，可以保证混凝土的强度等级不降。

图2　粉煤灰取代率为20%时水胶比对混凝土抗压强度的影响

(3)粉煤灰取代率为30%。从图3可以看出，当粉煤灰取代率为30%时，随着水胶比从0.50降至0.35， 养护龄期28d的粉煤灰混凝土抗压强度从23.2MPa提高到36.6MPa。水胶比每降低0.01，则混凝土抗压强度平均约提高3.9%。按照基准配合比28d的抗压强度进行分析，粉煤灰在混凝土中取代水泥量的30%时，水胶比降至0.20 左右，可以保证混凝土的强度等级不降。

图3　粉煤灰取代率为30%时水胶比对混凝土抗压强度的影响

(4)粉煤灰取代率为50%。从图4可以看出，当粉煤灰取代率为50%时，随着水胶比从0.44降至0.30， 养护龄期28d的粉煤灰混凝土抗压强度从23.2MPa提高到38.4MPa。水胶比每降低大约0.01，则混凝土强度平均约提高4.7%。按照基准配合比28d的抗压强度进行分析，粉煤灰在混凝土中取代水泥量的50%时，水胶比降至0.26左右，可以保证混凝土的强度等级不降。

(5)粉煤灰取代率为65%。从图5可以看出，当粉煤灰取代率为65%时，随着水胶比从0.43降至0.29， 养护龄期28d的粉煤灰混凝土抗压强度从17.3MPa提高到35.7MPa。水胶比每降低 0.01，则混凝土的强度平均约提高7.6 %。按照基准配比28d的抗压强度进行分析，粉煤灰在混凝土中取代水泥量65%时，水胶比降至0.31左右时，可以保证混凝土的强度等级不降。

图5　粉煤灰取代率为65%时水胶比对混凝土抗压强度的影响

在混凝土中大量掺加粉煤灰时，水泥熟料含量在胶凝材料总量中的比例降低，水化生成物中的Ca(OH)2含量减少，从而降低了水化反应生成物C2S2H的含量；同时，部分粉煤灰颗粒没有发生反应，导致水化生成物的总量不足，难以填满周围的空隙[8]。所以，当粉煤灰取代率超过一定量时，混凝土抗压强度会随粉煤灰取代率的增大呈明显下降趋势。试验结果与理论分析基本吻合，故认为粉煤灰的取代率不宜超过50%。

3.328d等强度的混凝土配比

为了研究水胶比和粉煤灰取代率的变化对粉煤灰混凝土抗压强度的影响规律，以基准配比中水胶比为0.60、养护龄期为28d的抗压强度30.8MPa为基准条件，分析不同粉煤灰取代率28d混凝土的配合比，试验结果见表4。当28d混凝土强度等级都达到C30等级时，随着粉煤灰取代率的增加，水胶比呈现规律性降低。粉煤灰取代率每增加10%时，水胶比降低0.03～0.07，平均降低0.05。

当采用大掺量粉煤灰混凝土时，要使抗压强度达到设计要求，可以采取降低混凝土用水量、延长混凝土养护龄期等措施[9]。对于大体积混凝土来说，这是减少水泥用量、降低水化热的一条较佳途径[10]。

4　结　语

以华能福州电厂Ⅰ级粉煤灰为试样，等量取代部分水泥进行混凝土抗压强度影响研究。研究发现，水胶比的降低有利于粉煤灰混凝土早期强度的提高，但其后期强度提高速率却出现小幅度的放缓趋势。

为了保证混凝土达到早期及后期抗压强度的要求，当粉煤灰取代率较高时，可以降低水胶比，使混凝土的强度等级随着养护龄期的延长逐步提高。

表4　28 d等强度混凝土的配比设计

通过研究确定了水胶比与养护龄期的最佳取值。当以C30级混凝土强度标准进行设计时，建议粉煤灰取代率为30%，水胶比为0.45。

[1] 谷艳玲，魏晓康，孙家国．矿渣微粉再生骨料混凝土力学性能试验研究[J]．重庆科技学院学报(自然科学版)，2015，17(3)：133-136．

[2] 吴中伟．高性能混凝土：绿色混凝土[J].混凝土与水泥制品，2000(1)：3-6.

[3] 何廷树，苏富赟，包先诚，等.不同水胶比下矿渣粉与粉煤灰对混凝土强度及抗氯离子渗透性能的影响[J]．混凝土，2010(1)：86-88.

[4] 李瑞，王德志，孟云芳．矿物掺合料增强陶粒混凝土力学性能的研究[J]．人民黄河，2015，37(3)：132-134.

[5] 苗苗， 阎培渝 .水胶比和粉煤灰掺量对补偿收缩混凝土自收缩特性的影响[J]．硅酸盐学报，2012，40(11)：1607-1612.

[6] 袁继峰，王卫，陆永涛.水胶比和再生粗骨料取代率对再生混凝土强度影响的试验研究[J]．重庆建筑，2014，13(10)：53-55.

[7] 周英梅．大掺量粉煤灰高性能混凝土的应用分析[J]．交通世界，2010(1)：141-142.

[8] 薛建阳，罗峥，元成方，等.再生混凝土力学性能及耐久性能试验研究[J].工业建筑，2013，43(10)：86-88 .

[9]IKONOMOUND.RecycledConcreteAggregates[J].MentandConcreteComposites，2005，27(2): 315-318.

[10] 王冬梅.正交试验的大掺量粉煤灰混凝土强度影响因素分析[J]．中华建设，2014(5)：140-142.

TheExperimentalStudyofConcreteStrengthAccordingtoBothWater-BinderRatioandCoalAsh

GU Yanling

(College of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Wuyishan Fujian 354300, China)

BystudyingtherelationshipbetweenthechangeoffirstgradeflyashreplacementrateandwatercementratioofHuanengPowerPlantinFuzhou,theinfluenceofthe20experimentgroupsonthecompressivestrengthofconcretewasstudiedbyusinguniformdesignmethodwiththedesignstrengthofC30.Theresearchshowsthat:withtheincreaseofthereplacementrateofflyash,thecompressivestrengthofconcretedecreasesgradually;whilethecompressivestrengthincreaseswiththedecreaseofwatercementratio.

flyash;compressivestrength;watercementratio;concretestrength

2015-12-15

福建省自然科学基金项目“基于矿渣和再生骨料耦合配制混凝土力学性能和耐久性研究”(2015J01648)；南平市指导性科技计划项目“武夷山再生骨料生态护坡混凝土的配置及应用研究”(N2014D02)

谷艳玲(1966 — )，女，教授，研究方向为建筑结构与建筑材料。

TU528.2

A

1673-1980(2016)04-0072-05