大掺量粉煤灰混凝土早期抗压强度变化规律

金明山，宋 杨，孙剑飞，丁 琳

(1.黑龙江农垦现代农业工程设计有限公司，哈尔滨 150090； 2.黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

混凝土中掺入粉煤灰可有效降低混凝土的水化热[1]。在大体积混凝土中应用粉煤灰可抑制裂缝的产生[2]，因此大掺量粉煤灰混凝土的研究具有重要意义。工业活动大量产生粉煤灰，导致污染日益严重[3]，粉煤灰的应用既可减少环境污染，又能提高混凝土的性能[4]。

长期以来，在混凝土中掺入一定量粉煤灰，可作为水泥的替代材料。通常情况下，是在以下几种场景中应用的：在早期强度要求很低，长期强度大约在25～35 MPa的大体积水工混凝土中，大掺量粉煤灰替代水泥使用；在结构混凝土中较少量地替代水泥；在强度要求很低的回填或道路基层里大量掺用[5]。经研究分析，粉煤灰提高混凝土的性能主要表现在以下几个方面：粉煤灰的形态效应可以产生水势能，有利于减少混凝土的单位用水量，从而在保证混凝土强度的前提下，减少水泥用量，减少混凝土的水化升温和混凝土中温度裂缝发生的概率，同时具有致密作用[6]；粉煤灰的火山灰效应产生反应势能，可以提高混凝土的后期强度[7]；粉煤灰的微集料效应所产生的致密势能，可以减少混凝土有害孔的比例，有效提高混凝土的密实性，其化学作用的水化热起到骨架作用，提高黏结强度，从而提高混凝土的抗裂性能[8]。

1 研究背景

粉煤灰作为混凝土拌和物的第五组分，即除了水泥、砂、石和水以外的另一种成分，其大量掺入能很好地提高混凝土的性能，常用于高性能混凝土中[9]。但由于粉煤灰混凝土的早期强度偏低，影响了它在实际工程中的使用。改善粉煤灰混凝土的早期强度是提高粉煤灰利用率的重要途径[10]。针对如何提高粉煤灰混凝土的早期强度，赵群等开展了大掺量粉煤灰混凝土的早期强度研究[11]。早期混凝土的材料性能变化较大，进行这项研究的主要目的在于增进对早期混凝土材料性能的认识和了解，以便采用较好的方法来解决早期混凝土的相关问题。

混凝土的早期强度直接影响到混凝土的施工进度及预应力混凝土的生产效率，因而受到越来越多的关注。在结构混凝土中，大都以28d强度来设计的，随着粉煤灰掺量的增加，早期强度降低越明显，因此在结构中限制粉煤灰的掺量[12]。在我国粉煤灰混凝土应用技术规程中规定，结构混凝土中粉煤灰的掺量一般为15%～25%。近年来，混凝土的节能研究成为热点，大掺量粉煤灰混凝土具有明显节能、低热等优点。增加粉煤灰的掺量，提高粉煤灰混凝土的早期强度显得尤为重要。

许多研究表明，粉煤灰混凝土具有早期强度低、后期强度高、强度增长持续时间长的特点。相对普通混凝土，大掺量粉煤灰混凝土胶凝组分重心有所偏移，粉煤灰被视为混凝土的一个独立组分，目前高质量粉煤灰和高效减水剂的开发利用，为研究性能优异的大掺量粉煤灰混凝土提供了机遇。

本文从选材、配制以及添加化学外掺剂等方面探讨如何改善大掺量粉煤灰混凝土早期强度。与普通混凝土相比，大掺量粉煤灰混凝土由于在普通混凝土的基础上掺加了粉煤灰，粉煤灰效应明显，对混凝土力学性能产生了重大影响，通过在混凝土中掺入减水剂、引气剂、粉煤灰活性激发剂等外加剂，提高大掺量粉煤灰混凝土的性能。对大掺量粉煤灰混凝土配合比设计的抗压强度试验研究发现，大掺量粉煤灰混凝土在掺加激发剂情况下，能够提高混凝土早期的抗压强度，具有很好的应用开发前景。

2 试验方法与结果分析

本试验根据《水工混凝土试验规程》(SL/T 5150-2006)和《普通混凝土拌和物性能试验方法》(GB/T 50080-2016)进行饱和大掺量粉煤灰混凝土试样的制备。

2.1 试验准备

试验依据混凝土的工程性质与特点、工程寒区环境条件以及施工条件，结合水泥特性进行合理选择，水泥强度等级和混凝土的设计等级相适应。试验采用天鹅牌42.5级普通硅酸盐水泥，水泥物理力学性能见表1。粉煤灰采用黑龙江火电公司生产磨细一级粉煤灰，河沙采用细度模数Mx为2.5、含泥量为0.8%的比较坚硬、级配良好的河沙。砂的种类及有害杂质含量见表2。石子为质地坚硬、级配良好的石灰岩碎石，针、片状小于3%，其最大粒径Dmax≤12 mm，含泥量≤0.5%，吸水率<1%。使用黑龙江省低温建筑材料研究院生产的WND减水剂。混凝土拌和用水和混凝土养护用水为饮用水，满足混凝土拌和用水水质要求，见表3。

表1 水泥物理力学性能

表2 砂的种类和有害杂质含量

表3 混凝土拌和用水水质要求

2.2 试样制备与养护

本试验混凝土采用机械拌和方法拌制，水灰比为0.25，制作两组试件(图1)，每组12个立方体标准试件，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，详细材料用量见表4。将每3个试件为一个小组，浇筑24 h以后拆模，分别放置在恒温(20±2℃)养护室内浸泡养护3、7和14 d。

图1 混凝土试件制作

表4 混凝土材料用量表

2.3 试验与数据分析

本试验在参考国内外研究的基础上，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)和《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)的有关规定，对A、B两组试件进行无损检测和立方体轴心抗压强度检测。将A1-A3为一组，用于3 d强度检测；A4-A6为一组，用于7 d强度检测；A7-A9为一组，用于14 d强度检测；B1-B3为一组，用于3 d强度测量；B4-B6为一组，用于7 d强度检测；B7-B9为一组，用于14 d强度测量。试验分别使用回弹仪和压力机进行无损测验和抗压强度试验。试件加载破坏形式见图2；记录30次无损检测回弹值并计算平均值，见表5。

图2 混凝土破坏形式

表5 试件回弹值

续表5

按下式计算混凝土立方体抗压强度fcc(计算精确至0.01 MPa)：

fcc=P/A

式中：P为破坏荷载，N；A为试件面积，mm2(本试件为标准立方体，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，即受压面积A=150×150 mm2)。

根据试验记录18块试件破坏荷载P，按上式计算fcc，结果见表6。

根据表5和表6,分别绘制A组﹑B组早期强度与大掺量粉煤灰的关系折线图，见图3和图4。

图3 A组早期强度与粉煤灰掺量关系折线图

图4 B组早期强度与粉煤灰掺量关系折线图

表6 试件抗压强度

数据结果显示，大掺量粉煤灰混凝土试件早期强度都随所含粉煤灰掺量增加而降低。3 d-7 d两组试件抗压强度和回弹值明显增加，7 d-14 d试件抗压强度大幅增加，回弹值也不断增加。但由于两组试件粉煤灰掺量不同，粉煤灰水化的程度也不相同，A组混凝土试件含水率并没有下降，反而略有提升，可能是因为试件中粉煤灰水化程度较完全，含水率的增加可能与影响含水率的因素中除粉煤灰水化外的其他因素有关。而B组混凝土试件的粉煤灰掺量为70%时，试件中粉煤灰可能依然进行着水化作用，从而导致含水率有所下降。

大掺量粉煤灰混凝土试件早期强度都随粉煤灰的增加而降低，可预测两组试件的含水率值最终都会在一个数值附近波动，且不再发生明显变化，大掺量粉煤灰混凝土试件的强度将增加至最大。大掺量粉煤灰混凝土早期强度低，影响了粉煤灰混凝土在工程中的应用，但粉煤灰的掺量对混凝土后期强度发展有帮助。

3 结 论

本文通过试验研究大掺量粉煤灰对混凝土早期抗压强度影响，结论如下：

1) 随着混凝土中粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐降低，特别是7 d和14 d的早期强度，最低值只有基准混凝土强度的17%。但是对于大掺量粉煤灰混凝土的后期强度来说，与基准组达到了同一水平。此外，随着龄期的增长，粉煤灰混凝土的强度是能够不断发展的，而且发展的速率比普通的基准组的要快。

2) 随着养护大掺量混凝土龄期的增长，混凝土抗压强度是升高的。对于普通混凝土，龄期的增长混凝土抗压强度升高的幅度较小，后期强度发展缓慢；对于大掺量粉煤灰混凝土，龄期的增长混凝土抗压强度升幅较大，其后期强度发展迅速，特别是随着粉煤灰掺量的增加，强度发展速率增长。因此，依据大掺量粉煤灰混凝土的后期强度发展的特性，建议将其后期抗压强度值作为设计强度。