粉煤灰品质对碾压混凝土性能的影响

王述银，郭文康，覃理利

粉煤灰品质对碾压混凝土性能的影响

王述银a，b，郭文康a，b，覃理利a，b

（长江科学院，a.材料与结构研究所；b.水利部水工程安全与病害防治技术研究中心，武汉 430010）

为解决某工程大坝碾压混凝土Ⅰ级粉煤灰供应不足的问题，探讨了用Ⅱ级粉煤灰替代Ⅰ级粉煤灰的可能性。对数家Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰的物理化学品质进行了试验，同时通过混凝土性能试验论证其使用效果，确定合适掺量和其它配合比参数。试验比较了粉煤灰品质对碾压混凝土抗压强度、抗拉强度、极限拉伸值、抗冻融性能、绝热温升、抗渗等对其性能的影响，讨论了粉煤灰品质指标影响混凝土各项性能的机理。在此基础上提出了大坝混凝土合理使用粉煤灰的原则。

粉煤灰；碾压混凝土；极限拉伸值；强度

1 研究背景

粉煤灰作为一种人工火山灰掺和料，在水工混凝土中的使用已有数十年历史。早在20世纪30年代，美国建造胡佛坝时，为降低水泥混凝土的水化热，就掺加了粉煤灰［1］，由于掺加粉煤灰可以有效降低混凝土的绝热温升和变形开裂，粉煤灰在大坝建设中的应用越来越广泛［2］。

近年来粉煤灰品质不断提高，特别是Ⅰ级粉煤灰的大量生产，粉煤灰也由过去一般作为混凝土填充料变为如今作为功能性材料。粉煤灰的品质对掺粉煤灰混凝土的性能有很大的影响，优质Ⅰ级粉煤灰由于其含碳量低、颗粒细、球形颗粒含量高，使其形态效应、微骨料效应和火山灰效应得以充分发挥，能起到固体减水剂的作用，一般可使混凝土用水量减少5%～15%［3］，与高性能减水剂配合使用，可大幅度降低混凝土的单位用水量，提高混凝土的抗裂性和耐久性。但由于近年来Ⅰ级粉煤灰供应相对紧张、运输距离长、且大坝碾压混凝土对粉煤灰的需求量较大等原因，为保证某大坝的连续施工，研究中当Ⅰ级粉煤灰供应不足时，用Ⅱ级粉煤灰替代Ⅰ级粉煤灰的可行性。为确保粉煤灰供应的质量和数量，对数家Ⅰ粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰的物理化学品质进行试验，同时通过混凝土性能试验论证其效果，为确定合适掺量和其他配合比参数提供技术依据，提出大坝混凝土合理使用粉煤灰的原则。

2 试验材料

试验采用广西柳州鱼峰水泥股份有限公司生产的鱼峰牌42.5中热硅酸盐水泥，经品质检验满足国家相关标准指标要求。选用湖北阳逻、湖北汉川、四川宜宾、云南曲靖、河南首阳山、四川白马等6家电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，贵州凯里、贵阳、广西来宾、云南盘县、云南曲靖、贵州安顺、广西田东、云南宣威等8家电厂生产的Ⅱ级粉煤灰。人工石灰岩砂细度模数为2.56，石粉含量为17.3%。粗骨料为石灰岩加工而成。

3 粉煤灰品质

6家电厂生产的Ⅰ级粉煤灰和8家电厂生产的Ⅱ级粉煤灰按国家标准进行了检验，品质检验结果列于表1和表2。

检验结果表明，6家电厂的Ⅰ级粉煤灰，均达到Ⅰ级粉煤灰的技术要求，其主要指标需水量比为87%～93%，烧失量为3.82%～1.45%，品质指标变化范围较大。比较6种Ⅰ级粉煤灰的抗压强度比、需水量比、细度、烧失量大小的可知：汉川Ⅰ级粉煤灰的抗压强度比最高，首阳山Ⅰ级粉煤灰的需水量比最小，汉川Ⅰ级粉煤灰的细度最小，首阳山Ⅰ级粉煤灰的烧失量最低。

8家电厂的Ⅱ级粉煤灰经检测均达到标准中有关品质要求。比较8种Ⅱ级粉煤灰的抗压强度比、需水量比、细度、烧失量大小可知：田东粉煤灰的抗压强度比最高，安顺粉煤灰的需水量比最小，安顺粉煤灰的细度最小，宣威粉煤灰的烧失量最低。

4 掺不同品质粉煤灰的碾压混凝土性能

采用某工程设计指标为C9025W6F100坝体内部三级配碾压混凝土配合比，分别掺不同品质粉煤灰进行碾压混凝土性能对比试验，试验内容主要包括：抗压强度、极限拉伸值、抗渗性、抗冻性、绝热温升等。

4.1 碾压混凝土配合比

掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土性能试验配合比见表3。掺Ⅱ级粉煤灰的碾压混凝土配合比，参考掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土配合比中的胶凝材料用量、粉煤灰掺量、砂率、骨料级配等参数，根据Ⅱ级粉煤灰活性指数的不同，为保证28d龄期配制强度达到设计指标，适当减少粉煤灰掺量，重新计算混凝土配合比，进行试拌，试验参数列于表4。

表1 Ⅰ级粉煤灰品质检验结果Table 1 Quality test results for grade-Ⅰfly ash

表2 Ⅱ级粉煤灰品质检验结果Table 2 Quality test results for grade-Ⅱfly ash

表3 碾压混凝土试验配合比Table 3 Proportioning of RCC m ixtures

表4 8种Ⅱ级粉煤灰的大坝碾压混凝土试验配合比Table 4 Proportioning of RCC m ixtures w ith grade-Ⅱfly ashes

由于不同电厂粉煤灰的需水量比有较大的差异，试验过程中对单位用水量及引气剂掺量进行了适当的调整，以使新拌碾压混凝土VC值达到3～7 s，含气量达到3%～4%的设计要求。

4.2 掺不同品质粉煤灰碾压混凝土的性能

对6种掺Ⅰ级粉煤灰和8种掺Ⅱ级粉煤灰的碾压混凝土的VC值、含气量等新拌混凝土拌和物性能及抗压强度、轴拉强度、极限拉伸值等力学性能试验结果分别列于表5、表6。

4.2.1 抗压强度

从表5中试验结果可看出，6组掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土28 d，90 d龄期抗压强度均达到设计要求。掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土28 d龄期平均抗压强度已分别达到或接近其90 d龄期设计强度等级，90 d龄期碾压混凝土平均抗压强度均达到设计要求，且有较大的富裕。

从表6试验结果可知，掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土配合比的28 d龄期抗压强度除凯里稍低外，其余均达到设计要求；90 d龄期抗压强度均满足设计要求。掺Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土的抗压强度增长率平均值见图1。从图1可知，掺Ⅱ级粉煤灰的碾压混凝土90 d龄期抗压强度增长率为146%。掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土的强度增长率与掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土相差不大，其中掺Ⅱ级粉煤灰90d龄期抗压强度增长率稍大于Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土。掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土的各龄期抗压强度均低于掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土。

图1 掺不同品质粉煤灰碾压混凝土强度增长率试验结果Fig.1 The compressive strength grow th rates of RCC w ith fly ashes of different qualities

4.2.2 轴拉强度

对表5、表6中掺Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土，分别取2个龄期（28 d，90 d）的12组和18组数据，分析轴拉强度（Rp）与抗压强度（Rc）的关系，得到相互之间的回归关系式，见图2。分别取掺Ⅰ级粉煤灰的6组数据和掺Ⅱ级粉煤灰的8组数据的平均值，计算轴拉强度与抗压强度的比值，得到掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土28 d，90 d龄期的拉压比分别为0.10和0.09，掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土28 d，90 d龄期的拉压比分别为0.11和0.10。由此可知掺Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土各龄期拉压比相当。

表5 掺Ⅰ级粉煤灰的碾压混凝土力学性能试验结果Table 5 Test results ofmechanical properties of RCC w ith grade-Ⅰfly ash

表6 掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土力学性能试验结果Table 6 Test results ofmechanical properties of RCC w ith grade-Ⅱfly ash

图2 掺不同粉煤灰碾压混凝土轴拉强度与抗压强度之间的关系Fig.2 The relationship between axial tensile strength and com pressive strength of RCC w ith fly ashes of different qualities

经计算掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土28 d和90 d龄期轴拉强度分别为3.08和4.09，掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土28 d和90 d龄期的轴拉强度分别为2.78和3.50。可以看出，掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土各龄期的轴拉强度和90 d龄期轴拉强度增长率均低于掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土。

4.2.3 极限拉伸值

从表5、表6的试验结果可知，掺不同品质粉煤灰碾压混凝土的90 d龄期极限拉伸值均达到设计指标要求。对表5、表6中掺Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土，分别取2个龄期（28 d，90 d）的12组和18组数据，分析极限拉伸值（εp）与轴拉强度（Rp）的关系，得到相互之间的回归关系式，见图3，并计算掺Ⅰ级粉煤灰6组数据和掺Ⅱ级粉煤灰8组数据的平均值和增长率，掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土28 d和90 d龄期的极限拉伸值平均值分别为0.87×10－4和1.02×10－4，增长率分别为100%和118%；掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土28 d和90 d龄期的极限拉伸值平均值分别为0.86×10－4和0.96×10－4，增长率分别为100%和112%。

图3 掺量不同品质粉煤灰碾压混凝土极限拉伸值与轴拉强度之间的关系Fig.3 The relationship between u ltimate tensile strain and axial tensile strength of RCC w ith fly ashes of different qualities

掺不同粉煤灰碾压混凝土28 d龄期的极限拉伸值增长率基本相同，掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土90 d龄期的极限拉伸值和增长率均稍低于掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土。不同品质粉煤灰碾压混凝土的极限拉伸均值与轴拉强度均能较好的符合线性关系，但掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土的波动性稍大于掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土。

4.2.4 耐久性能

对掺6种Ⅰ级灰和8种Ⅱ级灰的碾压混凝土试样进行了90 d龄期的抗冻性能、抗渗性能试验，试验结果分别列于表7、表8。

表7 掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土抗冻、抗渗性能试验结果Table 7 Anti-freeze and anti-permeability performances of RCC w ith grade-Ⅰfly ashes

表8 掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土抗冻、抗渗性能试验结果Table 8 Anti-freeze and anti-permeability performances of RCC w ith grade-Ⅱfly ashes

从表7可知，6组掺Ⅰ级灰碾压混凝土经过100次冻融循环后，质量损失在0～1.2%之间，相对动弹模量在83.1%～89.3%之间；8组掺Ⅱ级灰碾压混凝土，经过100次冻融循环后，质量损失率为0.2%～5.0%，相对动弹模量为69.7%～87.3%；在保证含气量满足设计要求的情况下，掺Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土均达到抗冻等级的设计要求。经过相同冻融循环次数后，掺Ⅱ级粉煤灰较掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土的质量损失率增大。

14组掺Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土的抗渗等级均满足W6设计要求。其中掺Ⅰ级粉煤灰的碾压混凝土的渗水高度集中在1.5～4.0 cm，掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土的渗水高度集中在0.5～1.2 cm。

4.2.5 绝热温升

混凝土绝热温升值是指在绝热条件下，由水泥的水化热引起的温度升高值。为了验证不同品质粉煤灰掺量对混凝土绝热温升的影响，掺Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土的水泥用量均为86 kg／m3。试验结果如图4所示。

图4 掺不同品质粉煤灰碾压混凝土的绝热温升Fig.4 The adiabatic temperature rises of RCC with fly ashes of different qualities

比较绝热温升试验结果可知，不同品质的粉煤灰对碾压混凝土的早期绝热温升有一定的影响，一般活性高的粉煤灰，混凝土早期的绝热温升高。但从图4可知，掺Ⅱ级粉煤灰混凝土的早期绝热温升反而高于掺Ⅰ级粉煤灰混凝土，原因是掺用不同外加剂的影响。Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土掺加的是浙江龙游生产的ZB－1Rcc15高温型缓凝高效减水剂，初凝时间较长，影响了水泥的水化放热过程，导致早期绝热温升较低；掺Ⅱ级粉煤灰混凝土掺加了江苏博特生产的JM－Ⅱ常温型缓凝高效减水剂，初凝时间较短，早期水化放热速率较快，导致早期绝热温升较高。粉煤灰品质对碾压混凝土最终绝热温升影响较小，因此，最终绝热温升主要取决于胶凝材料的用量。

4.2.6 粉煤灰品质指标对碾压混凝土性能的影响

从表1、表2粉煤灰品质检验结果可知Ⅱ级粉煤灰的细度、需水量比、烧失量等参数均大于Ⅰ级粉煤灰。用水量是影响混凝土结构和性能的最敏感因素之一，粉煤灰的需水量比在客观上反应了粉煤灰对混凝土单位用水量的影响。粉煤灰的细度对混凝土性能有着重要的影响［4］，细度越细，火山灰反应越快，对混凝土强度的贡献越大，能改善孔结构，减少干缩变形。烧失量是指粉煤灰中未燃烧完全的碳，较大的烧失量将增加粉煤灰的需水量比，对引气剂有较强的吸附能力，影响混凝土抗冻性能。

图5分析了5种不同细度（F）和需水量比（Rw）的Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰对碾压混凝土抗压强度比（Rf）的影响，从图中可以看出，细度和需水量比与抗压强度比呈对数函数递减趋势关系；细度越细，混凝土的抗压强度比越高；同样，需水量比越小，混凝土的抗压强度比越高。受细度、需水量比、烧失量、SO3含量等粉煤灰品质参数值的综合影响，掺Ⅱ级粉煤灰的碾压混凝土的抗压强度、轴拉强度、极限拉伸值均低于掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土，且抗冻性能也相对较差。

图5 粉煤灰细度和需水量比对混凝土抗压强度比的影响Fig.5 The influence of fly ash’s fineness and water demand ratio on compressive strength ratio

5 碾压混凝土合理使用粉煤灰的原则

在碾压混凝土配合比设计时，为了确保工程质量，对掺粉煤灰碾压混凝土各性能参数值留有一定的富裕。由试验结果可知：掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土各龄期性能参数均有一定程度的富裕；掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土各龄期性能参数基本能达到设计要求，部分参数值稍有富裕。掺粉煤灰碾压混凝土的性能主要受粉煤灰的细度、需水量比、烧失量的影响，试验选择的Ⅱ级粉煤灰的细度、需水量比、烧失量均较小，对混凝土性能的影响也相对较小。

因此，为保证碾压混凝土力学性能、耐久性能良好，应优先使用Ⅰ级粉煤灰，当Ⅰ级粉煤灰供应不足时，可选择部分物理化学品质优良，且性能稳定的Ⅱ级粉煤灰。建议选择细度≤20%、需水量比≤100%、烧失量≤5%，且其他参数值达到国家标准要求的Ⅱ级粉煤灰。

6 结 论

掺Ⅰ级粉煤灰碾压混凝土28 d龄期平均抗压强度已分别达到或接近其90 d龄期设计强度等级；掺Ⅱ级粉煤灰碾压混凝土28 d抗压强度基本能达到设计要求；掺Ⅰ级、Ⅱ级90 d龄期的抗压强度、轴拉强度、极限拉伸值、抗冻性、抗渗性和绝热温升均能达到设计要求，且有较大的富裕。

粉煤灰品质中的参数值对碾压混凝土各项性能变化有着重要影响。细度和需水量比与抗压强度比呈对数函数递减趋势关系。细度越细，需水量比越低，烧失量越低则碾压混凝土的抗压强度、轴拉强度、极限拉伸值越高，碾压混凝土的抗冻性能也越好。

与掺Ⅰ级粉煤灰相比，受粉煤灰细度、需水量比、烧失量等品质参数值的影响，掺Ⅱ级粉煤灰的碾压混凝土的抗压强度、轴拉强度、极限拉伸值略低，抗冻性能稍差，抗渗性能相当。掺Ⅰ级粉煤灰和掺Ⅱ级粉煤灰对碾压混凝土的绝热温升没有明显影响。

大坝碾压混凝土应优先使用Ⅰ级粉煤灰，在Ⅰ级粉煤灰供应不足时可选择物理化学品质优良，细度≤20%、需水量比≤100%、烧失量≤5%，其他参数值达到国家标准要求且性能稳定的Ⅱ级粉煤灰。

［1］ 杨华全，李文伟.水工混凝土研究与应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2005：34－92.（YANG Huaquan，LI Wen-wei.Hydraulic Concrete Research and Application［M］.Beijing：China Water Power Press，2005：34－92.（in Chinese））

［2］ GAO Pei-wei，WU Sheng-xing，LIN Ping-hua，et al.Effect of Fly Ash on Deformation of Roller-Compacted Concrete［J］.ACI Materials Journal，2006，103（5）：336－339.

［3］ American Concrete Institute.ACI 3R－87.Use of Fly Ash in Concrete［R］.ACIManual of Concrete Practice，Part 1：Materials and General Properties of Concrete.Michigan：ACI，1994：29－31.

［4］ 张承志.商品混凝土［M］.北京：化学工业出版社，2006：37－58.（ZHANG Cheng-zhi.Commercial Readymixed Concrete［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2006：37－58.（in Chinese） ）

（编辑：赵卫兵）

The Influence of Fly Ash Quality on RCC Performance

WANG Shu-yin1，2，GUOWen-kang1，2，QIN Li-li1，2
（1.Material and Engineering Structure Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Research Center ofWater Engineering Safety and Disaster Prevention of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

In order to address the shortage of Grade-Ⅰfly ash for roller compacted concrete（RCC）dam，the possibility of replacing Grade-Ⅰfly ash with Grade-Ⅱfly ash was explored.The physical and chemical properties of Grade-Ⅰand Grade-Ⅱfly ashes provided by several power plantswere tested.Their performanceswere demonstrated and the proper dosage and othermix ratioswere determined.The influences of various fly ashes on the compressive strength，tensile strength，ultimate tensile values，anti-freeze-thaw performance，the adiabatic temperature rise，impermeability and other properties of RCC were analyzed and compared.Themechanism of fly ash affecting the concrete propertieswere discussed.The principle of the rational use of fly ash for dam concrete was put forward.

fly ash；roller compacted concrete；ultimate tensile value；strength

TU528.36

A

1001－5485（2012）12－0088－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.018 2012，29（12）：88－93

2011－11－22；

2012－01－05

水利部公益性行业科研专项经费项目（200901066）

王述银（1963－），男，湖南湘乡人，教授级高级工程师，主要从事水工建筑材料的研究，（电话）027－82926355（电子信箱）nick6176＠sina.com。

郭文康（1986－），男，湖南郴州人，硕士研究生，主要从事水工建筑材料的研究，（电话）18684734955（电子信箱）guowenkang86＠163.com。