低品质粉煤灰在结构混凝土中应用的研究进展

王卓琳 施钟毅 李向民1， 许清风1，

(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)

1 引言

粉煤灰在混凝土中应用可以减少环境污染、增加固体废弃物利用，其研究从20世纪30年代即已开始。由于粉煤灰具有特殊的活性效应、形态效应和微集料效应，在混凝土中应用可以减少水泥用量、降低水化热、降低泌水率、减少干缩、增加后期强度、提高抗渗性与抗腐蚀性等。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。低品质粉煤灰通常是指除了I级和Ⅱ级以外的粉煤灰。国家标准《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GB/T 50146—2014)［2］除对预应力混凝土有专门限定外，规定其他混凝土宜掺用I级、Ⅱ级粉煤灰，掺用Ⅲ级粉煤灰时应经过试验论证。目前我国电厂排灰能达到I级、Ⅱ级指标的数量十分有限，符合I级标准的粉煤灰仅占排灰量的约5%，现有分级标准导致电厂排放的大部分粉煤灰不能用于结构混凝土，甚至水工混凝土［3］。粉煤灰在混凝土中的应用是其利用的主要途径，如能充分利用低品质粉煤灰拌制结构混凝土并适当增加其掺量，可对我国固体废弃物的资源化利用起到重要作用。

2 国内外粉煤灰品质划分对比

粉煤灰的品质与煤的品种、燃烧情况、炉型、除灰方式、环保措施等诸多因素有关，各国粉煤灰应用技术标准多结合当地粉煤灰的生产条件和产灰质量进行制订。表1列出了不同国家标准中粉煤灰品质划分的各项具体指标。由表1可知，各国对粉煤灰品质评价的内容基本相同，影响粉煤灰品质的关键指标有烧失量、细度、需水量比、强度活性指数、SiO2含量等。我国标准从细度、烧失量和需水量比三个指标进行灰质判断，若有一项指标不合格，就做灰质降级处理。

表1 不同国家规范中粉煤灰主要品质指标的比较Table 1 Comparison of the quality classification index of fly ash in different national standards

虽然根据表1所示的单因子特征划分粉煤灰品质等级更易于操作，但不能根据粉煤灰的具体情况进行综合评价，往往由于个别指标的微小差异，导致粉煤灰被划分为低品质灰，限制了其应用范围。为此，很多国家和地区已经开始采用组合因子品质特征对粉煤灰进行综合评价。美国材料试验协会采用细度乘以烧失量作为复合因子，并规定该复合因子值不能大于225，且建立了需水量比(%)与该复合因子的回归方程［9］;英国采用细度乘以烧失量复合因子判断粉煤灰的减水能力，并据此将粉煤灰的减水性能划分为若干等级［9］;我国台湾地区采用粉煤灰复合因子平方根及品质当量 Q 进行灰质评价［9－10］，见式(1)、式(2)。

品质当量

3 低品质粉煤灰制备结构混凝土的研究

3．1 粉煤灰的品质综合评价

混凝土中掺入粉煤灰主要有三种应用方式［3］:①在早期强度要求很低，长期强度在25～35 MPa的大体积水工混凝土中，大掺量替代水泥;②在结构混凝土里较少量地替代水泥(10%～25%);③在强度要求很低的回填或道路基层里大量掺用。从表1可以看出，以活性材料作为混凝土掺合料的美国F类、C类粉煤灰，英国Ⅱ类粉煤灰以及日本的各等级灰，其品质都相当于国产Ⅱ级灰及以上;国产的Ⅲ级灰在国外已经属于等外灰。由于国外粉煤灰品质普遍高于国内，因此对低品质粉煤灰的研究并不充分。国内已有学者对低品质粉煤灰的应用进行了研究，发现其在混凝土中可以部分替代细骨料，发挥微集料效应，改善混凝土性能，缓解天然砂缺少危机［11－12］;还可用于制备干拌砂浆粉［13］、生产粉煤灰蒸压砖［14］等。本文主要关注低品质粉煤灰制备结构混凝土的材料力学性能、耐久性能及构件的受力性能，同时采用复合因子对已有试验研究中所采用的低品质粉煤灰进行综合评价，分析粉煤灰品质对其制备结构混凝土性能的影响。

表2列出了低品质粉煤灰试验研究中所采用粉煤灰的各项指标，并根据式(1)、式(2)计算了粉煤灰的品质当量。可以看出，各文献采用的Ⅱ级灰及Ⅲ级灰的品质当量数值比较接近，活性成分总含量也非常接近;Ⅱ级灰与Ⅲ级灰的差别主要体现在细度上，烧失量和需水量比的差别较小。已有研究对比了Ⅱ级灰与Ⅲ级灰制备的结构混凝土的各项性能，都得到了二者差别不大的结论。

表2 现有试验研究中低品质粉煤灰的品质综合评价Table 2 Comprehensive evaluation of low quality fly ash used in the existing experimental research

3．2 力学性能

林旭健等［15－16］选取了Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级灰分别制备了不同掺量(20% ～50%)、不同强度(C30～C50)的混凝土，其 7 d、28 d、60 d、90 d 抗压强度结果表明，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级粉煤灰配制的混凝土各龄期强度相差不大。钟福金［17］制备了Ⅱ级、Ⅲ级、等外灰三种粉煤灰混凝土，水胶比0．33～0．49，粉煤灰掺量为19．8% ～23．6%。其中，Ⅲ级灰仅细度和需水量比达不到Ⅱ级灰标准，等外灰仅细度和需水量比达不到Ⅲ级灰标准。其3 d、7 d、28 d、60 d抗压强度结果表明，Ⅲ级灰混凝土强度比Ⅱ级灰混凝土平均下降2．5% ～7．5%;等外灰混凝土强度比Ⅲ级灰混凝土强度平均下降5%～10%。本文作者制备了20%掺量的Ⅱ级、Ⅲ级灰混凝土［22］，Ⅲ级灰混凝土各龄期(7 d、28 d、90 d、180 d)的轴心抗压强度和劈裂抗拉强度分别较Ⅱ级灰混凝土低约10%和3%。一般认为，粉煤灰混凝土强度在28d后到6个月期间增长幅度较大，粉煤灰掺量越大，后期强度增长越明显［16］。从上述研究中可以发现，低品质粉煤灰混凝土强度增长呈现同样趋势;90 d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;龄期更长的强度发展规律有待进一步研究。

3．3 耐久性能

林旭健等［15］对I级、Ⅲ级灰配制的中、高掺量粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能及抗钢筋锈蚀性能进行了研究。试验表明，Ⅲ级粉煤灰混凝土抗氯离子渗透性能总体上与I级粉煤灰混凝土无明显差别;掺粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能总体上明显高于同强度等级的普通混凝土。混凝土中钢筋快速锈蚀试验结果表明，Ⅲ级灰混凝土的钢筋失重率与I级灰混凝土相差不到1%。冷发光等［18］用Ⅱ级、Ⅲ级灰配制了C25～C60五种强度等级、25%和45%掺量的混凝土，对其抗冻融、抗碳化、抗氯离子渗透、收缩和早期开裂等性能进行了研究，结果表明，Ⅱ级灰与Ⅲ级灰混凝土耐久性能比较接近。宋少民等［19］配制了超细石灰石粉与低品质粉煤灰复掺的混凝土，研究其抗氯离子渗透性、抗冻性及抗硫酸盐侵蚀性。粉煤灰掺量分别为8%、12%、20%、40%，复掺总比例为40%。结果表明，随着粉煤灰替代量的减少，混凝土氯离子渗透系数略有增大，对混凝土抗冻性没有明显影响;掺入适量石粉后，混凝土抗硫酸盐性能受影响不明显，但石粉掺量过大时会降低混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。本文作者通过试验对比了不掺粉煤灰和掺20%的Ⅱ级、Ⅲ级粉煤灰对混凝土碳化深度的影响［23］，发现掺粉煤灰的混凝土碳化深度略大于普通混凝土，Ⅱ级灰与Ⅲ级灰混凝土的碳化深度差别不大。上述各项研究表明，低水胶比情况下(0．31～0．40)，适当掺量的低品质粉煤灰混凝土在耐久性方面表现良好。已有研究多采用试验室加速老化试验，且大部分耐久性试验开始时间为28 d养护龄期，并不能完全真实反映低品质粉煤灰混凝土应用于结构中后的耐久性能。

3．4 构件受力性能

刘发水［20］针对公路水泥混凝土路面结构层的要求，设计了弯拉强度不小于4．5 MPa的Ⅲ级粉煤灰混凝土，所采用的Ⅲ级灰仅细度指标不能达到Ⅱ级灰的标准。对100 mm×100 mm×400 mm的小梁试件进行了三分点加载的弯曲疲劳试验。结果表明，低品质粉煤灰混凝土的弯曲疲劳寿命具有很大的离散性，且与普通混凝土相比疲劳寿命有所降低，疲劳寿命数值符合双参数Weibull分布。林旭健等［21］进行了4根Ⅲ级粉煤灰混凝土简支梁和2根普通混凝土简支梁(150 mm×300 mm×3 000 mm)的受弯试验，结果表明，低品质粉煤灰混凝土和普通混凝土梁初裂荷载相近、裂缝开展及宽度相近、破坏形态相似，其抗弯性能没有明显区别;弯剪段箍筋应变发展相似，抗剪性能无明显区别。粉煤灰混凝土梁仍然符合平截面假定，与钢筋共同工作性能良好。

4 低品质粉煤灰在结构混凝土中应用的问题

已有研究表明，经过合理的品质指标选择以及配合比设计后，低品质粉煤灰完全可以用于结构混凝土的生产。在低水胶比情况下，通过掺加高效减水剂，低品质粉煤灰也能明显发挥其活性效应和微集料效应，配制出较高强度的混凝土。已经有实际工程采用Ⅲ级粉煤灰配置C60混凝土并用于结构转换层浇筑［24］。为了进一步促进低品质粉煤灰在结构混凝土中的应用，还应解决以下问题:

4．1 完善粉煤灰品质评价方法

现行标准用单因子水平评价灰质，细度、需水量比、烧失量若有一项指标不合格，粉煤灰品质就降级处理。许多粉煤灰仅因细度指标略超过25%上限，就被评为Ⅲ级灰。此外，粉煤灰的细度和烧失量直接影响需水量比，相对于细度(≤45%)和烧失量(≤15%)要求较为宽松而言，Ⅲ级灰对需水量比(≤115%)的要求显得较为严格［25］。因此，现行灰质评价标准对我国粉煤灰总体品质状况的适用性有待提高，按现行标准，我国绝大多数粉煤灰被评判为低品质灰，不能用于结构混凝土，使得粉煤灰有效利用率大大下降。建议将现有单因子评价改为复合因子和复合掺量综合评价，评价方法应能准确反映粉煤灰在混凝土中的作用。同时可针对低品质粉煤灰活性低、需水量大的缺点，进行活化技术或激发技术的研发。

4．2 改变混凝土传统设计强度方法

现有各类研究对混凝土耐久性的评价，都是以28 d龄期快速老化试验结果为基准的。低水胶比情况下，低品质粉煤灰混凝土耐久性表现较好。但在高水胶比条件下，粉煤灰混凝土的水化延缓，现有研究结果都反映粉煤灰使混凝土耐久性下降，特别是抗碳化和耐磨耗［3］。此外，粉煤灰混凝土早期强度通常较低，后期强度增长明显，甚至会超过不掺粉煤灰的混凝土。现行标准和研究仍以28 d强度及耐久性试验结果，对粉煤灰混凝土在结构中的应用进行限制依据不足。应考虑低品质粉煤灰混凝土强度随龄期的发展规律，合理确定其设计强度，并以拌和试验结果确定粉煤灰在混凝土中的应用范围和合理掺量，以和易性、力学性能、耐久性等是否达到设计规定和施工要求为准。

4．3 完善结构设计规范中的相关规定

现行国家标准对粉煤灰在结构混凝土中的应用掺量和品质都有较为严格的限制。Ⅲ级粉煤灰主要用于无筋混凝土，对设计强度等级C30及以上的无筋粉煤灰混凝土，宜采用I级、Ⅱ级粉煤灰［2］。结构钢筋混凝土中粉煤灰掺量一般不超过胶凝材料的20% ～25%，保护层厚度不足5 cm时还应减小掺量。现有的配合比设计将粉煤灰视作火山灰质材料，作为胶凝材料的一部分替代水泥掺入混凝土。因此进行配合比设计时总是将不掺粉煤灰的混凝土作为基准，再逐渐增大粉煤灰掺量的比例，这样通常导致早期强度降低，而后期强度超过普通混凝土［3］。目前在低品质粉煤灰配制结构混凝土方面还缺少指导意见和设计方法。需要积极开展低品质粉煤灰混凝土构件及结构层次的试验研究，掌握低品质粉煤灰混凝土与普通钢筋以及高强钢筋的协同工作性能，掌握低品质粉煤灰钢筋混凝土构件的耐久性能和长期性能，制定相应的设计方法以指导工程实践。

5 结语

已有研究结果表明，低品质粉煤灰经过合理的品质指标选择和配合比设计后可用于结构混凝土，其各项力学性能及耐久性能等与Ⅱ级粉煤灰混凝土相差不大。建议在进一步研究基础上，通过粉煤灰品质的复合因子评价方法、考虑龄期影响的强度设计方法等，综合考虑粉煤灰的品质差异以及结构使用的环境要求、粉煤灰混凝土的设计强度、构件早期养护等影响因素，以促进低品质粉煤灰在结构混凝土中的推广应用。

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