粉煤灰對混凝土性能影響試驗研究

彭玉發(fā)，祝云華，李訊，王青山，張曼妮

（內江師范學院，四川內江 641110）

0 引言

粉煤灰是煤炭燃燒后產生的固體廢渣，火力發(fā)電產生的粉煤灰固體廢渣數(shù)量龐大，將對生態(tài)環(huán)境產生破壞，因此其處理利用成為了全世界科研工作者力圖攻克的問題。上世紀20 年代國外一些學者開始深入研究粉煤灰的利用。1935年，美國著名學者Davis 便開始對燃煤發(fā)電后留下的粉煤灰對混凝土性能的影響開展研究，其研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰不僅在一定程度上可以改變混凝土的力學性能，而且還可以削減水泥用量。此后30 年的時間里，世界各國紛紛將粉煤灰用在混凝土中，粉煤灰混凝土開始得到廣泛應用。不過，因經濟、環(huán)境、人文等多種因素影響，在粉煤灰的合理利用方面，各國不一。在改革開放初期，我國學者開展了粉煤灰對混凝土力學性能影響研究，逐步將其應用在混凝土中。我國對粉煤灰研究的集大成者是科學家沈旦申，他撰寫發(fā)表了近代具有技術指導意義的著作《粉煤灰混凝土》。此外，錢覺時和金祖權等學者建立了大摻量粉煤灰混凝土抗碳化能力的壽命預測模型[1]。可見，對粉煤灰開展研究具有重要意義。

1 粉煤灰性質分析

粉煤灰，俗稱飛灰，是由煤炭燃燒后從鍋爐底部隨著煙氣排出，接著由收塵設備收集的固體顆粒。電廠以安全、經濟、效益發(fā)電為主，粉煤灰是電力生產的廢棄物，電廠一般不會調整煤種、煤的品質、設備運行狀況等來改變粉煤灰的質量。粉煤灰作為我國主要的工業(yè)副產品之一，如何對其進行有效利用是一個主要的問題。目前，作為混凝土的摻合料是利用粉煤灰的途徑之一，這樣不但可以改善混凝土的性能，還可以有效利用粉煤灰，節(jié)約能源、保護環(huán)境。粉煤灰的特性主要是指它的活性，可以將粉煤灰的活性分成物理活性和化學活性。

1.1 物理活性

粉煤灰的粒度很細，在1μm 至數(shù)百μm 之間，我國粉煤灰的平均粒度小于20μm，比表面積范圍1500～5000cm2/g，平均比重約2.1g/cm2。粉煤灰形狀呈球形的玻璃體，外表面光滑，結構致密，內表面積較小，具有較好的滲透性，毛細現(xiàn)象強烈。

物理活性主要包含了微集料效應和形態(tài)效應，與本身的化學性質無關，是提升混凝土制品膠凝活性和改善混凝土制品性能（如強度、抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性等）的各種物理效應的總稱。粉煤灰應用中產生的微集料效應起到“細化孔隙”、提高混凝土抗壓性能的作用；形態(tài)效應主要表現(xiàn)在粉煤灰的粒度、顆粒形貌、級配、內部結構等產生的效應方面。這一系列的物理特性，不僅可以提高混凝土的流動性，還對混凝土具有不同程度的減水作用等。

1.2 化學活性

粉煤灰是一種火山灰質材料，主要氧化物組成成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等，其含量變化見表1。

表1 粉煤灰主要氧化物組成成分含量

粉煤灰的活性主要來自活性成分SiO2和Al2O3在堿性條件下發(fā)生的水化作用，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，這些水化產物可以改變混凝土的孔隙率，增強混凝土各組分間的粘結作用。所以，組分中的SiO2、Al2O3和CaO 都是對混凝土活性有利的成分。對粉煤灰早期強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，并且鈣含量對膠凝體的形成有利。

粉煤灰越來越廣泛地作為混凝土摻合料進行應用，在混凝土中摻入適量的粉煤灰，可以改善混凝土的一系列表現(xiàn)，如取代部分水泥，這便降低了混凝土的生產成本，保護了生態(tài)環(huán)境。而且在室溫下,混凝土中的氫氧化鈣晶體不穩(wěn)定，其與粉煤灰可發(fā)生二次水化反應，填補了混凝土的毛細空間[2]，使得混凝土在強度上得到大幅提高。

而摻入不同的混凝土對性能的影響也是不同的，例如會影響到新拌混凝土的凝結時間、和易性、可泵性等，可提高硬化混凝土的后期強度、各項耐久性等。所以，在現(xiàn)代混凝土中，粉煤灰已經與水泥、骨料、水等組分一樣，成為影響混凝土性能的一種重要組成成分，是一種安全性能良好的外加劑。

2 粉煤灰對混凝土的力學性能影響試驗

為了順利開展實驗研究，共制作30 個立方體試件(15×15×15cm)，其中27 個試件用于抗壓試驗，按持荷時間分為28、90、180天三組（每組3 個）。試件制作完成后，將制作好的試模隨軌枕鋼模放入同一個養(yǎng)護池內，養(yǎng)護時間為28 天。養(yǎng)護完成后，將試件移至壓力試驗機下進行抗壓強度測試，抗壓強度測試實驗室溫度保持在20℃，相對濕度為60%，達到持荷時間后卸載，實驗數(shù)據(jù)取均值，進行抗壓強度分析。

水泥水化后的產物Ca（OH）2在與粉煤灰發(fā)生反應時，反應生成了與C-S-H 凝膠具有相似組成和力學性能的可顯著降低毛細孔體積和孔徑的產物，該反應生成的產物起到提高混凝土強度作用。同時，將粉煤灰加入到混凝土中還可以降低水化熱，可有效降低后期溫度裂縫產生率。研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰對混凝土的貢獻主要表現(xiàn)為三大效應，即火山灰效應、微集料效應及形態(tài)效應[3]。粉煤灰的顆粒平均粒徑約比水泥顆粒小一個數(shù)量級，粉煤灰加入到水泥中時，其顆粒間相互融合，使混凝土間顆粒結合更加密切，使得混凝土更加密實。

當混凝土保持原材料以及外部環(huán)境不變時，粉煤灰混凝土的強度取決于粉煤灰的“火山灰效應”[4]，粉煤灰中的SiO2在與水泥混合時，其與水泥的水化產物Ca（OH）2進行二次水化反應，產生的水化硅酸鹽C-S-H 凝膠呈纖維狀，該化合物具有很大的剛性和比表面積，使得混凝土各結構間緊密結合在一起。粉煤灰混凝土凝膠粒子間還具有范德華力和化學鍵力，使得混凝土內部更加密實，增強了混凝土強度

研究證明，當水泥中的水化產物Ca（OH）2薄膜覆蓋在粉煤灰顆粒表面時，便發(fā)生火山灰效應，但由于兩者間存在著水解層，粉煤灰混凝土活性受到影響，鈣離子需通過水解層與粉煤灰活性成分反應，此過程對混凝土強度活性有一定影響，但混凝土用粉煤灰的技術標準 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）中沒有強度活性的指標要求，此時，便可以不計粉煤灰加入到混凝土中產生的輕微的活性影響。鈣離子活性成分反應主要作用是改善混凝土工作性能，例如減少用水量、提高混凝土密實性和流動性、減少泌水與離析等[5]。

通過實驗數(shù)據(jù)得到表2，在混凝土中摻入粉煤灰后不僅會提高混凝土的中后期基礎強度，也會使混凝土在強度發(fā)展的齡期上發(fā)生變化。但是，大摻量粉煤灰替代水泥后，混凝土的早期強度發(fā)展較為緩慢，隨時間推移，后期強度則提高較多，一般情況下其抗壓強度在28～180d 期間增長幅度較大[6]。與普通混凝土相比，摻有粉煤灰的混凝土在前7d 左右時強度較低且發(fā)展速度緩慢，到28d時粉煤灰混凝土將在強度上大于普通混凝土，并且在強度增長速度上也快于普通混凝土。而到了60d 之后，粉煤灰混凝土無論是在強度上還是強度發(fā)展速度上都會遠遠大于普通的混凝土，這是因為在加入了粉煤灰后，粉煤灰與水泥中的膠凝材料發(fā)生化學反應，使得原有結構改變，加強了混凝土強度。

表2 長齡期混凝土抗壓強度試驗結果

由此可見，在混凝土中摻加一定量的粉煤灰不僅會影響混凝土強度的變化，也會影響混凝土的齡期強度，對此進行實驗對粉煤灰混凝土的強度增長齡期的發(fā)展規(guī)律進行探究。在本次研究實驗中，當混凝土中粉煤灰摻量超過45%之后，混凝土強度將急劇降低，對于實驗強度增長的探究沒有意義，所以實驗采用的粉煤灰摻量在0～45%之間。同時為了清楚掌握粉煤灰混凝土強度隨齡期的變化特點，在實驗中對摻有不同粉煤灰含量的混凝土分別制作了7d、28d、60d、90d 和180d 的不同試件，并且分別對試件進行了抗壓強度實驗，實驗結果如圖1 所示。

圖1 粉煤灰混凝土強度隨齡期變化圖

如圖1 所示，隨著養(yǎng)護日期的增加，摻有粉煤灰的混凝土強度也按一定規(guī)律增長。根據(jù)圖像變化可將強度增長分為三個階段：

（1）第1 階段為劇烈增長期。此時期主要存在于粉煤灰混凝土強度養(yǎng)護的0～28d，在這段時間內可以看見曲線明顯上升，代表這個階段的混凝土抗壓強度隨齡期的增加急劇增長；

（2）第2 階段為快速增長期。此時期主要表現(xiàn)在粉煤灰混凝土強度養(yǎng)護的28～90d，在這個階段雖然曲線仍在上升，但相較于第1 階段更為平緩一些，此時混凝土的抗壓強度仍在增長，且與普通混凝土相比其抗壓強度的增長速度依舊很快；

（3）第3 階段為緩慢增長期。當粉煤灰混凝土強度養(yǎng)護達到第90d 以后，可以明顯觀察到圖中曲線變得非常平緩，說明這個時期之后摻有粉煤灰的混凝土強度雖然仍在增長，但是其增長速度已十分微弱緩慢了。

由實驗可以得到結論：粉煤灰混凝土強度隨著養(yǎng)護齡期的增長，在早期時抗壓強度增長速度快，但隨著養(yǎng)護齡期的增加，后期增長速度逐漸減緩，最后趨于穩(wěn)定。

粉煤灰在混凝土中二次水化反應使得膠凝材料之間、混凝土骨料與膠凝材料之間的結合更加緊密，從而降低了混凝土孔隙率，提高了骨料與膠凝材料的粘聚力，使混凝土力學性能得到顯著提高。采用內摻的方式可以得出，如僅摻入粉煤灰，超過一定量的比例后，粉煤灰對混凝土力學性能影響效果較低；如選用多種摻和料，當粉煤灰品質一致時，隨著增大粉煤灰摻量，粉煤灰混凝土力學性能則會先提高再降低，粉煤灰摻量相同時，品質越好，作用越大。加入了粉煤灰的混凝土能大幅度減少水化熱，可抑制堿骨料間發(fā)生的化學反應，何時將粉煤灰摻入混凝土需要進一步把控。

3 結語

本文通過粉煤灰對混凝土力學性能影響試驗，得到了如下結論：

（1）與普通混凝土相比，隨著粉煤灰摻量從20%增加到30%,混凝土抗壓強度逐漸增加；當粉煤灰摻量從30%增加到40%,其抗壓強度逐漸下降；

（2）當混凝土水膠比為0.45，摻入粉煤灰量為30%時，混凝土在90d 及180d 抗壓強度取得最大值，90d 的抗壓強度為46.8MPa，180d為56.8MPa?？梢?，粉煤灰在此范圍內應用最佳。

粉煤灰的研究對改善環(huán)境、提高生產效率，具有重大意義。在粉煤灰的應用前景方面，粉煤灰主要來源于煤電的生產，但由于大面積霧霾爆發(fā)等對環(huán)境的破壞，以煤電為主的發(fā)展道路已漸漸轉向了綠色發(fā)展的道路，所以粉煤灰的產量將會被限制在一定范圍內。因此粉煤灰在應用方向上將更加明確，一是在建筑行業(yè)中，粉煤灰將大量取代傳統(tǒng)建材制品，如水泥；二是在農業(yè)方面，粉煤灰可通過改善土壤的理化性質，對黏質、酸性土壤進行改良，助力農業(yè)生產。