大掺量粉煤灰混凝土性能研究★

王松鹤 李鸿霖 孙浩浩 王 彬 石荣生

(中国矿业大学徐海学院,江苏 徐州 221008)

大掺量粉煤灰混凝土性能研究★

王松鹤 李鸿霖 孙浩浩 王 彬 石荣生

(中国矿业大学徐海学院,江苏 徐州 221008)

粉煤灰是工业副产品，实际生产中排放量巨大。在混凝土中掺加粉煤灰，不但可以变废为宝，还能降低混凝土的成本，其中大掺量粉煤灰混凝土的应用更是优势巨大。通过对现有研究情况的归纳总结，简述了大掺量粉煤灰混凝土在强度、耐久性等方面的研究现状。

大掺量粉煤灰，强度，耐久性

1 概述

粉煤灰又称飞灰，是现代工业的附属产品，属火山灰制材质，通常所指的粉煤灰为火力发电厂煤粉燃烧后经装置收集的物质。目前国内粉煤灰处于高排放量低利用率的阶段，大部分粉煤灰在灰库中滞留，如何有效利用粉煤灰是目前所面临的问题。粉煤灰多呈灰褐色，含有较多硅铝化合物，在工程中主要用在混凝土，路基回填，墙体、砖体材料等方面，而其中作为混凝土的掺合料是解决粉煤灰问题的主要途径之一。

随着建筑结构等的不断发展，对混凝土性能的要求也越来越高。但高性能常伴随高成本，寻找价格便宜、来源丰富的材料来配制高性能混凝土，就显得尤为重要。已有的研究表明，在普通混凝土中掺入粉煤灰等掺合料，会对混凝土的许多性能产生有利的影响，同时粉煤灰的利用还可以节省能源、减少污染。目前，相关规范中规定粉煤灰掺量一般不超过30%。为了更有效的利用粉煤灰，研究大掺量粉煤灰混凝土势在必行，这样不仅可以充分地利用粉煤灰，化害为利、保护耕地、节约能源，而且在改善混凝土的工作性能、强度、耐久性和综合造价上亦有较大优势。推进大掺量粉煤灰混凝土在工程中的应用符合建筑业的长远发展。

2 目前主要研究方向

2.1配制技术

粉煤灰混凝土配合比的设计，其主要目的是确定合理、经济、符合要求的材料组合，并通过试配等来满足混凝土各方面的性能。

粉煤灰混凝土配合比设计常采用超量取代法进行计算，即按照JGJ 55—2011普通混凝土配合比设计规程要求设计基准混凝土配合比，然后以此为基础根据等标号原则再采用粉煤灰超量取代水泥的方法进行配合比设计。但对于大掺量粉煤灰混凝土配合比的设计来说，由于粉煤灰掺量较大，其对混凝土性能的影响不同于普通混凝土，需要将粉煤灰作为混凝土的一个单独变量来考虑。国内外学者均提出了一些计算方法，如Dunstan提出的三维设计法、Dhir提出的图表设计法，艾红梅引入的粉煤灰胶凝系数β法等[1]，但这些大掺量粉煤灰混凝土配合比的设计方法均存在缺陷，其配制技术需要进一步研究。

2.2强度影响

大量研究表明，大掺量粉煤灰替代水泥后，混凝土的早期强度发展较为缓慢，后期强度则提高较多，一般情况下其抗压强度在28 d～6个月期间增长幅度较大。这是由于随着龄期的增长，大掺量粉煤灰混凝土水化程度逐渐提高，水化产物增多，强度、密实性不断提高，甚至高于基准混凝土。

在实际工程中，由于大掺量粉煤灰混凝土存在早期强度较低的特性，导致现场施工拆模时间延长，影响施工工期。改善大掺量粉煤灰混凝土的早期强度，对大掺量粉煤灰混凝土在工程中的应用推广意义重大。为解决此问题，诸多学者进行了大量的研究[2-6]。有研究发现，将纳米材料(纳米SiO2或纳米CaCO3)适量添加到混凝土中等量代替水泥后，混凝土的抗压强度和抗拉强度，尤其是早期强度有较大幅度的提高，纳米材料对混凝土早期力学性能的改善优于后期。但是限于目前纳米材料的昂贵价格，纳米混凝土还未能广泛应用。若能解决纳米材料成本问题或者选取其他廉价的掺合料来改善粉煤灰混凝土早期强度低的问题，可大大推动粉煤灰的开发利用。

2.3耐久性影响

随着经济和社会的发展，混凝土的耐久性问题已日益被人们重视。混凝土的耐久性问题主要有两方面原因，一方面由于混凝土本身受到影响，另一方面由于内部钢筋受到影响。近年来，大掺量粉煤灰混凝土技术在工程中的应用越来越多，对其耐久性能的研究也较多。主要包括抗渗性、抗碳化和抗冻性等方面。

2.3.1抗渗性研究

混凝土材料的抗渗性是其耐久性方面最重要的性能之一，当混凝土的抗渗性较差时，外部有害介质容易侵入混凝土内部，造成混凝土的性能退化。与普通混凝土相比，掺粉煤灰材料的混凝土的抗渗性能较优，这是因为粉煤灰的火山灰反应会生成一种水化硅酸钙，这种水化硅酸钙会进入混凝土的空隙中，使得混凝土的密实度得以提高[7]。

2.3.2抗碳化研究

混凝土的碳化指的是水泥中的水化产物和外界的二氧化碳发生作用，生成硅酸盐等物质的现象。混凝土碳化后碱度降低，内部环境由碱性向酸性发展，使得混凝土内部的钢筋丧失钝化保护。混凝土碳化的主要影响因素有三个：外界环境的二氧化碳浓度，内部化学因素和内部的物理因素。其中，内部的物理因素主要指二氧化碳由混凝土外部向内部的扩散，而扩散速率则主要受混凝土孔隙情况影响，因此，混凝土的密实度是影响混凝土碳化的一个非常重要的因素。粉煤灰是具有活性的掺合料，主要含有SiO2和Al2O3，这些成分与水泥水化产物反应后填充了混凝土内部成型时出现的一些孔隙和孔洞，降低了混凝土的孔隙率，切断了二氧化碳进入混凝土内部的通道，使得混凝土的抗碳化能力得到改善。研究发现，粉煤灰的掺量在一定掺量范围(30%左右)时，混凝土的后期抗碳化能力较好[8]。而大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能随粉煤灰掺量的增加(超过50%)有降低趋势，需要采取其他措施来提高抗碳化性能。

2.3.3抗冻性研究

抗冻性是混凝土耐久性能优劣的主要指标之一。冻融循环后，混凝土遭到破坏，严重影响其使用寿命。混凝土在冻融循环作用下，交替产生膨胀和收缩变形，使得混凝土结构逐渐发生损坏，进而严重影响结构的安全性，因此提高混凝土的抗冻性能尤为重要。目前对普通混凝土的抗冻性能研究较多，对大掺量粉煤灰混凝土抗冻性能的研究也已开展。研究表明，混凝土中掺入适量粉煤灰可以起到填充效应和火山灰效应，大大改善了混凝土的微观结构，使得混凝土的结构变得更为致密，抗冻性能得以提高。

2.4高温影响

混凝土结构在使用过程中可能会遭受火灾高温作用，因此除了要保证其常温下的性能，也应保证其火灾高温后的性能。近年来，许多学者对混凝土材料包括大掺量粉煤灰混凝土材料高温后的性能进行了相关研究。研究表明，随着受热温度的升高，大掺量粉煤灰高温后抗压、抗拉强度不断降低，但降低幅度低于普通混凝土，当粉煤灰掺量为40%左右时，高温后残余强度最高[9]。

2.5微观分析

采用X射线衍射技术和电镜微观测试技术来分析混凝土内部的微观形貌结构，是目前分析粉煤灰对混凝土影响机理的常用手段。混凝土在宏观上所表现出来的强度、耐久性、耐高温性等特征，从根本上取决于混凝土的微观结构。因此，从大掺量粉煤灰混凝土微观结构研究的进展出发，探讨混凝土结构演化机制和结构模型的特点，进而指出实际工程中混凝土出现问题的所在，并为最优性能的大掺量粉煤灰混凝土提供可靠方案，进行微观分析必不可少。现有研究显示，随着粉煤灰掺量的增加，水泥硬化后水泥浆体的孔溶液碱度有一定程度的降低，硬化后，随着龄期的增加，水泥浆体结构不断密实。

3 结语

对大掺量粉煤灰混凝土各方面性能的研究，有助于粉煤灰在实际工程中的推广应用，对于降低施工成本，改善混凝土结构的工作性能有重要意义。目前除了在混凝土中掺粉煤灰外，其他材料，如纳米材料、矿渣等的复合掺加对混凝土的影响还需要进行系统的研究。

[1] 艾红梅，王立久.大掺量粉煤灰混凝土配合比设计的理论研究[J].防灾减灾工程学报，2010，30(sup)：365-368.

[2] 黄 聪.大掺量粉煤灰混凝土力学性能试验及应用[J].人民长江，2015，46(S1)：189-192.

[3] 胡小锋，方晓瑞，胡春环.粉煤灰对高强混凝土性能的影响[J].华北水利水电学院学报，2009，30(5)：53-55.

[4] 李 辉，曹敏丽，张 伟，等.大掺量超细粉煤灰高强混凝土研究[J].硅酸盐通报，2014，33(5)：1028-1034.

[5] 鲁良辉.纳米SiO2复掺粉煤灰对混凝土抗压强度研究[J].建筑技术，2017，48(1)：41-43.

[6] 陈燕飞，孟云芳，李铁军.掺纳米SiO2、粉煤灰高性能混凝土的力学性能试验研究[J].宁夏工程技术，2011，10(3)：229-231.

[7] 王 鹏，杜应吉.大掺量粉煤灰混凝土抗渗抗冻耐久性研究[J].混凝土，2010(12)：76-78.

[8] 刘 斌.大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能[J].混凝土，2003(3)：44-47.

[9] 贾福萍，崔艳莉，孙宜兵，等.高温作用对大掺量粉煤灰混凝土力学性能影响[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2011，43(4)：581-586.

Illustrationonpropertiesoflargeamountofflyashcontentconcrete★

WangSongheLiHonglinSunHaohaoWangBinShiRongsheng

(XuhaiCollege,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China)

Fly ash is the industrial byproduct, and the emission of fly ash is enormous. Mixing with fly ash in concrete can not only turn waste into wealth, but also reduce the cost of concrete. And the application of large amount of fly ash concrete has great advantage. The research status of large amount of fly ash concrete on strength and durability are described through the summary of the existing research situation.

large amount of fly ash, compressive strength, durability

1009-6825(2017)29-0123-02

2017-08-05 ★:江苏省高等学校大学生创新创业训练计划资助项目(201713579007Y)

王松鹤(1996- )，男，在读本科生

TU502

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