粉煤灰需水量对混凝土用水量及外加剂掺量的影响

付转霞

（青海祁连山水泥有限公司，青海 西宁 811604）

0 引言

如今随着混凝土技术的发展与进步，尤其是大体积混凝土、水下混凝土的广泛应用，粉煤灰已成为这些混凝土所必需的材料。粉煤灰是电厂煤粉炉烟道气体中收集的固体粉末，它的主要氧化物组成有：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。通常情况下粉煤灰本身无胶凝性，但它能与石灰或水泥熟料水化时释放出的 Ca(OH)2发生反应，生成具有胶凝性的水化产物，这一反应称为火山灰反应。粉煤灰加入混凝土中可以提高混凝土的和易性、后期强度、耐久性等性能，并且对降低混凝土水化温升、延长混凝土凝结时间等起到非常重要的作用。

1 技术要求

对于粉煤灰的技术要求，在 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中有明确规定，粉煤灰按照煤的种类分为 F 类（有无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰）和 C 类（由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于 10%），并且按照粉煤灰的品质又分为 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三个等级，具体见表 1 和表 2。

表1 拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术要求

2 粉煤灰重要检测指标

在 GB/T 18736—2002《高强高性能混凝土用矿物外加剂》中也提到，矿物外加剂是生产高强高性能混凝土的组成材料之一，也是提高混凝土耐久性的重要措施。在混凝土搅拌过程中加入具有一定细度和活性的辅助胶凝材料，不仅可以取代部分水泥，改善新拌混凝土的工作性，而且能够提高硬化后的混凝土性能（特别是混凝土耐久性）。由于矿物掺合料在混凝土中的应用一般取代部分水泥或细骨料，使其具有胶凝条件或自身就具有胶凝作用，因此矿物掺合料与水泥一起被视为胶凝材料。当前广泛使用的矿物外加剂是磨细粉煤灰。作为搅拌站来说，使用的优质粉煤灰 28 天强度活性指数应不小于 70%，需水量比要控制在 105% 以内，这两个重要指标在检测控制中是有严格要求的。

粉煤灰第一重要指标“活性”主要来自活性 SiO2（玻璃体 SiO2）和活性 Al2O3（玻璃体 Al2O3）和 f-CaO（游离氧化钙）都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏（CaSO4）的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。粉煤灰中的钙含量在 3% 左右，它对胶凝体的形成是有利的。粉煤灰是以颗粒形状存在的，且这些颗粒的矿物组成、粒径大小、形态各不相同，通常将其形状分为珠状颗粒和渣状颗粒两大类。显微镜下观察，粉煤灰由多种粒子构成，其中珠状颗粒包括空心玻珠、厚壁及实心微珠、铁珠、炭粒、不规则玻璃体和多孔玻璃体等五大品种。其中不规则玻璃体是粉煤灰中较多的颗粒之一，大多是由似球和非球形的各种浑圆度不同的粘连体颗粒组成。有的粘连体断开后，其外观和性质与各种玻璃球形体相同，其化学成分则略有不同。多孔玻璃体形似蜂窝，具有较大的表面积，易粘附其它碎屑，密度较小，融点比其他微珠偏低。渣状颗粒包括海绵状玻璃渣粒、炭粒、钝角颗粒、碎屑和黏聚颗粒等五大品种。正是由于这些颗粒各自组成上的变化及组合上的比例不同，才直接影响到粉煤灰质量的优劣。现在市场上销售的粉煤灰，大多是未充分燃烧的煤炭渣，经二次磨细，并且里面会加入石粉、煤矸石粉末等物质，大大降低了粉煤灰的活性及强度。两种粉煤灰在颜色上就有很大差异，肉眼直观，优质粉煤灰其颜色由乳白至灰色不等，用手研磨较细滑；劣质粉煤灰颜色泛黑灰色，用手研磨较粗，有黑色颗粒。对于混凝土来说，优质粉煤灰能够等量替代水泥，达到减少水泥用量的效果，劣质粉煤灰只能超量掺加，缓解混凝土因胶材少而改善混凝土和易性的作用，无形之中增加了生产成本。

粉煤灰第二重要指标是“需水量比”，它与各龄期粉煤灰的强度贡献成反比，需水量比愈小，粉煤灰的强度贡献愈大。粉煤灰需水量比对强度贡献的影响在养护期高于后期，在养护期 7d 左右的需水量比对强度的贡献大于细度对强度的贡献，即粉煤灰对混凝土的性能的影响在早期是物理作用，后期是化学作用。需水量比小的粉煤灰掺入混凝土后，有减水作用，不仅可以增进混凝土强度的发展，同时可以提高抗渗性及耐久性。

表2 水泥活性混凝土料用粉煤灰技术要求

3 不同粉煤灰对比图样

粉煤灰进厂后不同厂家应分库存放，避免性能不同的粉煤灰存放在同一库内，存放期超三个月的使用前须进行复检，按复检结果使用。通过大量试验证明，当粉煤灰需水量比大于 105%、细度较大时，混凝土会出现用水量大、包裹性差、水灰比大、吸附外加剂能力强这四大弊病，需水量在 95%～100% 之间外加剂掺量较稳定，需水量在 100%～110% 之间时，外加剂掺量提高(0.3±0.1)%，需水量在 115% 左右时，外加剂掺量会提高 (0.6±0.1)%，而且混凝土拌合物坍落度损失大、和易性差、强度无法保障，所以粉煤灰要严格控制需水量比、烧失量、细度三个重要指标。对每车进厂粉煤灰进行取样和检测，取样要有代表性，用加长取样器在车前部、后部分别取样，充分均化后制样检测，数据真实有可追溯性。在水泥和外加剂品质不变的情况下，快速检测粉煤灰的需水量变化，为指导和稳定生产做好前期工作。图 1 为两种不同需水量比、不同细度的粉煤灰。

图1 不同粉煤灰对比图

4 配合比分析

以下是我试验室以 C30 混凝土为例，用两种不同粉煤灰做混凝土试验。在粉煤灰需水量逐渐上升的情况下，考察混凝土拌合物的和易性、外加剂掺加量、用水量、水胶比的变化以及硬化后混凝土的强度变化。

4.1 原材料选用

（1）细集料：当地洗砂厂 Ⅱ 区中砂，含泥量3.5%，含石率 23.5%，颗粒级配 2.9，含水率 3.5%，空隙率 36%。

（2）粗集料：当地石料厂 5～25mm 碎石，含水率0.5%，压碎值指标 8.6%，针片状含量 4.8%。

（3）水泥：42.5 级普通硅酸盐水泥。

（4）水：饮用水。

（5）外加剂：聚羧酸系高性能减水剂。

（6）粉煤灰 1：细度 15%，需水量比 93%，烧失量 1.3%。粉煤灰 2：细度 35%，需水量比 115%，烧失量 15.1%。

4.2 C30 混凝土配合比对比

使用粉煤灰 1 制备混凝土的配合比及抗压强度数据见表 3。

表3 配合比试拌的混凝土拌合物和易性、流动性良好，可泵性能良好，混凝土柔软。外加剂掺加量较稳定 1.6%，实际用水量为 180kg，水胶比 0.47，3d 标养强度 25.9MPa，达到设计强度的 86.3%，7d 标养强度34.6MPa，已达到设计强度的 115.3%，随着龄期的增加，强度仍不断上升，28d 强度 40.3MPa，达到设计强度的 134.3%。该配合比适用于大生产。优质粉煤灰颗粒细小，混凝土保水性好、不离析，并且细度小的粉煤灰，其活性较高。

使用粉煤灰 2 制备混凝土的配合比及抗压强度数据见表 4。

表4 配合比试拌的混凝土拌合物和易性、保水性、流动性良好，可泵性能良好，混凝土柔软。外加剂掺加量 1.5%，实际用水量 220kg，水胶比较大为 0.58，3d标养强度 12.0MPa，达到设计强度的 40%，7d 标养强度 22.6MPa，勉强达到设计强度的 70% 以上，虽然强度随着龄期的增加而增加，但是 28d 强度 30.4MPa，因粉煤灰细度大、需水量高，混凝土耐久性差、实体混凝土碳化较深，加之混凝土在实际浇筑过程中会受养护不到位、施工方任意往混凝土拌合物内加水、外加剂掺加量小、水灰比大、泵损大、难施工等不利因素的影响，后期强度无法保障，带来工程质量隐患。

因此，在粉煤灰不变的情况下，降低水灰比，提高外加剂掺加量，进行了试拌，配合比及强度见表 5。

表5 配合比试拌的混凝土拌合物较柔软，但是保水性略差，易泌水，可泵性能一般。外加剂掺量 1.8%，实际用水量为 200kg，水胶比控制略大为 0.53，3d 标养强度 15.7MPa，达到设计强度的 52.3%，7d 标养强度23.4MPa，达到设计强度的 78%，尽管强度随着龄期的增加而增加，28d 标养强度 33.6MPa，但是工作性能较差，不便于施工，配合比还需根据试验作调整。混凝土的泌水性随粉煤灰粒径的减小和掺量的增减而减小。

通过第三组试验认为，要保证混凝土强度稳定增长、工作性能好、便于施工，理论上就要降低水胶比、减少用水量、提高外加剂掺加量，第四组试验见表 6。

表3 第一组混凝土配合比及强度

表4 第二组混凝土配合比及强度

表5 第三组混凝土配合比及强度

表6 第四组混凝土配合比及强度

表 6 配合比试拌的混凝土拌合物较干硬，静置五分钟后，出现严重泌水、抓底现象，均匀拌合后观察，拌合物流动速度慢、干、硬、重，外加剂掺量 2.1%，实际用水量为 180kg，水胶比控制略大为 0.47，3d 标养强度 119.2MPa，达到设计强度的 64.0%，7d 标养强度 27.3MPa，达到设计强度的 91.0%，28d 标养强度35.9MPa，虽然混凝土强度达到设计要求，但是因混凝土无可泵性，工作性能极差，该配合比不能用于大生产。

5 试验结果与分析

使用细度粗、需水量高的粉煤灰，混凝土和易性差，无可泵性和工作性能。外加剂掺加量不易过高，（调整外加剂含气量仍无明显效果），水胶比不易过小，若要确保施工性能，水胶比应控制在 0.5 以上，并且因用水量降不下来，水泥用量不宜降低，否则可泵性能极差。

6 结语

在同等用水量的情况下，优质粉煤灰拌制的混凝土不仅和易性、工作性能良好，而且根据龄期的增长，强度较劣质粉煤灰高 5MPa 左右，这为进一步优化配合比、降低生产成本提供了有利的数据支撑。使用优质粉煤灰取代部分水泥能减少混凝土的用水量，相应降低水胶比，可提高混凝土的密实性和抗渗性，并改善混凝土的抗化学侵蚀性，还能降低混凝土的干缩变形，特别是混凝土的早期收缩。对于需水量大的粉煤灰，应适当降低其掺量。粉煤灰在混凝土中起着至关重要的作用，在检测和使用上要高度重视，根据浇筑部位、工程重要程度等情况使用不同质量和掺量的粉煤灰，为保证建筑物实体质量打好基础。