粉煤灰摻量和細(xì)度對混凝土強(qiáng)度的影響

楊德才

(云南省建筑材料科學(xué)研究設(shè)計院，云南昆明650221）

隨著能源的過度開發(fā)和環(huán)境污染的加劇，如何科學(xué)合理地利用資源成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)，尤其是廢棄資源的循環(huán)再利用問題更是引人關(guān)注。我國是能源消耗大國，大量的煤炭被用于發(fā)電、加熱鍋爐，燃燒煤炭則會產(chǎn)生大量的氣體污染物及固體污染物。怎樣科學(xué)、合理、有效地利用好粉煤灰的剩余價值，是一個重要、迫切、很有價值的課題。出于這種考慮，粉煤灰被用于造磚、鋪墊路基、路面整平、土壤改造等各方面，在土建、水利等工程建設(shè)中發(fā)揮作用。但是，如何更深入更有效地利用粉煤灰，仍需要進(jìn)一步研究。

上世紀(jì)70年代，煤炭是最重要的能源，世界的電力大多靠燃燒煤炭發(fā)電，煤炭的大量消耗產(chǎn)生的固體廢棄物粉煤灰受到人們越來越多的關(guān)注。國外圍繞如何利用好粉煤灰，也作了很多探究和嘗試，希望能增加它的使用量和使用范疇，大量的研究工作集中在把粉煤灰科學(xué)合理地使用在水泥、混凝土的配制方面。這一時期，大量高性能的用粉煤灰作為摻和物的混凝土得到了推廣應(yīng)用。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 粉煤灰

煤炭是工業(yè)的糧食，我國每年都要消耗掉大量煤炭用于電廠發(fā)電和城市鍋爐供熱。煤粉灰是燃煤的一種廢棄物，每年我國都會排放出數(shù)量巨大的粉煤灰。煤炭燃燒中，將里面能燃燒的東西全部燃燒殆盡，剩下的都是不可燃燒的物質(zhì)，由于溫度非常高，這些物質(zhì)會發(fā)生熔融，形成細(xì)小的顆粒，這些溫度很高的顆粒物，在溫度降低后會冷卻，收集后得到的東西就是煤粉灰，具有很高的內(nèi)在活性。

1.2 水泥

水泥是一種粉狀的無機(jī)化合物，外觀很像火山灰，具有很強(qiáng)的膠凝性。水泥在空氣中都可以發(fā)生膠凝，在水里更可以經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后逐漸硬化，是一種用途比較廣、非常普遍的建筑材料。將它與細(xì)碎的砂、石等摻混在一起后，加入淡水，材料之間產(chǎn)生物理和化學(xué)反應(yīng)，凝固后便可以產(chǎn)出具備較好強(qiáng)度的建材——混凝土。

1.3 骨料

在混凝土的配制中，如果不加入骨料，水泥遇水后就會呈現(xiàn)出漿糊狀，無法成型，制成的混凝土強(qiáng)度太低，無法使用。骨料在各種參與的原材料中的用量最大，是混凝土的“筋骨”，是混凝土在建筑物中發(fā)揮支撐力度的關(guān)鍵構(gòu)成。骨料的質(zhì)量是否過關(guān)，是否符合要求，將會直接影響到混凝土的性能，間接影響到建筑物的堅(jiān)固性、耐用性等。

1.4 混凝土

混凝土是一個統(tǒng)稱，一般是用水泥等易膠凝的材料將砂石等骨料及其他摻和物、外加劑等黏結(jié)，產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)而形成的混合物，廣泛應(yīng)用于各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中?；炷量梢杂盟⑺?、粗細(xì)骨料、外加劑等5種最基本的原材料制作。水泥、水為混凝土的流動性發(fā)揮效果，骨料則可以抵抗水泥漿干縮。

1.5 外加劑

外加劑有強(qiáng)化性，提升強(qiáng)化某方面的效果，用于混凝土的生產(chǎn)實(shí)踐中，主要是為了提高性能。外加劑的使用量很小，占水泥量的5%以內(nèi)，但效果明顯，必不可少。比如，減水劑減少了很大的用水量，可提升強(qiáng)度，產(chǎn)出的混凝土更耐用。

2 粉煤灰摻量對混凝土強(qiáng)度的影響

2.1 實(shí)驗(yàn)思路

本組實(shí)驗(yàn)設(shè)計是用控制變量作為指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計的。不管摻量的大小是多少，所有試塊都用同一個水膠比來進(jìn)行配比。對于骨料，不管是砂還是石，都用相同規(guī)格的原料。添加劑也是一樣，同品種、同比例。其他條件都要保持一致，包括由同一個人來操作，在同樣的外界環(huán)境情況下進(jìn)行制作。本實(shí)驗(yàn)中，粉煤灰分成40%、30%、20%、10%和0%等5種不同摻量大小的情況。

2.2 實(shí)驗(yàn)原材料

（1）粉煤灰

本實(shí)驗(yàn)使用的粉煤灰是唐山粉煤灰，其詳細(xì)物質(zhì)構(gòu)成與化學(xué)結(jié)構(gòu)見表1。

表1 粉煤灰成分

（2）水泥

本實(shí)驗(yàn)使用的水泥是華標(biāo)水泥公司的一般性普通類常規(guī)水泥，其詳細(xì)物質(zhì)構(gòu)成與化學(xué)結(jié)構(gòu)見表2。

表2 水泥成分

（3）細(xì)骨料

本實(shí)驗(yàn)使用的砂是價格便宜的機(jī)制砂，主要參數(shù)見表3。

表3 細(xì)骨料性能

（4）粗骨料

本實(shí)驗(yàn)使用的粗骨料是價格便宜的卵石，主要參數(shù)見表4。

表4 粗骨料性能

（5）外加劑

本實(shí)驗(yàn)使用的減水劑是價格便宜的減水率達(dá)到26.7%的萘系減水劑。

（6）水

本實(shí)驗(yàn)使用的水是普通自來水。

2.3 各原料配比與試塊制作

本實(shí)驗(yàn)拌制混凝土各原料的配比見表5。水膠比：0.30，5種摻量百分比：40%、30%、20%、10%、0%。配制的混凝土編號分別為F4、F3、F2、F1、F0。

表5 各原料配比（kg/m3）

將本實(shí)驗(yàn)采用的砂、石、水泥、粉煤灰按比例摻和在一起攪拌均勻，再加入定量的水與外加劑攪拌均勻，制作出200mm×200mm×200mm的混凝土試塊。將混凝土試塊按規(guī)范的保養(yǎng)方法養(yǎng)護(hù)到一定期限后，再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

2.4 結(jié)果分析

分別對用5種不同粉煤灰摻量大小的混凝土試件按規(guī)范步驟進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 抗壓強(qiáng)度（MPa）

從表中可以看出：

（1）第7天時，沒有加入粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度最大，是53.6MPa。加入粉煤灰的量越多，抗壓強(qiáng)度越小，這是因?yàn)榉勖夯宜^慢。

（2）第28天時，在抗壓強(qiáng)度方面，粉煤灰混凝土強(qiáng)度增加，最高的一組達(dá)到72.5MPa，超過了摻量為0%的那一組。

（3）在抗壓強(qiáng)度方面，粉煤灰混凝土早期小、后期大，是因其吸水性差，早期混凝土干燥慢，到了后期，粉煤灰的細(xì)小顆粒填充效果及化學(xué)反應(yīng)使混凝土更密實(shí)，提高了強(qiáng)度。

3 粉煤灰細(xì)度對混凝土強(qiáng)度的影響

3.1 實(shí)驗(yàn)思路

本組實(shí)驗(yàn)設(shè)計是用控制變量作為指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計的。對于粉煤灰，不管細(xì)度的大小是多少，制作試塊都用同一個水膠比來進(jìn)行配比。對于骨料，不管是砂還是石，都用相同規(guī)格的原料。添加劑也是一樣，同品種、同比例。其他條件都要保持一致，包括由同一個人來操作，在同樣的外界環(huán)境情況下進(jìn)行制作。目的是控制唯一自變量：粉煤灰細(xì)度大小。參與配制的其他各種原料的配比、材質(zhì)和質(zhì)量均相同，只有粉煤灰的細(xì)度不同，來探究粉煤灰細(xì)度與混凝土強(qiáng)度之間的對應(yīng)關(guān)系。

3.2 實(shí)驗(yàn)原材料

（1）水泥

本實(shí)驗(yàn)使用的水泥是華標(biāo)水泥公司的一般性普通類常規(guī)水泥，其詳細(xì)物質(zhì)構(gòu)成與化學(xué)結(jié)構(gòu)見表7。

表7 水泥成分

（2）粉煤灰

本實(shí)驗(yàn)使用的粉煤灰是唐山粉煤灰，其詳細(xì)物質(zhì)構(gòu)成與化學(xué)結(jié)構(gòu)見表8。將粉煤灰等重量分成3份，分別粉磨0s、600s和1200s，獲得等重量不同細(xì)度的粉煤灰，其細(xì)度分別為13.20μm、11.00μm和9.30μm，將這3份不同細(xì)度的粉煤灰分別命名為F1、F2和F3。

表8 粉煤灰成分

（3）細(xì)骨料

本實(shí)驗(yàn)使用的砂是價格便宜的機(jī)制砂，主要參數(shù)見表9。

表9 細(xì)骨料性能

（4）粗骨料

本實(shí)驗(yàn)使用的石子是價格便宜的卵石，主要參數(shù)見表10。

表10 粗骨料性能

（5）外加劑

本實(shí)驗(yàn)使用的減水劑是價格便宜的減水率達(dá)到26.7%的萘系減水劑。

（6）水

本實(shí)驗(yàn)使用的水是普通自來水。

3.3 各原料配比與試塊制作

摻量大?。?0%，水膠比：30%。本實(shí)驗(yàn)拌制混凝土各原料配比見表11。

表11 各原料配比（kg/m3）

將本實(shí)驗(yàn)采用的粗骨料、細(xì)骨料、水泥、粉煤灰按比例摻和在一起攪拌均勻，再加入定量的水與外加劑攪拌均勻，制作出150mm×150mm×150mm的混凝土試塊。將混凝土試塊按規(guī)范的保養(yǎng)方法養(yǎng)護(hù)到一定期限后，再進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

3.4 結(jié)果分析

分別對3種不同細(xì)度大小的粉煤灰拌制的混凝土試件按規(guī)范步驟進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試對比，在整個養(yǎng)護(hù)時間段內(nèi)，不管在前期還是后期，細(xì)度大小為9.30μm的那組抗壓強(qiáng)度一直比細(xì)度為11.00μm的大，細(xì)度為11.00μm的那組抗壓強(qiáng)度一直比細(xì)度為13.20μm的大。這說明細(xì)度越小的粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的提升效果越好,這是因?yàn)榈戎亓康姆勖夯翌w粒越小，粉煤灰的顆粒數(shù)量越多，配制的混凝土密實(shí)性越強(qiáng)，抗壓性能也越好。

4 結(jié)論

在混凝土的配制過程中，摻加粉煤灰可以節(jié)省水泥，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。本文在研究混凝土、粉煤灰、水泥等物質(zhì)基本性質(zhì)的基礎(chǔ)上，用控制變量法的思想，設(shè)計了幾組實(shí)驗(yàn)，對比分析了不同粉煤灰摻量和細(xì)度對配制的混凝土性能的影響。

（1）在粉煤灰摻量對混凝土性能的影響實(shí)驗(yàn)中，在其他條件都相同的情況下，取5種摻量百分比：40%、30%、20%、10%、0%，并對它們配制的混凝土的抗壓強(qiáng)度作對比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粉煤灰混凝土的前期強(qiáng)度增長慢，后期強(qiáng)度提升大；適量粉煤灰的摻入會提高混凝土強(qiáng)度，摻量取20%為宜。

（2）在粉煤灰細(xì)度對混凝土性能的影響實(shí)驗(yàn)中，在其他條件都相同的情況下，用細(xì)度分別為13.20μm、11.00μm和9.30μm的粉煤灰配制混凝土，并對它們的抗壓強(qiáng)度作對比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粉煤灰的細(xì)度值越小，制成的混凝土的抗壓強(qiáng)度越大。