粉煤灰对混凝土性能影响试验研究

彭玉发，祝云华，李讯，王青山，张曼妮

（内江师范学院，四川内江 641110）

0 引言

粉煤灰是煤炭燃烧后产生的固体废渣，火力发电产生的粉煤灰固体废渣数量庞大，将对生态环境产生破坏，因此其处理利用成为了全世界科研工作者力图攻克的问题。上世纪20 年代国外一些学者开始深入研究粉煤灰的利用。1935年，美国著名学者Davis 便开始对燃煤发电后留下的粉煤灰对混凝土性能的影响开展研究，其研究发现粉煤灰不仅在一定程度上可以改变混凝土的力学性能，而且还可以削减水泥用量。此后30 年的时间里，世界各国纷纷将粉煤灰用在混凝土中，粉煤灰混凝土开始得到广泛应用。不过，因经济、环境、人文等多种因素影响，在粉煤灰的合理利用方面，各国不一。在改革开放初期，我国学者开展了粉煤灰对混凝土力学性能影响研究，逐步将其应用在混凝土中。我国对粉煤灰研究的集大成者是科学家沈旦申，他撰写发表了近代具有技术指导意义的著作《粉煤灰混凝土》。此外，钱觉时和金祖权等学者建立了大掺量粉煤灰混凝土抗碳化能力的寿命预测模型[1]。可见，对粉煤灰开展研究具有重要意义。

1 粉煤灰性质分析

粉煤灰，俗称飞灰，是由煤炭燃烧后从锅炉底部随着烟气排出，接着由收尘设备收集的固体颗粒。电厂以安全、经济、效益发电为主，粉煤灰是电力生产的废弃物，电厂一般不会调整煤种、煤的品质、设备运行状况等来改变粉煤灰的质量。粉煤灰作为我国主要的工业副产品之一，如何对其进行有效利用是一个主要的问题。目前，作为混凝土的掺合料是利用粉煤灰的途径之一，这样不但可以改善混凝土的性能，还可以有效利用粉煤灰，节约能源、保护环境。粉煤灰的特性主要是指它的活性，可以将粉煤灰的活性分成物理活性和化学活性。

1.1 物理活性

粉煤灰的粒度很细，在1μm 至数百μm 之间，我国粉煤灰的平均粒度小于20μm，比表面积范围1500～5000cm2/g，平均比重约2.1g/cm2。粉煤灰形状呈球形的玻璃体，外表面光滑，结构致密，内表面积较小，具有较好的渗透性，毛细现象强烈。

物理活性主要包含了微集料效应和形态效应，与本身的化学性质无关，是提升混凝土制品胶凝活性和改善混凝土制品性能（如强度、抗渗性、抗冻性、耐磨性等）的各种物理效应的总称。粉煤灰应用中产生的微集料效应起到“细化孔隙”、提高混凝土抗压性能的作用；形态效应主要表现在粉煤灰的粒度、颗粒形貌、级配、内部结构等产生的效应方面。这一系列的物理特性，不仅可以提高混凝土的流动性，还对混凝土具有不同程度的减水作用等。

1.2 化学活性

粉煤灰是一种火山灰质材料，主要氧化物组成成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等，其含量变化见表1。

表1 粉煤灰主要氧化物组成成分含量

粉煤灰的活性主要来自活性成分SiO2和Al2O3在碱性条件下发生的水化作用，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，这些水化产物可以改变混凝土的孔隙率，增强混凝土各组分间的粘结作用。所以，组分中的SiO2、Al2O3和CaO 都是对混凝土活性有利的成分。对粉煤灰早期强度有一定作用的是硫在粉煤灰中主要以可溶性石膏（CaSO4）的形式存在，并且钙含量对胶凝体的形成有利。

粉煤灰越来越广泛地作为混凝土掺合料进行应用，在混凝土中掺入适量的粉煤灰，可以改善混凝土的一系列表现，如取代部分水泥，这便降低了混凝土的生产成本，保护了生态环境。而且在室温下,混凝土中的氢氧化钙晶体不稳定，其与粉煤灰可发生二次水化反应，填补了混凝土的毛细空间[2]，使得混凝土在强度上得到大幅提高。

而掺入不同的混凝土对性能的影响也是不同的，例如会影响到新拌混凝土的凝结时间、和易性、可泵性等，可提高硬化混凝土的后期强度、各项耐久性等。所以，在现代混凝土中，粉煤灰已经与水泥、骨料、水等组分一样，成为影响混凝土性能的一种重要组成成分，是一种安全性能良好的外加剂。

2 粉煤灰对混凝土的力学性能影响试验

为了顺利开展实验研究，共制作30 个立方体试件(15×15×15cm)，其中27 个试件用于抗压试验，按持荷时间分为28、90、180天三组（每组3 个）。试件制作完成后，将制作好的试模随轨枕钢模放入同一个养护池内，养护时间为28 天。养护完成后，将试件移至压力试验机下进行抗压强度测试，抗压强度测试实验室温度保持在20℃，相对湿度为60%，达到持荷时间后卸载，实验数据取均值，进行抗压强度分析。

水泥水化后的产物Ca（OH）2在与粉煤灰发生反应时，反应生成了与C-S-H 凝胶具有相似组成和力学性能的可显著降低毛细孔体积和孔径的产物，该反应生成的产物起到提高混凝土强度作用。同时，将粉煤灰加入到混凝土中还可以降低水化热，可有效降低后期温度裂缝产生率。研究发现，粉煤灰对混凝土的贡献主要表现为三大效应，即火山灰效应、微集料效应及形态效应[3]。粉煤灰的颗粒平均粒径约比水泥颗粒小一个数量级，粉煤灰加入到水泥中时，其颗粒间相互融合，使混凝土间颗粒结合更加密切，使得混凝土更加密实。

当混凝土保持原材料以及外部环境不变时，粉煤灰混凝土的强度取决于粉煤灰的“火山灰效应”[4]，粉煤灰中的SiO2在与水泥混合时，其与水泥的水化产物Ca（OH）2进行二次水化反应，产生的水化硅酸盐C-S-H 凝胶呈纤维状，该化合物具有很大的刚性和比表面积，使得混凝土各结构间紧密结合在一起。粉煤灰混凝土凝胶粒子间还具有范德华力和化学键力，使得混凝土内部更加密实，增强了混凝土强度

研究证明，当水泥中的水化产物Ca（OH）2薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面时，便发生火山灰效应，但由于两者间存在着水解层，粉煤灰混凝土活性受到影响，钙离子需通过水解层与粉煤灰活性成分反应，此过程对混凝土强度活性有一定影响，但混凝土用粉煤灰的技术标准 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）中没有强度活性的指标要求，此时，便可以不计粉煤灰加入到混凝土中产生的轻微的活性影响。钙离子活性成分反应主要作用是改善混凝土工作性能，例如减少用水量、提高混凝土密实性和流动性、减少泌水与离析等[5]。

通过实验数据得到表2，在混凝土中掺入粉煤灰后不仅会提高混凝土的中后期基础强度，也会使混凝土在强度发展的龄期上发生变化。但是，大掺量粉煤灰替代水泥后，混凝土的早期强度发展较为缓慢，随时间推移，后期强度则提高较多，一般情况下其抗压强度在28～180d 期间增长幅度较大[6]。与普通混凝土相比，掺有粉煤灰的混凝土在前7d 左右时强度较低且发展速度缓慢，到28d时粉煤灰混凝土将在强度上大于普通混凝土，并且在强度增长速度上也快于普通混凝土。而到了60d 之后，粉煤灰混凝土无论是在强度上还是强度发展速度上都会远远大于普通的混凝土，这是因为在加入了粉煤灰后，粉煤灰与水泥中的胶凝材料发生化学反应，使得原有结构改变，加强了混凝土强度。

表2 长龄期混凝土抗压强度试验结果

由此可见，在混凝土中掺加一定量的粉煤灰不仅会影响混凝土强度的变化，也会影响混凝土的龄期强度，对此进行实验对粉煤灰混凝土的强度增长龄期的发展规律进行探究。在本次研究实验中，当混凝土中粉煤灰掺量超过45%之后，混凝土强度将急剧降低，对于实验强度增长的探究没有意义，所以实验采用的粉煤灰掺量在0～45%之间。同时为了清楚掌握粉煤灰混凝土强度随龄期的变化特点，在实验中对掺有不同粉煤灰含量的混凝土分别制作了7d、28d、60d、90d 和180d 的不同试件，并且分别对试件进行了抗压强度实验，实验结果如图1 所示。

图1 粉煤灰混凝土强度随龄期变化图

如图1 所示，随着养护日期的增加，掺有粉煤灰的混凝土强度也按一定规律增长。根据图像变化可将强度增长分为三个阶段：

（1）第1 阶段为剧烈增长期。此时期主要存在于粉煤灰混凝土强度养护的0～28d，在这段时间内可以看见曲线明显上升，代表这个阶段的混凝土抗压强度随龄期的增加急剧增长；

（2）第2 阶段为快速增长期。此时期主要表现在粉煤灰混凝土强度养护的28～90d，在这个阶段虽然曲线仍在上升，但相较于第1 阶段更为平缓一些，此时混凝土的抗压强度仍在增长，且与普通混凝土相比其抗压强度的增长速度依旧很快；

（3）第3 阶段为缓慢增长期。当粉煤灰混凝土强度养护达到第90d 以后，可以明显观察到图中曲线变得非常平缓，说明这个时期之后掺有粉煤灰的混凝土强度虽然仍在增长，但是其增长速度已十分微弱缓慢了。

由实验可以得到结论：粉煤灰混凝土强度随着养护龄期的增长，在早期时抗压强度增长速度快，但随着养护龄期的增加，后期增长速度逐渐减缓，最后趋于稳定。

粉煤灰在混凝土中二次水化反应使得胶凝材料之间、混凝土骨料与胶凝材料之间的结合更加紧密，从而降低了混凝土孔隙率，提高了骨料与胶凝材料的粘聚力，使混凝土力学性能得到显著提高。采用内掺的方式可以得出，如仅掺入粉煤灰，超过一定量的比例后，粉煤灰对混凝土力学性能影响效果较低；如选用多种掺和料，当粉煤灰品质一致时，随着增大粉煤灰掺量，粉煤灰混凝土力学性能则会先提高再降低，粉煤灰掺量相同时，品质越好，作用越大。加入了粉煤灰的混凝土能大幅度减少水化热，可抑制碱骨料间发生的化学反应，何时将粉煤灰掺入混凝土需要进一步把控。

3 结语

本文通过粉煤灰对混凝土力学性能影响试验，得到了如下结论：

（1）与普通混凝土相比，随着粉煤灰掺量从20%增加到30%,混凝土抗压强度逐渐增加；当粉煤灰掺量从30%增加到40%,其抗压强度逐渐下降；

（2）当混凝土水胶比为0.45，掺入粉煤灰量为30%时，混凝土在90d 及180d 抗压强度取得最大值，90d 的抗压强度为46.8MPa，180d为56.8MPa。可见，粉煤灰在此范围内应用最佳。

粉煤灰的研究对改善环境、提高生产效率，具有重大意义。在粉煤灰的应用前景方面，粉煤灰主要来源于煤电的生产，但由于大面积雾霾爆发等对环境的破坏，以煤电为主的发展道路已渐渐转向了绿色发展的道路，所以粉煤灰的产量将会被限制在一定范围内。因此粉煤灰在应用方向上将更加明确，一是在建筑行业中，粉煤灰将大量取代传统建材制品，如水泥；二是在农业方面，粉煤灰可通过改善土壤的理化性质，对黏质、酸性土壤进行改良，助力农业生产。