粉煤灰强度活性指数对混凝土性能影响研究

尹绍清，王春晖，吴倩雯，方 朋

(1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537200；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510610)

粉煤灰因其良好的形态效应、活性效应以及微集料效应已广泛应用于普通混凝土及高性能混凝土的配制[1-3]。粉煤灰用于混凝土的主要技术优势在于：一是显著地改善新拌混凝土的和易性，提高混凝土泵送性；二是混凝土需水量，减少泌水与离析，降低坍落度损失[4-5]；三是粉煤灰的掺入，可明显抑制混凝土的徐变[6]。但是，粉煤灰的掺入对混凝土早期抗碳化性能和抗冻性能均具有不良影响。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗冻性能降低[7]。实际工程应用中，粉煤灰品质对混凝土的工作性、强度、干缩、抗渗、抗冻、抗冲磨性能的影响各不相同[8]。其中，强度活性指数在粉煤灰物理品质评价体系中至关重要。近年来，随着粉煤灰供应紧张，导致市场上的粉煤灰质量参差不齐。因此，为了控制粉煤灰品质，粉煤灰在水泥和混凝土中的应用标准也相应提升。GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》新增“用于拌制混凝土和砂浆用粉煤灰，强度活性指数不低于70%”的要求[9-10]。对于在建工程，混凝土关键原材料重要性能指标评价标准发生改变时，则需对混凝土施工配合比进行验证，以确保混凝土质量。

以大藤峡水利枢纽工程混凝土为研究对象，用于配制混凝土的F类Ⅱ级粉煤灰平均强度活性指数为68%，略低于新规范“强度活性指数不小于70%”的要求。为了探明粉煤灰强度活性指数对大藤峡工程混凝土性能的影响规律，本文从粉煤灰微观形态、硬化混凝土力学性能、变形性能、耐久性能以及混凝土对钢筋握裹力等方面开展研究，分析了粉煤灰强度活性指数对混凝土性能的影响规律，并对工程建设施工及验收中关于粉煤灰材料质量控制要求提出合理建议。

1 原材料试验及粉煤灰制备

试验采用广西鱼峰水泥股份有限公司生产的42.5中热硅酸盐水泥，天津市鑫永强混凝土外加剂有限公司生产的缓凝型高性能减水剂及引气剂；骨料为江口天然砂砾石料场生产的砂岩骨料，其中细骨料为机制砂，粗骨料为卵石骨料。粉煤灰为广西钦州蓝岛环保材料有限公司提供的钦州电厂F类粉煤灰，粉煤灰原材料共有Ⅰ级灰样品和专用低活性粉煤灰2种，粉煤灰样品微观形貌及物理性能分别见图1、表1。

粉煤灰强度活性指数高低与其玻璃微珠含量多少密切相关[3-4]。通过扫描电镜图可清晰看到：强度活性指数89%的粉煤灰(图1a)颗粒形貌较规则，多为球形颗粒，且颗粒较均匀，填充效果较好。强度活性指数64%的粉煤灰(图1b)则以不规则颗粒为主，球形颗粒含量占比相对较少，颗粒间填充效果较差。

a) 强度活性指数89%的粉煤灰

b) 强度活性指数64%的粉煤灰

本次通过对Ⅰ级粉煤灰和低活性粉煤灰进行复配，选定3组不同活性指数的粉煤灰，复配出的粉煤灰各项物理性能见表2。

表1 粉煤灰物理性能

表2 复配粉煤灰物理性能

2 试验用配合比选择

结合大藤峡水利枢纽左岸厂坝工程常态混凝土配合比中粉煤灰常用掺量，选取C20W6F100(二)、C25W6F100(二)、C35W6F100(二)3个混凝土配合比进行论证试验。选定施工配合比设计参数见表3。分别采用3组不同强度活性指数的粉煤灰进行对比试验。混凝土拌和、成型、养护及各项性能试验均按SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》相应要求执行。

表3 施工配合比设计参数

3 试验结果与讨论

选择3个施工配合比，共有0.37、0.46、0.48等3个水胶比，分别用3组不同活性指数的粉煤灰进行对比试验。混凝土拌和、成型、养护及各项性能试验均按SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》相应要求执行。

3.1 立方体抗压强度

立方体抗压强度是混凝土最重要的力学指标，对混凝土质量控制有重要意义。硬化混凝土立方体抗压强度检测成果见表4，不同设计龄期混凝土立方体抗压强度与粉煤灰强度活性指数关系拟合曲线见图2。

表4 硬化混凝土抗压强度

a)28 d

b)90 d

当粉煤灰强度活性指数在64%～76%范围时:①采用不同强度活性指数粉煤灰制备混凝土，其立方体抗压强度均满足配制强度要求；②粉煤灰掺量为25%时，粉煤灰强度活性指数每增加1%，28 d混凝土立方体抗压强度约增加0.6 MPa，90 d抗压强度约增加0.4 MPa；③当粉煤灰掺量为20%时，粉煤灰强度活性指数每增加1%，28 d混凝土立方体抗压强度约增加0.6 MPa，90 d抗压强度约增加0.4 MPa；④当粉煤灰掺量为15%时，强度活性指数每增加1%，28 d混凝土抗压强度约增加0.4 MPa，90 d抗压强度约增加0.5 MPa。

以28 d抗压强度作为基准值，当粉煤灰掺量为25%，粉煤灰活性指数分别为64%、70%、74%时，其对应90 d抗压强度增长率分别为141.0%、133.2%、126.0%；当粉煤灰掺量为20%，粉煤灰活性指数为别为64%、70%、74%时，其对应90 d抗压强度增长率分别为138.6%、129.8%、123.2%；当粉煤灰掺量为15%，粉煤灰活性指数分别为64%、70%、74%时，其对应90 d抗压强度增长率分别为115.9%、117.0%、117.0%。

上述数据分析表明，当粉煤灰掺量为20%、25%时，在水泥水化前期，强度活性指数较高的粉煤灰可能已经开始水化[13]，并对混凝土28 d抗压强度发挥积极作用；而对于强度活性指数相对较低的粉煤灰可能未发生水化，其早期主要呈现水化惰性效果，对混凝土28 d抗压强度的提升作用较小；而到混凝土90 d龄期时，由于其火山灰效应，强度活性指数相对较低的在水化过程中与水泥水化释放出的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成硅酸钙类水化物。90 d后粉煤灰颗粒表面产生大量的水化硅酸钙纤维状晶体，相互交叉连接形成很高的黏结强度[14]。因此，与掺低强度活性指数粉煤灰的混凝土相比，掺高活性指数粉煤灰的混凝土90 d抗压强度/28 d抗压强度比值更高。

当粉煤灰掺量为15%时，可能由于粉煤灰掺量较低，粉煤灰对水泥-粉煤灰体系的早期水化过程具有加速作用，主要机理是当粉煤灰等量取代部分水泥后，一方面增大了水泥浆体中的有效水灰比，另一方面由于粉煤灰的成核作用，从而促进了水泥的早期水化速率[15]。随着龄期的增长，粉煤灰掺量为15%的混凝土，抗压强度受到水胶比、粉煤灰掺量、粉煤灰强度活性指数等因素的耦合作用影响，因此呈现出掺低活性指数粉煤灰的混凝土相比掺高活性指数粉煤灰混凝土的90 d抗压强度/28 d抗压强度比值基本接近的现象。

3.2 轴向拉伸试验

轴向拉伸试验是一种综合测定混凝土拉伸性能指标的技术手段，反映混凝土抵抗拉伸变形的能力。本文采用八字模试样进行轴向拉伸试验，28 d轴心抗拉强度及极限拉伸值见表5，轴心抗拉强度及极限拉伸值与粉煤灰强度活性指数增长关系见图3。

表5 28 d混凝土轴心抗拉强度及极限拉伸值

a)28 d

b)28 d

表5中数据表明当粉煤灰强度活性指数在64%～76%范围时：①混凝土抗拉强度及极限拉伸变形量随粉煤灰强度活性指数增加均呈现增长趋势；②当粉煤灰强度活性指数由64%提高至70%时，同一设计指标混凝土抗拉强度与极限拉伸变形增长幅度，较强度活性指数由70%提高至76%时更大，因此对于抗裂性能要求较高的混凝土结构，宜优先选用强度活性指数高的优质粉煤灰。

3.3 轴心抗压强度与静力抗压弹性模量

静力抗压弹性模量反映混凝土受轴心应力与产生的应变之间的关系，是进行结构验算不可缺少的硬化混凝土性能指标。28 d混凝土轴心抗压强度与静力抗压弹性模量见表6。

表6 28 d龄期轴心抗压强度及静力抗压弹性模量

表6中数据表明当粉煤灰强度活性指数在64%～76%范围时：①随着水胶比、粉煤灰掺量减小，混凝土轴心抗压强度及静力抗压弹性模量增大；②当粉煤灰强度活性指数由64%提高至70%时，C20(粉煤灰掺量25%)及C25(粉煤灰掺量20%)混凝土轴心抗压强度与静力抗压弹性模量增长幅度，较强度活性指数由70%提高至76%时更大；③对于C35(粉煤灰掺量15%)混凝土，28 d粉煤灰强度活性指数增长，轴心抗压强度与静力抗压弹性模量无明显增长，这可能是由于粉煤灰掺量较低时，水胶比对混凝土28 d轴心抗压强度及弹性模量发挥主要作用[13]。

3.4 抗渗试验

混凝土抗渗性是指混凝土材料抵抗压力水渗透的能力。采用逐级加压法测试混凝土抗渗等级，试验结束后量测平均透水高度综合评定混凝土抗渗性能，28 d混凝土抗渗性能见表7。

表7 28 d龄期抗渗性能

表7中数据表明：①当粉煤灰强度活性指数在64%～76%范围变化时，同一设计指标硬化混凝土抗渗性能均能满足W6抗渗设计要求；②随粉煤灰强度活性指数提高，当粉煤灰强度活性指数在64%～76%范围时，同一设计指标硬化混凝土平均透水高度降低，抗渗性能提高。由于粉煤灰的微集料效应，强度活性指数高的粉煤灰微观形貌更规则、颗粒分布更均匀，填充效果更好，提高了混凝土的密实性。

3.5 抗冻试验

混凝土抗冻性能是影响混凝土耐久性的重要指标之一，硬化混凝土抗冻性能见表8。

表8 28 d龄期抗冻性能

表8中数据表明：①当粉煤灰强度活性指数在64%～76%范围变化时，同一设计指标硬化混凝土抗冻性能均能满足F100抗冻设计要求;②当粉煤灰强度活性指数在64%～76%范围时，随着粉煤灰强度活性指数变化，硬化混凝土抗冻性能差异规律性不明显。9组试样的质量损失率范围为0.11%～0.26%，相对动弹模量范围为90.5%～95.2%，2项指标的变化范围较小。这可能是由于所试验各混凝土抗冻性能均较好，而冻融次数较少，即使粉煤灰活性指数在64%～76%范围内变化，但尚未能对混凝土抗冻性能产生规律性的影响。

3.6 混凝土对钢筋握裹力试验

握裹力是钢筋和混凝土共同作用的基础，主要由化学胶结力、摩阻力和机械咬合力三部分组成。在标准试验边界条件约束下，混凝土对钢筋握裹力试验一定程度上反映钢筋与混凝土接触面上剪切应力随混凝土抗压强度增长的变化情况。28 d混凝土对钢筋的握裹力见表9。

表9 28 d混凝土对钢筋的握裹力

表9中数据表明：①当粉煤灰强度活性指数在64%～76%范围时，随着粉煤灰强度活性指数提高，硬化混凝土对钢筋握裹力(强度)表现增长规律，原因可能是强度活性指数高的粉煤灰，其微集料效应、火山灰效应和密实填充效应更优异，更好改善了混凝土与钢筋之间的界面结构，提高了二者之间的界面黏结力[14]；②当粉煤灰强度活性指数分别为64%、70%、76%时，同一设计等级硬化混凝土对钢筋握裹力检测代表值较均匀，差异较小，在本次研究粉煤灰强度活性指数范围内，粉煤灰强度活性指数发生变化，混凝土对钢筋握裹力检测值差异表现不明显。

4 结语

当粉煤灰强度活性指数在本文研究范围内波动时，同一设计指标硬化混凝土立方体抗压强度、抗渗性能、抗冻性能均能满足设计要求；对于相对较低强度活性指数的粉煤灰，可通过及时调整混凝土配合比参数，试配出适用于工程需求的混凝土，以达到资源最大化利用。

a)通过线性拟合可知，同一设计指标硬化混凝土立方体抗压强度增长与粉煤灰强度活性指数提高线性相关性较好；但其抗压强度增长受到水胶比、粉煤灰掺量、粉煤灰强度活性指数等因素的耦合作用影响，其表现出的增长规律不尽相同。对于抗裂性能要求较高的混凝土结构，宜优先选用强度活性指数高的优质粉煤灰。

b)本文研究选取的粉煤灰活性指数变化范围内，抗拉强度、极限拉伸值、轴心抗压强度与静力抗压弹性模量、混凝土对钢筋握裹力均表现为与粉煤灰强度活性指数保持相同的增长趋势。

鉴于粉煤灰强度活性指数波动对混凝土性能的影响，建议在工程启动初期建立粉煤灰强度活性指数与混凝土立方体抗压强度关系数据库，设定粉煤灰强度活性指数下限值，作为施工期混凝土质量控制的辅助方式。