低品质粉煤灰混凝土力学性能发展规律研究*

王卓琳，李向民，许清风，贡春成

(1.上海市工程结构安全重点实验室，上海200032;2.上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海200032)

粉煤灰综合利用一直受到高度重视。“十二五”规划提出，到2015年粉煤灰综合利用率提高到70%。粉煤灰在混凝土中的应用是粉煤灰资源化利用的主要途径。《粉煤灰综合利用管理办法》(国家发改委等10部门令第19号)，鼓励利用粉煤灰作为商品混凝土掺合料。国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2005)［1］将粉煤灰划分为 I、II、III三个等级，并用细度、需水量比、烧失量等品质指标评价灰质，若有一项不合格，粉煤灰等级就降一级。一般认为III级及等外灰属于低品质粉煤灰。国家标准《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GB/T 50146-2014)［2］规定:预应力混凝土宜掺用I级F类粉煤灰，掺用II级F类粉煤灰时应经过试验验证;其他混凝土宜掺用I级、II级粉煤灰，掺用III级粉煤灰时应经过试验论证。我国电厂排灰符合I级标准的粉煤灰仅占总排灰量的约5%［3］，而规范对量大且品质参差不齐的低品质粉煤灰应用限制较多。因此，如何将低品质粉煤灰合理应用于混凝土显得十分重要。

我国粉煤灰常用掺量为20%左右，并习惯定义30%以上为高掺量［4］。国外在高掺量粉煤灰混凝土领域的研究和应用较多，且商品化程度高。加拿大矿物能源技术中心研发了用于结构的掺量为50%～60%的粉煤灰混凝土［5］;美国研制了掺量为37%的粉煤灰高强混凝土［6］;英国研发了掺量为60%的粉煤灰混凝土，并成功应用于建筑结构、立交桥等［5］。Swamy等［7］研究认为，高掺量粉煤灰混凝土可用于结构混凝土和大体积混凝土。Sivasundaram等［8］研究发现，大部分粉煤灰都能用于混凝土，但粉煤灰品质对混凝土性能的影响较大。在低品质粉煤灰混凝土研究方面，林旭健等［9］选取了化学成分SiO2和Al2O3总含量相近的I级和III级灰配制不同强度等级混凝土，结果表明III级灰混凝土与I级灰混凝土抗压强度相差不大。张超等［10］配制了低水胶比下不同掺量的II级灰和III级灰混凝土，结果表明II级灰与III级灰混凝土早龄期强度基本相等，但后期III级灰混凝土强度增长变缓、低于II级灰混凝土。一般认为，粉煤灰混凝土强度在28d到180d期间增长幅度较大，粉煤灰掺量越大、后期强度增长越明显［11］。

上述研究表明，不同品质粉煤灰混凝土强度增长呈现相同趋势，90d龄期以内的普通混凝土、II级灰混凝土、低品质灰混凝土三者强度差别不大。大于90d龄期的粉煤灰混凝土强度发展规律研究较少，且现有研究多针对低品质粉煤灰混凝土抗压强度，对抗拉强度、弹性模量、泊松比等其它力学性能的研究较少。本文针对现有研究不足，重点研究低品质粉煤灰混凝土力学性能的发展规律，为低品质粉煤灰在混凝土中的有效利用提供依据。

1 试验设计

试验材料包括:32.5普通硅酸盐水泥(水泥标号根据其实测强度判定);天然中砂，级配良好，细度模数2.7，表观密度2600 kg/m3;碎石，连续颗粒级配(粒径5mm～25mm)，表观密度2640 kg/m3;上海高热实业有限公司新宝粉煤灰综合利用厂II级灰和III级灰;S95矿渣粉;聚羧酸高效减水剂;普通自来水。粉煤灰和矿渣粉的各项技术指标见表1和表2。

表1 粉煤灰主要技术指标

表2 矿渣粉主要技术指标

采用绝对体积法设计了9种配合比，详见表3。其中，P1为普通混凝土，P2-P7均采用粉煤灰或矿渣粉等量取代水泥法配制;P8采用粉煤灰超量取代法配制，粉煤灰超量系数为1.7(与P7相比);P9考虑粉煤灰混凝土中复掺矿渣粉对其碳化性能的改善，将P8粉煤灰超量部分用S95矿渣粉替代。P9与P7相比，相当于采用矿渣粉替代部分细骨料。

表3 混凝土配合比设计

按照设计配合比制作试件:轴心抗压强度、弹性模量及泊松比试件尺寸为100mm×100mm×300mm，劈裂抗拉强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm。在室温下浇自来水养护28d后自然养护，按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)［13］分别测定7d、28d、90d、180d的各项力学性能参数。

2 试验结果与分析

不同龄期混凝土各项力学性能参数试验结果见表4。图1显示了不同龄期低品质粉煤灰混凝土及矿渣粉混凝土各项力学性能参数的发展情况，图中纵轴数值为不同龄期力学性能参数与28d龄期力学性能参数的比值。

表4 不同龄期混凝土各项力学性能参数

图1 低品质粉煤灰混凝土力学性能发展规律

由表4和图1可知:

(1)掺粉煤灰和矿渣粉对混凝土强度的影响随着龄期的增长而变化。单掺粉煤灰混凝土(P3、P4、P7、P8)早期强度发展较慢，7d的轴心抗压强度和劈裂抗拉强度分别为28d的36%和46%(以4组配合比不同龄期强度比值的平均值计，下同);后期强度增长较快，180d的轴心抗压强度和劈裂抗拉强度分别为28d的1.83倍和1.68倍。单掺或复掺矿渣粉混凝土(P2、P5、P6、P9)早期强度发展较快，7d的轴心抗压强度和劈裂抗拉强度分别为28d的69%和77%;后期强度增长较慢，180d的轴心抗压强度和劈裂抗拉强度分别为28d的1.30倍和1.26倍。

(2)单掺粉煤灰混凝土的28d强度低于普通混凝土，而单掺矿渣粉混凝土的28d强度高于普通混凝土。掺粉煤灰或矿渣粉混凝土的长期强度(90d、180d)普遍比普通混凝土有所降低。

(3)粉煤灰品质对混凝土强度有一定影响。同等掺量下，各龄期的III级灰混凝土的轴心抗压强度和劈裂抗拉强度分别低于II级灰混凝土约10%和3%(图2a)。低品质粉煤灰掺量越高，混凝土强度降低幅度越大;以180d为例，20%掺量(P4)时轴心抗压强度和劈裂抗拉强度分别降低7.8%和3.7%，35%掺量(P7)时分别降低21.4%和18.5%(图2b)。

图2 典型配合比不同龄期混凝土强度比较

(4)低品质粉煤灰混凝土采用超量取代法配合比设计后，其抗压强度提高有限，本文中 P8比 P7的180d强度仅提高4%。P9将P8粉煤灰超量部分用S95矿渣粉替代，其180d强度比P7提高10.4%(图2c)。这是由于P9与P7相比，相当于用矿渣粉替代了部分细骨料，增加了混凝土中胶凝材料总量。P7、P8、P9的劈裂抗拉强度较为接近。已有研究表明［14］，低品质粉煤灰混凝土中可适量复掺矿渣粉以改善其抗碳化能力。本文根据研究结果，提出了复掺低品质粉煤灰和矿渣粉的混凝土配制方法。

(5)随着龄期的增加，粉煤灰混凝土轴心抗压强度与劈裂抗拉强度的比值逐步增大，180d龄期时轴心抗压强度值为其劈裂抗拉强度值的10倍左右。复掺粉煤灰与矿渣粉的混凝土劈裂抗拉强度发展与轴心抗压强度发展较为同步。

(6)不同龄期混凝土弹性模量的发展规律与强度发展规律类似。混凝土弹性模量随龄期有增长的趋势，但其增长速度明显缓于轴心抗压强度随龄期的增长速度。不同龄期混凝土的泊松比变化规律不明显，总体上随着龄期略有增加。

3 结论

(1)单掺粉煤灰混凝土早期强度发展较慢，后期强度增长较快;掺矿渣粉混凝土早期强度发展较快，后期强度增长较慢;不同龄期混凝土弹性模量发展规律与强度发展规律类似，但其发展速度总体上缓于强度发展速度;泊松比变化规律不明显。

(2)粉煤灰品质和掺量对混凝土强度有影响。同等掺量下，III级灰混凝土与II级灰混凝土相比，劈裂抗拉强度低约3%，轴心抗压强度低约10%。低品质粉煤灰掺量越高，混凝土强度降低越多;与普通混凝土相比，20%掺量时降低约 6%，35%掺量时降低约20%。

(3)单掺低品质粉煤灰混凝土180d强度为28d强度的1.5倍以上;复掺矿渣粉后，其180d强度为28d强度的1.3倍以下。单掺低品质粉煤灰混凝土仅凭28d强度对其进行设计偏于保守;而复掺低品质粉煤灰与矿渣粉后，混凝土各项力学性能参数发展速度接近，其28d强度与180d强度相差不大(图1)。

(4)进行低品质粉煤灰混凝土复掺矿渣粉的配合比设计时，建议采用粉煤灰超量取代法并将粉煤灰超量部分用矿渣粉替代。该方法可显著改善混凝土碳化性能［15］、提高早期与长期强度，且其28d强度值可用于混凝土设计。

［1］ GB/T 1596-2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰［S］.

［2］ GB/T 50146-2014粉煤灰混凝土应用技术规范［S］.

［3］ 覃维祖.粉煤灰在混凝土中的应用［J］.粉煤灰综合利用，2000，(3):1-7.

［4］ 孙氰萍.大掺量粉煤灰混凝土的特性［J］.混凝土，1997，(2):16-23.

［5］ 艾红梅.大掺量粉煤灰混凝土配合比设计与性能研究［D］.大连:大连理工大学博士学位论文，2005.

［6］ 常兴科.高掺量粉煤灰混凝土在桥梁工程中的应用研究［D］.上海:同济大学硕士学位论文，2008.

［7］ R.N.Swamy，H.H.Hung.Engineering properties of high volume fly ash concrete［C］//In:Fly Ash，Silica Fume，Slag ＆ Natural Pozzolans in Concrete，Proceedings of the Sixth CANMET/ACI International Conference，Bangkok，Thailand，1998:331-360.

［8］ V.Sivasundaram，G.G.Carette，V.M.Malhotra.Select properties of high volume fly ash concrete［J］.Concrete International，Oct.，1990:47-50.

［9］ 林旭健，张生营，季韬.粉煤灰混凝土抗氯离子渗透及抗钢筋锈蚀性能［J］.建筑材料学报，2006，9(2):216-220.

［10］ 张超，曾力，戈雪良.大掺量低品质粉煤灰在中高强砼中的作用机理分析［J］.粉煤灰综合利用，2005，(2):34-35.

［11］ 林旭健，林锋挺.大掺量低品质粉煤灰配制中高强度混凝土［J］.混凝土，2004，(3):29-31.

［12］ GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉［S］.

［13］ GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准［S］.

［14］ 孙伟，严捍东.磨细矿渣微粉提高粉煤灰砂浆抗碳化能力的机理研究［J］.工业建筑，2003，33(5):53-56.

［15］ 王卓琳，施钟毅等.高掺量低品质粉煤灰混凝土碳化性能的试验研究［J］.粉煤灰综合利用，2015，3:12-15.