大摻量粉煤灰混凝土的性能試驗分析

龐小勇

（貴州省交通科學研究院股份有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

近年來，隨著我國節(jié)能降耗環(huán)保力度的不斷加強，越來越多的建筑垃圾及工業(yè)廢物得以重復利用，取得了顯著的經(jīng)濟和社會效益。粉煤灰作為火力發(fā)電主要的工業(yè)廢料，不僅對空氣造成污染，同時占用大量土地，實現(xiàn)其回收利用意義非凡[1-2]。業(yè)界專業(yè)人士對大摻量粉煤灰混凝土進行研究，成功將其應用于工程建設中。現(xiàn)階段，針對大摻量粉煤灰混凝土性能評價主要依據(jù)普通混凝土的評價方式，但由于大摻量粉煤灰混凝土粉煤灰含量較多，火山灰反應緩慢，與普通混凝土相比，其早期強度較低，而隨著養(yǎng)護時間的不斷增加，其后期強度顯著提高，耐久性能也得到大幅度提升。因此，通過28 d 條件下的性能參數(shù)無法準確反映其實際性能。鑒于此，該文對養(yǎng)護時間超過28 d，粉煤灰摻量為50%、60%條件下混凝土性能展開綜合探究，以更加全面地了解其各方面性能。

1 實驗研究方法

1.1 實驗材料與配比

該試驗選用Ⅱ級粉煤灰，經(jīng)碎化及無害化處理，其粒徑、性能滿足混凝土拌制要求；水泥選用42.5 級普通硅酸鹽水泥。經(jīng)試驗檢測其礦物成分、理化性質(zhì)等相關指標符合規(guī)范及設計要求；粗骨料采用經(jīng)破碎化處理的青石，粒徑為5～20 mm，級配連續(xù)，壓碎指標為7.9%，其余各項指標均符合設計標準要求；細骨料采用優(yōu)質(zhì)河砂，其細度模數(shù)為2.8，含泥量為1.2%，含水率為0.6%；減水劑選用萘系高效減水劑（WAN-B），激發(fā)劑則采用硫酸鹽復合激發(fā)劑[3-4]。

按照膠凝材料質(zhì)量為600 kg/m3，其余組分質(zhì)量不變，粉煤灰摻量10%～60%拌制混凝土，其混凝土配合比見表1。

表1 粉煤灰混凝土配合比

1.2 試樣檢測

試件強度檢測根據(jù)最新標準《混凝土結(jié)構(gòu)力學性能試驗檢測標準》執(zhí)行。碳化深度及收縮量檢測按照《混凝土長期及耐久性能檢測評定標準》執(zhí)行。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 粉煤灰摻量對混凝土后期強度的影響

對大摻量粉煤灰混凝土試件采取標準養(yǎng)護措施，養(yǎng)護完成后，依次測定試件60 d、180 d、365 d 條件下的混凝土抗壓強度，檢測結(jié)果見圖1。并根據(jù)混凝土28 d 標準抗壓強度值，對各摻量粉煤灰混凝土后期抗壓強度增長率進行計算，計算結(jié)果見圖2。

圖1 粉煤灰混凝土的后期抗壓強度

圖2 粉煤灰混凝土的后期抗壓強度增長率

通過圖1 能夠看出：①養(yǎng)護28 d 后，粉煤灰摻量為10%時，其強度相比標準強度稍有增加；②粉煤灰摻量越大，混凝土試件強度越低。當齡期為60 d，粉煤灰摻量不超過30%時，其強度均高于相同條件下標準混凝土強度值，且當粉煤灰摻量為20%時，其抗壓強度最大；③當粉煤灰摻量高于40%且不超過60%時，混凝土抗壓強度值均小于同條件下標準混凝土強度，且粉煤灰摻量越大，混凝土強度越低；④當混凝土齡期達到180 d，粉煤灰摻量低于30%時，混凝土強度持續(xù)增加，且全部高于相同條件下標準混凝土強度。當摻量達到30%時，混凝土強度最大，相比28 d 條件下的混凝土強度增加54%。當其摻量持續(xù)增加時，混凝土強度與其增長率呈現(xiàn)下降趨勢，但仍高于標準水平；⑤混凝土齡期為365 d 時，粉煤灰混凝土強度顯著增大，其增長趨勢與180 d 條件下增長趨勢大體相同；⑥當粉煤灰摻量達40%，養(yǎng)護時間超過60 d 時，其抗壓強度與標準強度基本相同。

綜上所述，相較于標準混凝土，隨著養(yǎng)護時間的不斷增加，粉煤灰混凝土強度增長較快；當養(yǎng)護時間大于60 d，粉煤灰摻量低于40%時，粉煤灰混凝土強度均不低于標準混凝土強度；當粉煤灰摻量增至60%時，其強度呈現(xiàn)下降趨勢，但強度仍高于標準混凝土板強度。為有效提升粉煤灰混凝土早期強度，通常加入激發(fā)劑對混凝土實施活化處理[5-6]。為此，根據(jù)以上試驗結(jié)論，在上述試驗條件下加入激發(fā)劑進行試驗探究，綜合分析粉煤灰摻量為50%和60%條件下的混凝土強度變化，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 激發(fā)劑對粉煤灰混凝土28 d 后強度的影響（A5-1、A6-1 為摻入激發(fā)劑試樣）

通過圖3 能夠看出：①當粉煤灰摻量為50%、60%，激發(fā)劑摻量為0 條件下，經(jīng)養(yǎng)護28 d 后，雖然隨著時間的增加，粉煤灰混凝土強度呈上升趨勢，但與標準混凝土相比，其強度不足；②當激發(fā)劑摻量為1%時，粉煤灰混凝土28 d 后強度出現(xiàn)大幅度增長，逐漸接近標準強度值?？梢?，激發(fā)劑能有效提升大摻量粉煤灰混凝土28 d 后強度值。

綜合圖1、圖2、圖3 能夠看出：①混凝土中摻入粉煤灰后，其強度呈現(xiàn)增長趨勢，而加入激發(fā)劑后強度未發(fā)生變化，經(jīng)激發(fā)處理后，強度增長趨勢更加顯著；②當養(yǎng)護時間不斷增加，粉煤灰持續(xù)產(chǎn)生火山灰反應，且愈加顯著，生成大量水化膠凝材料，對混凝土內(nèi)部孔隙進行完全充填，顯著增強粉煤灰混凝土密實度，使其強度得以快速提升；③混凝土混合料中，膠凝材料與粗骨料黏結(jié)形成的區(qū)域，其強度遠遠低于水泥石具有的強度，是混凝土內(nèi)部最薄弱環(huán)節(jié)，極易出現(xiàn)裂縫和破壞[7-8]。當內(nèi)部加入粉煤灰后，其內(nèi)部存在的SiO2和Al2O3等化學成分與水泥水化反應產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生化學反應形成C-S-H 膠凝材料。該材料能不斷完善過渡區(qū)結(jié)構(gòu)，增強過渡區(qū)強度，從而使混凝土整體強度得以顯著提升。

2.2 長期養(yǎng)護對大摻量粉煤灰混凝土碳化性能的影響

相較于普通混凝土而言，粉煤灰混凝土產(chǎn)生的C-S-H凝膠需吸收大量的Ca(OH)2，造成混凝土內(nèi)部Ca(OH)2含量顯著減少，降低其抗碳化能力。因此，雖然當粉煤灰摻量為50%、60%條件下，粉煤灰混凝土強度顯著高于標準混凝土強度，符合施工標準要求，但其抗碳化能力是否能夠滿足要求，仍需進一步探究。因此，分別對粉煤灰摻量為50%、60%條件下不同養(yǎng)護時間的混凝土進行碳化深度檢測，其檢測結(jié)果見圖4 所示。

通過圖4 能夠看出：①混凝土內(nèi)粉煤灰摻量為50%、60%，且養(yǎng)護時間為28 d 時，其碳化深度依次為9.3 mm、13.7 mm；當養(yǎng)護時間增加至365 d 時，其碳化深度依次為6.7 mm、9.0 mm；②粉煤灰混凝土加入激發(fā)劑后，其活性顯著增加，隨著時間的不斷增加，內(nèi)部火山灰反應持續(xù)進行，且越來越快，混凝土內(nèi)部孔隙填充得更加完全，薄弱環(huán)節(jié)修復得更加徹底，使混凝土密實度顯著增加，內(nèi)部空隙顯著減少，導致CO2氣體難以進入，其抗碳化能力顯著提升；③以快速碳化28 d 等同于自然碳化50年深度推測，當粉煤灰摻量為50%、60%條件下，即便不添加激發(fā)劑，其自然碳化100年深度也達不到15 mm 和19 mm，更難以觸及鋼筋位置。因此，當粉煤灰摻量為50%、60%時，粉煤灰混凝土自然狀態(tài)下的抗碳化能力能夠滿足施工需求。

圖4 粉煤灰混凝土碳化時間與碳化深度關系

2.3 長期養(yǎng)護對大摻量粉煤灰混凝土收縮性能的影響

針對大摻量粉煤灰混凝土養(yǎng)護180 d 后開展收縮性能檢測，得出收縮值與養(yǎng)護時間之間的關系曲線（圖5）。通過圖5 能夠看出，當養(yǎng)護時間逐漸增加時，標準混凝土、粉煤灰混凝土60 d 內(nèi)的收縮量均十分顯著，超過60 d后呈現(xiàn)下降趨勢，總體變化情況相似，但摻加粉煤灰混凝土收縮量均低于標準混凝土收縮量[9]。

圖5 混凝土收縮值與養(yǎng)護時間關系

通常狀況下，混凝土收縮量與溫度收縮、干燥收縮、自收縮性能密切相關。其干燥收縮通常是因混凝土內(nèi)部水化物毛細孔、膠凝孔失水所致。而其自收縮則是由于混凝土凝結(jié)硬化造成的[10]。而粉煤灰作為惰性材料，可有效抑制混凝土自收縮性能，并顯著弱化水泥礦物產(chǎn)生的自收縮，減輕混凝土結(jié)構(gòu)的整體收縮。同時，粉煤灰混凝土后期強度顯著提升，使其抗收縮變形能力顯著增大，從而有效降低粉煤灰混凝土的收縮量。若在其內(nèi)部加入適量的膨脹劑，則對其收縮具有一定的補償作用，可更加有效地降低收縮量。

3 結(jié)論

綜上所述，大摻量粉煤灰混凝土隨著養(yǎng)護時間的不斷增加，其后期強度顯著增大。通過合理控制配合比，并加入適量的激發(fā)劑，能夠配制粉煤灰摻量為50%～60%，強度及各方性能均優(yōu)于標準混凝土的大摻量粉煤灰混凝土。隨著養(yǎng)護時間的不斷增加，粉煤灰混凝土抗碳化性能顯著增強，并對混凝土抗收縮性能具有一定的改善作用，符合工程應用標準，且能夠帶來良好的經(jīng)濟和社會效益，值得推廣和應用。