粉煤灰和石粉对预制构件混凝土性能的影响

高文静

（温州振杰混凝土有限公司，浙江 温州 325802）

0 前言

传统施工方式工作环境差、可控性不强以及施工质量受到现场作业水平、养护条件等制约，装配式施工成为改良传统施工方式的重要途径。预制混凝土（PC）构件作为装配式施工的重要部品部件，经过深化设计、钢筋及预埋铺装、混凝土浇筑等工序制得。预制混凝土要求和易性良好、早期强度高、感观质量好[1]，对混凝土原材料及浇筑水平提出更高要求。

粉煤灰具有火山灰效应、滚珠效应和微集料效应，成为提高混凝土综合性能的重要矿物掺合料[2]，然而随着国家“碳达峰”和“碳中和”政策的推进，作为燃煤电厂副产物的粉煤灰供应日趋紧张，劣质粉煤灰、脱硫灰、假灰等充斥市场，给混凝土生产与工程质量带来影响[3]。石灰石粉来源广、品质相对稳定，开始作为辅助胶凝材料应用于混凝土生产，有研究[4-6]发现，石粉可以降低水泥浆体粘度、提高混凝土保水性，同时具有晶核效应，促进水泥早期水化，但应注意石粉细度和掺量的影响[7]。本项目依托某预制墙板项目，研究了粉煤灰和石灰石粉对混凝土性能的影响，以便为矿物掺合料的研究及预制混凝土构件生产提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）水泥采用市售 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥，水泥的性能指标见表 1。粉煤灰为Ⅱ级灰，45μm 方孔筛余 15%、烧失量 5.0%，需水比为 103%。石灰石粉45μm 方孔筛余 8%，CaCO3含量 85%，净浆流动度比110%。

表1 水泥的主要性能指标

（2）试验采用机制砂，细度模数 3.0，石粉含量12%，MB 值 1.1；小石粒径为 5～10mm，大石 10～20mm，压碎值 9.8%。

（3）外加剂采用高性能聚羧酸减水剂（早强型），含固量 16%，掺量在 1.5%～2.0% 之间。

1.2 试验方法

（1）根据某预制墙板生产情况，采用 C30 混凝土配合比，见表 2，矿物掺合料用量分别为 70kg/m3、

表2 试验用 C30 混凝土配合比 kg/m3

40kg/m3。

（2）加入粉煤灰和石粉后进行混凝土拌合，按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土坍落度、凝结时间及含气量。

（3）混凝土流变性测试：将拌合好的混凝土去除粗骨料，将备好的净浆取 2L 离筛孔 10cm 高处，使其匀速通过 4.75mm 方孔筛，计算砂浆全部通过方孔筛的时间。

（4）混凝土抗压和抗折强度测试参照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，称取原材料进行加水拌和，成型 100mm×100mm×100mm 的抗压试模、100mm×100mm×400mm 的抗折试模，覆膜养护 24h 拆模，之后放置室内养护（湿度(65±5)%，温度 (20±2)℃），测试混凝土 1d、7d 和28d的抗压强度和抗折强度。

（5）混凝土碳化和电通量测试参照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，将混凝土拌合后成型覆膜 24h 后拆模，测试混凝土室内养护（湿度 (65±5)%，温度 (20±2)℃）下的碳化深度和 28d 电通量值。

2 试验结果及讨论

2.1 工作性能

按照表 2 所示混凝土配比拌合，测试混凝土拌合物初始坍落度、凝结时间以及混凝土流变性能、含气量等，测试结果见表 3。

表3 混凝土工作性能测试结果

表3 结果显示，混凝土坍落度因粉煤灰和石粉取代量不同而出现差异，当粉煤灰和石粉掺量增加时，混凝土坍落度增加，这说明石粉和粉煤灰都可以起到改善混凝土流动性的作用，且掺入石粉的混凝土坍落度增加高于粉煤灰，这是因为石粉相比粉煤灰更能降低浆体粘度。

加入石粉后混凝土凝结时间缩短，这是因为适宜细度的石粉对混凝土起到有效填充，有研究[8]认为石粉能够起到晶核作用，促进水泥水化，使得生成水化产物的进程加快，使混凝土初凝和终凝时间缩短。矿掺种类和掺量对混凝土含气量影响不大，但矿掺比例增加的情况下粉煤灰更容易引入外界空气，也有可能是粉煤灰自身物质参与反应生成的气体所致。

2.2 抗压和抗折强度

按照表 2 所示混凝土配合比称取原材料，进行拌和成型，覆膜养护 24h 后拆模，测试混凝土在室内养护（湿度 (65±5)%，温度 (20±2)℃）下的 1d、7d 和 28d的抗压和抗折强度。结果见表 4。

从表 4 结果可以看出，当掺量为 70kg/m3时，掺石粉的混凝土 1d、7d 和 28d 抗压强度均低于掺粉煤灰组；当石粉和粉煤灰掺量为 40kg/m3时，混凝土 1d 抗压强度石粉略高于粉煤灰，随着龄期发展，掺入粉煤灰的混凝土强度持续发展，优于掺入石粉组。同样掺合料时，石粉掺量增加，混凝土各龄期强度降低，这说明石粉活性较低，对混凝土强度造成一定影响。粉煤灰表现出和石粉相同的强度规律。

表4 粉煤灰和石灰石粉对混凝土强度的影响

掺入不同量的石粉和粉煤灰的混凝土抗折强度发展趋势和抗压强度一致。适量石粉可以起到有效填充作用，同时在水泥水化过程中充当晶核作用，能促进水泥早期水化。但石粉活性低于粉煤灰，无法像粉煤灰一样发挥后期的二次水化效应，因此混凝土强度可持续发展能力较低。

2.3 电通量和碳化深度

混凝土抗氯离子能力和抗碳化性能是混凝土耐久性的重要指标。对混凝土 28d 电通量和碳化深度发展情况进行了测试，结果见表 5。

表5 石粉和粉煤灰混凝土电通量和碳化深度值

表5 结果显示，随着石粉和粉煤灰掺量增加，混凝土28d 电通量均增加；当掺量相同时，粉煤灰相比石粉具有较低的电通量，这说明粉煤灰抵抗氯离子通过的能力较强。当矿物掺合料用量少时，混凝土 7d 碳化深度相当，28d 碳化深度石粉略高于粉煤灰，粉煤灰和石粉同为 70kg/m3时，掺入粉煤灰的混凝土 7d 和 28d 碳化深度均低于石粉组，这说明随着龄期发展，粉煤灰参与二次水化，消耗部分氢氧化钙，同时生成的水化产物使得混凝土更加密实[9]，使得混凝土抵抗氯离子和酸性气体的能力增强。石粉活性相对较低，无法为水泥水化提供持续反应动力，密实程度略低。

3 结论

（1）适量的石粉和粉煤灰可以提高混凝土流动性，且石粉在降低混凝土粘度方面更为突出，同掺量下石粉凝结时间较短，但石粉和粉煤灰掺量增加都使得混凝土初凝和终凝时间有所延长。矿掺种类和掺量对混凝土含气量影响不大，但提高矿掺比例时粉煤灰引入混凝土的含气量略有增加。

（2）当石粉和粉煤灰掺量较低时，掺入石粉混凝土 1d 抗折和抗压强度略高于粉煤灰，混凝土 7d 和 28d抗压和抗折强度粉煤灰占优；随掺量继续增加，掺石粉的混凝土 1d、7d 和 28d 抗压和抗折强度均低于掺粉煤灰组。

（3）随着石粉和粉煤灰掺量增加，混凝土 28d 电通量增加；同掺量下，掺入粉煤灰混凝土相比石粉混凝土电通量要低；当矿掺用量为 40kg/m3时，掺入粉煤灰和石粉的混凝土 7d 碳化深度差别不大，28d 碳化深度石粉略高于粉煤灰，当掺量为 70kg/m3时，粉煤灰混凝土 7d 和 28d 碳化深度均低于石粉。