高掺量低品质粉煤灰混凝土碳化性能的试验研究*

王卓琳，施钟毅，姚利君，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)

粉煤灰在混凝土中的应用，已经成为粉煤灰高附加值利用的主要途径。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。国家标准《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GBJ 146－90)［2］规定I、II 级灰可用于钢筋混凝土，III 级灰主要用于无筋混凝土，且对设计强度等级C30 及以上的无筋粉煤灰混凝土宜采用I、II 级粉煤灰。2015年1月1 日起施行的新版国家标准《粉煤灰混凝土应用技术规范》GB/T 50146－2014［3］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。我国标准用单因子水平评价灰质，烧失量、SO3含量、细度和需水量比等品质指标若有一项不合格，粉煤灰就做降级处理。目前我国电厂排灰能达到I、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5%，现有分级结果导致电厂排放的大部分粉煤灰不能用于结构混凝土，甚至不能用于低早期强度的水工混凝土［4］。国外标准多采用综合评定指标，有利于低品质粉煤灰的利用，如美国粉煤灰标准ASTM C618［5］规定，如果粉煤灰的烧失量或细度超出标准规定的范围，可以采用组合因子(烧失量×细度≤225)等进行评价［6］。

粉煤灰常用掺入量一般都在取代水泥的20%左右，根据我国经验和习惯把粉煤灰含量在30%以上的定义为高掺量。目前国内外对粉煤灰混凝土及复掺粉煤灰矿渣粉混凝土的研究主要集中在I 级及II 级粉煤灰，低品质灰研究较少。孔亚宁等［7］对粉煤灰的碱性、硫酸盐和氯盐改性的机理作了分析，认为低品质粉煤灰可用作掺合料或细骨料等在普通混凝土中使用;张超等［8］主要分析了粉煤灰在混凝土中的“活性效应”和“微集料效应”，建议实际应用中可考虑以粉煤灰代砂的方式加以利用。林旭健等［9－10］和张生营［11］开展了低品质粉煤灰配制混凝土以及受力构件的初步研究，认为同等掺量情况下，Ⅲ级粉煤灰混凝土抗氯离子侵入能力并不低于Ⅰ级粉煤灰混凝土。

为提高低品质粉煤灰的利用率，并缓解由于粉煤灰掺量过高导致的贫钙现象，确保混凝土耐久性，本文以高掺量低品质粉煤灰混凝土为主要研究对象，考虑粉煤灰品质、掺量、是否复掺矿渣粉等因素，进行混凝土轴心抗压强度试验和快速碳化试验，并提出改善高掺量低品质粉煤灰混凝土抗碳化性能的建议。

1 试验概况

1.1 试验材料

主要材料有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2600kg/m3，堆积密度1465kg/m3;碎石，连续颗粒级配(粒径5mm～25mm)，表观密度2640kg/m3，松散堆积密度1450kg/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;聚羧酸高性能减水剂;普通自来水。其中，粉煤灰和矿渣粉的各项技术指标见表1 和表2，化学成分见表3。

表1 粉煤灰主要技术指标

表2 S95 矿渣粉主要技术指标

表3 粉煤灰及矿渣粉主要化学成分 /%

1.2 配合比设计与试件制作

考虑粉煤灰品质、掺量、复掺矿渣粉等因素，采用绝对体积法设计了9 种配合比，详见表4。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;P8 采用粉煤灰超量取代水泥法，粉煤灰超量系数为1.7(与P7 相比);P9 考虑增加固体废弃物利用率并改善粉煤灰混凝土性能，将P8 粉煤灰超量部分用S95 矿渣粉替代，与P7 相比，相当于粉煤灰与水泥实际用量不变的情况下，采用矿粉替代了部分细骨料，增加了胶凝材料的总量。

表4 混凝土配合比设计

按照设计配合比制作试件，试件尺寸为100mm ×100mm×300mm。每组制作12 条试件，3 条用于快速碳化试验，9 条用于测量不同龄期(28d、90d、180d)混凝土轴心抗压强度。根据文献［3］规定，粉煤灰混凝土的设计龄期应根据建筑物类型和实际承载时间确定，并宜采用较长的设计龄期;地上、地面工程宜为28d 或60d，地下工程宜为60d 或90d，大坝混凝土宜为90d或180d。同时为了考虑粉煤灰混凝土早龄期强度以及密实度对混凝土碳化的影响［12－13］，试件成型拆模后，养护90d(浇水养护28d 后自然养护至90d)再进行快速碳化试验。

1.3 试验方法

参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082－2009)［14］，采用快速碳化方法。碳化箱为CCB－70B 型，二氧化碳浓度(20 ±3)%、温度(20 ±2)℃、湿度(70 ±5)%。养护90d 后，分别测定碳化3d、7d、14d、28d 的碳化深度。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

不同龄期混凝土轴心抗压强度见表5。可以看出，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。单掺粉煤灰混凝土后期强度增长较多，P3、P4、P7、P8 的180d 强度为28d 强度的1.83 倍(取4 个配合比的平均值)。掺矿渣粉混凝土后期强度增长较少，P2、P5、P6、P9 的180d 强度为28d 强度的1.30 倍(取4 个配合比的平均值)。

单掺粉煤灰混凝土的28d 强度普遍低于普通混凝土，而掺矿渣粉混凝土的28d 强度普遍高于普通混凝土。180d 龄期时，掺低品质粉煤灰和矿渣粉混凝土的抗压强度比普通混凝土均有所降低，且低品质粉煤灰掺量越多，降低幅度越大;20% 掺量时降低7.8%，35%掺量时降低21.4%。从不同龄期混凝土强度的发展规律可以看出，仅凭28d 的混凝土强度对粉煤灰混凝土和矿渣粉混凝土进行设计存在明显不足。

粉煤灰品质对混凝土抗压强度有一定影响，掺等量III 级灰的混凝土180d 强度低于II 级灰混凝土约15%。低品质粉煤灰混凝土采用超量取代法配合比设计后的抗压强度提高有限，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 矿渣粉替代后，其180d 强度比P7 可提高10.4%。设计高掺量低品质粉煤灰混凝土配合比时，采用超量取代法并将粉煤灰的超量部分用矿渣粉替代，对提高混凝土抗压强度有利。

表5 不同龄期混凝土的轴心抗压强度 /MPa

2.2 碳化深度

各组试件不同碳化龄期的碳化深度见表6。

表6 不同碳化龄期混凝土的碳化深度 /mm

2.3 碳化深度分析

(1)粉煤灰品质对混凝土碳化深度的影响

P1、P3、P4 组试件主要对比不掺粉煤灰和掺20%II 级、III 级粉煤灰对混凝土碳化深度的影响。从图1(a)可以看出，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。可见掺20%的粉煤灰不会显著降低混凝土的抗碳化性能，与文献［15、16］的结论吻合。因此，建议适当放宽混凝土中掺加粉煤灰品质的个别指标要求，并在对力学性能和抗碳化性能影响不大的情况下，增加低品质粉煤灰的利用率。

(2)不同掺量低品质粉煤灰对混凝土碳化深度的影响

图1 粉煤灰品质及掺量对混凝土碳化深度的影响

P1、P4、P7、P8 组试件主要对比III 级粉煤灰不同掺量(0、20%、35%、48%)时混凝土的碳化深度。从图1(b)可以看出，混凝土碳化深度随着粉煤灰掺量的增加而增加，II 级灰混凝土也存在类似规律［15－17］。III级粉煤灰48%掺量时，28d 的碳化深度约为普通混凝土的1.43 倍。这主要是由于粉煤灰大量取代水泥后，粉煤灰玻璃体中的活性SiO2、Al2O3反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，消耗大量的Ca(OH)2，使碱储备、液相碱度降低，导致混凝土中碳化中和作用的过程缩短，从而增加其碳化深度。

(3)掺矿渣粉对混凝土碳化深度的影响

P1、P2 组，P3、P5 组，P4、P6 组试件分别对比普通混凝土、II 级灰混凝土、III 级灰混凝土掺40%矿渣粉后抗碳化性能的改变(图2a、图2b、图2c)。可以看出，掺矿渣粉后混凝土抗碳化性能有所改善，普通混凝土、II 级灰混凝土、III 级灰混凝土28d 碳化深度分别降低23.6%、28.0%、9.9%。这主要是由于矿渣粉取代部分水泥后，能降低水泥浆体孔隙率、提高抗渗性、提高浆体的碱储备，从而提高抗碳化性能。在本文试验条件下，III 级灰混凝土中掺入矿渣粉后，其抗碳化性能接近于普通混凝土。因此，当混凝土中掺入低品质粉煤灰时，可适量复掺矿渣粉以改善其抗碳化性能［18］。

图2 掺矿渣粉对混凝土碳化深度的影响

(4)配合比设计方法对低品质粉煤灰混凝土碳化深度的影响

P7 组试件采用等量取代法;P8 组试件采用超量取代法，且超量系数为1.7;P9 组试件将P8 组试件中超量部分粉煤灰用矿渣粉替代，同时相当于P7 配合比采用矿渣粉替代了部分细骨料。不同配合比混凝土碳化深度对比见图3。

图3 配合比设计方法对混凝土碳化深度的影响

由图3 可知，P8 组试件的碳化深度比P7 组普遍要高，3d、7d、14d 碳化深度分别为P7 的2.1、1.3、1.2倍;随着碳化龄期的增加，二者的差别逐渐减小，28d时碳化深度接近。P9 组试件碳化深度显著降低，28d碳化深度仅为P7、P8 的60%左右。在本文试验条件下，超量法制备的III 级灰混凝土中将超量部分用矿渣粉替代后，其抗碳化性能仍可相当于普通混凝土。且由表5 可知，P7、P8、P9 三种配合比情况下，P9 混凝土的180d 抗压强度最高。

3 结 论

(1)普通混凝土中掺入低品质粉煤灰后，180d 抗压强度有所降低，且掺量越高降低越多。

(2)20%掺量下III 级灰与II 级灰混凝土碳化深度差别较小，可适当放宽粉煤灰品质的个别指标，增加低品质粉煤灰的利用率。

(3)低品质粉煤灰掺量越高，越不利于混凝土抗碳化性能。20%掺量时，混凝土抗碳化性能降低不明显;48%掺量时，混凝土碳化深度显著增加。在低品质粉煤灰混凝土中复掺矿渣粉，可以改善其抗碳化性能。

(4)提出了高掺量低品质粉煤灰混凝土复掺矿渣粉以改善碳化性能和强度的配合比设计方法，有助于提高粉煤灰、矿渣等固体废弃物的资源化利用率。

［1］GB/T 1596－2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》［S］.［2］GBJ 146－90《粉煤灰混凝土应用技术规范》［S］.

［3］GB/T 50146－2014《粉煤灰混凝土应用技术规范》［S］.

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