粉煤灰掺量对硅酸盐水泥胶砂强度的影响研究

陈传明，刘玉亭，代义磊

（安徽省高迪环保股份有限公司，安徽 六安 237010）

0 引言

粉煤灰是燃煤电厂发电过程中排放的固体废弃物。自 2002 年起，随着火电装机容量的大幅增长，我国粉煤灰产生量也急剧增加，2016 年粉煤灰的产生量约 5.4亿吨。如此巨量的排放不仅需要占用大量宝贵的土地资源，而且给周边的空气、土壤和水源等生态环境也带来了诸多不利的影响。我国有关粉煤灰资源化利用的研究和应用技术始于 20 世纪 50 年代，当前已形成了三条主要的技术路径：一、建材工业领域，主要用于粉煤灰水泥、商品混凝土以及粉煤灰砖和砌块、保温板和隔墙板等新型墙体材料的生产；二、筑路、回填与农业领域，主要作为道路路基或道路路面混凝土掺合料、井下充填开采以及在农业中用于土壤改良等；三、高附加值利用领域，主要包括粉煤灰提取氧化铝和白炭黑、制备功能填料和制造陶瓷、陶粒砂等[1-3]。

水泥工业是我国粉煤灰最大的利用领域，利用粉煤灰生产出水泥后，由于水泥价格大大高于粉煤灰，从而可使粉煤灰附加值提高，市场半径扩大[4-11]。GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》中规定，粉煤灰水泥中粉煤灰的掺量在 20%～40%；复合硅酸盐水泥活性混合材料（由两种或两种以上混合材料组成）的掺量应为20%～50%。因此在水泥生产中，粉煤灰的掺量限值可接近 50%，但实际生产中，受粉煤灰品质和粉磨工艺的影响，目前水泥中粉煤灰掺量一般在 20%～25%。

本文为了充分了解粉煤灰掺量对不同标号水泥胶砂强度的影响规律，利用 P·Ⅱ52.5 硅酸盐水泥、P·O42.5普通硅酸盐水泥和国标 Ⅱ 级粉煤灰，分别考察了粉煤灰掺量对不同标号水泥胶砂强度的影响规律，试验结果可供各类混凝土生产型企业参考。

1 试验部分

1.1 原材料

P·Ⅱ52.5 水泥，安徽海螺水泥股份有限公司，28d抗压强度 62 .6MPa、抗折强度 9.3MPa。

P·O42.5 水泥，六安海螺水泥有限责任公司，28d抗压强度 51MPa、抗折强度 8.5MPa。

Ⅱ 级粉煤灰，安徽省高迪环保股份有限公司（型号 GDF-Ⅱ），粉煤灰细度 45μm，筛余 21%，需水量比 102%。

中国 ISO 标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司。

1.2 P·Ⅱ52.5 水泥掺不同比例粉煤灰胶砂试件的制备

按照 Ⅱ 级粉煤灰和 P·Ⅱ52.5 水泥 ： 中国 ISO 标准砂=1：3，水灰比 0.5 称料搅拌，Ⅱ级粉煤灰与 P·Ⅱ 52.5水泥用量分别按不同比例配制，成型至少 6 根试件备用，成型后将试件立即放入标准养护箱内养护，温度为(20±1)℃，相对湿度≥90%。

按照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，利用 KZJ-5000 型电动抗折机分别测定试件的 3d、28d 强度。

1.3 P·O42.5 水泥掺不同比例粉煤灰胶砂试件的制备

按照 Ⅱ 级粉煤灰和 P·O42.5 水泥∶中国 ISO 标准砂=1：3、水灰比 0.5 称料搅拌，Ⅱ级粉煤灰与 P·O42.5水泥用量分别按不同比例配制，成型至少 6 根试件备用，成型后将试件立即放入标准养护箱内养护，温度为(20±1)℃、相对湿度≥90%。

按照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，利用 YAW-300C 型微机控制恒应力水泥压力试验机分别测定试件的 3d、28d 强度。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰掺量对 P·Ⅱ52.5 胶砂强度的影响

表1 和图 1 为 P·Ⅱ52.5 水泥掺 0～50% 粉煤灰与纯P·O42.5 水泥的胶砂强度对比试验结果。

表1 P•Ⅱ52.5 水泥掺粉煤灰与P•O42.5 水泥胶砂强度表

图1 P•Ⅱ52.5 水泥掺粉煤灰与P•O42.5 水泥胶砂强度对比试验

试验结果表明，随着 P·Ⅱ52.5 水泥胶砂试件中粉煤灰掺量的增大，胶砂试件的抗折强度和抗压强度基本呈现下降趋势。

当 P·Ⅱ52.5 水泥胶砂试件中粉煤灰掺量为 25%时，其 3d 抗压强度略高于 P·O42.5 水泥胶砂试件；3d抗折强度与 P·O42.5 水泥胶砂试件相接近。当 P·Ⅱ52.5水泥胶砂试件中粉煤灰掺量为 30% 时，其 3d 抗压和抗折强度均低于 P·O 42.5 水泥胶砂试件。

当 P·Ⅱ52.5 水泥胶砂试件中粉煤灰掺量为 20%时，其 28d 胶砂试件抗压强度略高于 P·O 42.5 水泥胶砂试件；28d 抗折强度与 P·O42.5 水泥胶砂试件相接近。当 P·Ⅱ52.5 水泥胶砂试件中粉煤灰掺量为 25% 时，其28d 胶砂试件抗压和抗折强度均低于 P·O42.5 水泥胶砂试件。

2.2 粉煤灰掺量对 P·O42.5 水泥胶砂强度的影响

表2 和图 2 为 P·O42.5 水泥掺 0～25% 粉煤灰后的胶砂强度试验结果。

试验结果表明，随着 P·O42.5 水泥胶砂试件中粉煤灰掺量的增大，胶砂试件的抗折强度和抗压强度呈现明显下降趋势。

表2 不同粉煤灰掺量的 P•O42.5 水泥胶砂强度表

图2 不同粉煤灰掺量的 P•O42.5 水泥胶砂强度

3 结论

（1）随着 P·Ⅱ52.5水泥胶砂试件中粉煤灰掺量的增大，胶砂试件的抗折强度和抗压强度基本呈下降趋势，当 P·Ⅱ52.5 水泥胶砂试件中掺入 20% 左右的粉煤灰时，其 28d 强度与 P·O42.5 水泥接近。以 52.5 水泥520 元/吨、42.5 水泥 500 元/吨、Ⅱ 级粉煤灰 110 元/吨为例，在力学性能基本一致的前提下，使用掺入 20%Ⅱ 级粉煤灰的 P·Ⅱ 52.5 水泥替代 P·O42.5 水泥，则每吨的成本可节省 62 元，经济效益显著。

（2）随着 P·O42.5 水泥胶砂试件中粉煤灰掺量的增大，胶砂试件的抗折强度和抗压强度基本呈下降趋势，当粉煤灰掺量提升至 25% 时，其 28d 抗压强度35.3MPa、抗折强度为 7.08MPa，或可替代低标号水泥。

也就是说，在高标号水泥中掺入一定量的 GDF-Ⅱ型粉煤灰后，性价比方面明显优于低标号的水泥。