低钙粉煤灰掺量、水胶比和养护龄期对混凝土抗压强度的影响

张 扬， 胥青柏， 翟凯胜， 景延会

(南阳理工学院土木工程学院 河南 南阳 473000)

0 引言

长久以来，火力发电是我国能源供应的重要组成部分，粉煤灰是伴随火力发电产生的一种工业废渣。随着经济的发展，我国粉煤灰的排放量逐年增加[1]，而粉煤灰的利用率还有待提高(见图1)。大量待利用的粉煤灰不仅需要占用稀缺的土地来贮存，湿法排灰还会消耗大量的水，而且粉煤灰给生态环境也带来了诸多不利的影响和巨大的压力，粉煤灰已成我国最大的单一固体污染源。据估算，目前我国粉煤灰每年向自然环境中释放大量的镉、铬、砷、汞、铅等元素，严重危害环境安全以及人体健康[2，3]。如何提高粉煤灰的综合利用率，将其变废为宝，是我国目前亟须解决的问题。

粉煤灰具有低的火山灰活性[4]，在混凝土中掺加粉煤灰，不仅可以降低成本，避免资源浪费，保护环境，而且还可以提高和改善混凝土在某些方面的性能。据报道，用粉煤灰替代混凝土中10%的水泥，理论上能够减少25%的CO2排放量[5]。有研究表明[6-10]，粉煤灰混凝土比普通混凝土具有更好的耐久性、更低的水化热和更高的密实性等诸多优良

图1 我国粉煤灰年排放量与年需求量的变化

的性能。粉煤灰在混凝土中的用量通常不超过10%～15%[11]，当粉煤灰掺量超过40%时，称为高掺量粉煤灰混凝土[12]，目前高掺量粉煤灰混凝土的研究资料还相对欠缺。本文通过试验的方法对低钙粉煤灰掺量、水胶比和养护龄期对混凝土抗压强度的影响进行了试验研究，并对试验结果进行了有交互作用的方差分析和回归分析，得到了低钙粉煤灰掺量、水胶比和养护龄期等因素对混凝土抗压强度的影响规律，以及高掺量低钙粉煤灰混凝土抗压强度的经验公式。本文的研究工作对于粉煤灰的再利用、环境保护、降低生产成本等方面有重要的意义。

1 实验

1.1 材料

P.O 32.5普通硅酸盐水泥；Ⅱ级低钙粉煤灰，其化学成分见表1所示；中砂，细度模数为2.7；碎石，粒径5～31.5 mm；自来水。

1.2 试块制备

采用粉煤灰等重量替代水泥的方法在混凝土中掺加低钙粉煤灰。为了研究低钙粉煤灰掺量、水胶比和养护龄期对高掺量低钙粉煤灰混凝土早期抗压强度的影响，设置了4种低钙粉煤灰掺加水平，分别是0%、50%、70%和90%；设置了3种水胶比，分别是0.38、0.44和0.50；设置了3种养护龄期，分别是7 d、14 d和28 d。首先依据JGJ 55-2011进行普通混凝土(F00W44)的配合比设计，然后在其配合比设计的基础上进行高掺量低钙粉煤灰混凝土的配合比设计，具体的配合比设计方案见表2所示。

表1 低钙粉煤灰的化学成分

表2 配合比设计方案

每种混凝土配合比分别制作9个边长100 mm的立方体混凝土试块。混凝土拌合物采用搅拌机机械搅拌，为了保证各组分材料的充分混合，采用分步骤加料的方法：先将称量好的水泥、低钙粉煤灰、砂预混，搅拌5 min后加入称量好的碎石、水，继续搅拌至均匀后装入试模中。装模完成后，先使用抹刀略加插捣，然后放置于振动台上持续振动至表面出浆，再刮除试块表面多余混凝土，并抹平表面，置于室内自然条件下24 h后拆模，之后将试块置于标准养护箱(20 ℃、95%RH)中分别养护至7 d、14 d和28 d龄期。

1.3 测试

使用KYES-1000型电液式压力试验机，按照GB/T 50081-2002进行高掺量低钙粉煤灰混凝土试块的抗压强度测试，加载速度控制在0.3～0.5 MPa/s。取同一组3个试块抗压强度的平均值作为该组混凝土试块的抗压强度，高掺量低钙粉煤灰混凝土抗压强度的试验结果见表3和图2所示。

表3 抗压强度试验结果(单位：MPa)

续表3 抗压强度试验结果

(单位：MPa)

图2 抗压强度试验结果

2 结果与讨论

2.1 方差分析

基于试验结果，利用Matlab软件进行两次有交互的双因素方差分析(显著性水平0.05)，分别检验双因素“低钙粉煤灰掺量+养护龄期”以及双因素“水胶比+养护龄期”是否各因素单独或交互对混凝土强度有显著影响，Matlab方差分析结果分别见表4和表5所示。可以看出，低钙粉煤灰掺量、水胶比、养护龄期各因素单独对混凝土强度都有显著的影响，且“低钙粉煤灰掺量+养护龄期”、“水胶比+养护龄期”双因素交互对混凝土强度也有显著的影响。

表4 “低钙粉煤灰掺量+养护龄期”有交互的双因素方差分析结果

表5 “水胶比+养护龄期”有交互的双因素方差分析结果

2.2 回归分析

基于试验结果，利用Matlab软件进行两次回归分析，均采用二元交叉回归模型，在显著性水平0.01下分别得到0.44水胶比时低钙粉煤灰掺量、养护龄期与混凝土抗压强度之间关系的经验公式，以及70%低钙粉煤灰掺量时水胶比、养护龄期与混凝土抗压强度之间关系的经验公式。基于回归分析经验公式得到的混凝土抗压强度预测值与试验值对比见图3所示，可见预测值与试验值吻合较好，所得经验公式有一定工程参考价值。

0.44水胶比时：fcu=fcu,st(0.6319-0.6848α+0.0141t-0.0129αt)

70%低钙粉煤灰掺量时：fcu=fcu,0.38(0.5218-0.6089r+0.0639t-0.1095rt)

式中：fcu为混凝土立方体抗压强度，MPa；fcu,st为0.44水胶比时，基准普通混凝土28 d立方体抗压强度，MPa；fcu,0.38为70%低钙粉煤灰掺量时，0.38水胶比的混凝土28 d立方体抗压强度，MPa；α为低钙粉煤灰掺量，即低钙粉煤灰替代水泥的百分比，%；r为水胶比；t为混凝土养护龄期，d。

图3 回归分析预测结果与试验结果对比

2.3 结果讨论

由抗压强度试验结果可知：

(1)水胶比0.44时，50%、70%、90%低钙粉煤灰掺量混凝土的7 d、14 d和28 d抗压强度分别比相应龄期基准普通混凝土的抗压强度降低了54.7%、77.9%、92.0%，52.4%、76.5%、92.2%，以及43.7%、76.0%、91.0%。基准(0%)、50%、70%、90%低钙粉煤灰掺量混凝土的7 d抗压强度，分别达到了各自28 d抗压强度的72.2%、58.1%、66.5%、64.4%。基准普通混凝土在前7 d强度增长最为迅速，达到5.139 MPa/d；而高掺量低钙粉煤灰混凝土在前7 d强度发展较为缓慢，50%、70%和90%低钙粉煤灰掺量混凝土在前7 d强度增速分别是2.327 MPa/d、1.138 MPa/d和0.411 MPa/d。基准(0%)、50%、70%、90%低钙粉煤灰掺量混凝土的14 d和28 d抗压强度，分别比相应的7 d抗压强度提高了19.3%、25.5%、26.3%、16.7%，以及38.6%、72.2%、50.4%、55.4%。基准普通混凝土7 d后强度增速下降最为显著，8～28 d强度增速仅为0.661 MPa/d，增速下降了87.1%；而高掺量低钙粉煤灰混凝土7 d后强度增长下降较为缓慢，8～28 d强度增长分别为0.560 MPa/d、0.191 MPa/d和0.076 MPa/d，增速分别下降了75.9%、83.2%和81.5%。

可见，不同低钙粉煤灰掺量的混凝土强度在前7 d发展都较迅猛，之后发展逐渐放缓；与基准普通混凝土相比，在混凝土中掺加大量低钙粉煤灰将减缓混凝土前7 d的强度增长，8～28 d强度增速下降也更平缓，强度发展的时间效应更显著；混凝土的抗压强度随着低钙粉煤灰掺量的增加而降低，掺加过量的低钙粉煤灰会显著降低混凝土的抗压强度，以致达不到混凝土工程应用的基本强度要求，这主要与粉煤灰的化学性质稳定、火山灰活性低和水化反应慢有关，故低钙粉煤灰的掺量要控制在适宜的范围内。水胶比0.44时50%低钙粉煤灰掺量较为适宜，其28 d抗压强度能达到C25以上，70%低钙粉煤灰掺量混凝土的14 d和28 d抗压强度亦能达到C10。

(2)低钙粉煤灰掺量70%时，0.44、0.50水胶比的混凝土7 d、14 d和28 d抗压强度分别比相应龄期0.38水胶比混凝土的抗压强度降低了23.8%、39.7%，25.6%、38.2%，和47.0%、45.1%。0.38、0.44和0.50水胶比的混凝土的前7 d强度增速分别为1.495 MPa/d、1.138 MPa/d和0.901 MPa/d，14 d和28 d抗压强度分别比相应的7 d抗压强度提高了29.3%、26.3%、32.5%，和116.0%、50.4%、96.9%，8～28 d强度增速分别为0.578 MPa/d、0.191 MPa/d和0.291 MPa/d，增速分别下降了61.3%、83.2%和67.7%。

可见，不同水胶比的高掺量低钙粉煤灰混凝土在前7 d强度发展都较迅猛，8～28 d强度发展放缓；增大水胶比将减缓高掺量低钙粉煤灰混凝土在前7 d的强度增长，8～28 d强度增速下降也更急剧些；高掺量低钙粉煤灰混凝土抗压强度随着水胶比的减小而增大，水胶比要控制在适宜的范围内，过大的水胶比会降低混凝土的密实度，对混凝土强度有不利影响，但过小的水胶比又会降低混凝土的工作性。70%低钙粉煤灰掺量时混凝土水胶比取0.38较为适宜，其28 d抗压强度能达到C20以上。

3 结论

本文对低钙粉煤灰掺量、水胶比和养护龄期对混凝土抗压强度的影响进行了试验研究，并利用Matlab软件对试验结果进行了考虑交互作用的方差分析和回归分析，可以得出以下结论：

(1)在水胶比一定的情况下，不同低钙粉煤灰掺量的混凝土强度在前7 d发展都较快，之后强度发展放缓，其中基准普通混凝土在前7 d强度发展和之后放缓都最为迅速，掺加大量低钙粉煤灰可以减慢混凝土前7 d的强度增长，8～28 d强度增速下降也更平缓，强度发展的时间效应更显著。混凝土的抗压强度随着低钙粉煤灰掺量的增加而降低，低钙粉煤灰掺量要适宜，掺加过量的低钙粉煤灰会显著降低混凝土的强度，水胶比0.44时50%低钙粉煤灰掺量较为适宜，其28 d抗压强度能达到C25以上。

(2)在低钙粉煤灰掺量一定的情况下，不同水胶比的混凝土强度在前7 d发展都较快，之后强度发展放缓，增大水胶比将减缓高掺量低钙粉煤灰混凝土在前7 d的强度增长，8～28 d强度增速下降也更急剧些。高掺量低钙粉煤灰混凝土抗压强度随着水胶比的减小而增大，水胶比要控制在适宜的范围内，过大的水胶比对混凝土的强度不利，过小的水胶比又会降低混凝土的工作性，70%低钙粉煤灰掺量时混凝土水胶比取0.38较为适宜，其28 d抗压强度能达到C20以上。

(3)低钙粉煤灰掺量、水胶比、养护龄期各因素单独对混凝土强度都有显著的影响，且双因素交互对混凝土强度也有显著的影响，基于二元交叉回归模型得到的经验公式与试验结果吻合较好，有一定的工程参考价值。