水胶比和粉煤灰掺入量对混凝土抗压强度的影响

陈征征

(宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

混凝土在工业生产中异常重要，可谓是工业革命的必需品，但其中所需的水泥却为环境的杀手锏；粉煤灰是对环境存在一定污染的工业三大废料之一。但若将粉煤灰加入到混凝土中替代一部分水泥，不仅可以减少水泥的产量，也可以消化掉一部分粉煤灰，对环境的保护而言可谓是一举两得；初期关于研究粉煤灰混凝土的学者，只是将粉煤灰视作为石灰的部分代替物，随着研究的深化，可以将粉煤灰视作粘结剂作为原料加入到混凝土制品中，从而可以大大的提升粉煤灰的利用效率且减少了水泥的用量，进而可以大大减少成本、减小粉煤灰和水泥对环境的污染，不仅如此，在混凝土加入粉煤灰对于混凝土的强度、抗渗性、耐磨性、塌落度、抗侵蚀性能都有所提升〔1-6〕。

覃维祖〔7〕等研究认为粉煤灰与水泥的特性不同，要将粉煤灰视为混凝土的原料，对粉煤灰充分研究，才能发挥出粉煤灰在混凝土中的最大作用；王松鹤〔8〕等在混凝土中加入大量粉煤灰发现混凝土的强度有一定提升；蒋林华〔9〕等发现若在混凝土中加入大量粉煤灰，混凝土的一强度会在后期逐渐提升，28 d的龄期并不能完美的表达出高掺量粉煤灰混凝土的强度；汪潇〔10〕等发现粉煤灰参量为50%～60%时，普通混凝土强度与粉煤灰混凝土相差不大。为了保证经济和环保效益最大化，所以研究在最大剂量(70%～90%)掺入粉煤灰后，对混凝土养护28 d以上的强度影响势在必行。

1 实验

1.1 所采用的材料及其性能

所采用的粉煤灰来自安徽宿州汇源发电厂，I级粉煤灰，物理性能如表1所示，化学性能如表2所示。

表1 粉煤灰的物理性能

表2 粉煤灰的化学性能

水泥使用P·O42.5级，性能标准如表3所示。

表3 水泥的性能

实验所采用的沙子性能如表4所示。

表4 沙子性能

粗骨料规格为5-30 mm连续级配的石子，性能如表5所示。

表5 粗骨料性能

减水剂为聚羧酸系高效减水剂。

1.2 配合比设计

本实验重点放在粉煤灰掺入量高达70%-90%时混凝土的强度情况，配合比设计如表6，编号前两个数字为粉煤灰含量，后两个数字为水胶比。

表6 配合比(Kg/m3)

1.3 实验方法

1.3.1 试件制备

图1 试件制备与养护流程图

1.3.2 抗压实验

图2 抗压性能试验流程图

1.3.3 坍落度

表7 混凝土水胶比与坍落度的关系

2 实验结果与分析

(1)水胶比和粉煤灰掺入量与抗压强度增长率的关系

表8 混凝土不同配合比与抗压强度与增长率的关系

由图3可知粉煤灰在0.7-0.9范围内，粉煤灰惨入量越少，抗压强度后期发展的增长率越小；水胶比在0.35时，混凝土的抗压强度都达到了增长率最低值；高惨量粉煤灰混凝土在28 d后压强依然在提升，最根本的原因是水泥的水化产物和SiO2都覆盖了在粉煤灰上面，使粉煤灰无法与外界等物质进行接触，从而无法进行水化反应，要想进行水化反应就必须打破阻隔物，但这是一个非常缓慢的过程。所以粉煤灰在初始阶段的反应不快，当跨过初始阶段，反应速率增加，胶凝物质增多，混凝土的强度也会增加。并且粉煤灰的水化反应产物会填充混凝土中的空隙，使其更密实，强度相应的也会增加；普通混凝土强度较低的原因之一是其中含有薄弱层—Ca(OH)2，而火山灰效应恰恰会消耗很多Ca(OH)2，以上三个原因是在混凝土中加入大量粉煤灰后，后期抗压强度增加的因素，所以实际应用中将56 d强度值作为设计值。

图3 水胶比和粉煤灰掺入量与抗压强度增长率的关系图

(2)水胶比和粉煤灰掺入量与抗压强度的关系

根据实验结果，抗压强度的比较选取养护56 d的最合适，下图抗压强度值均为相应混凝土养护56 d下的强度值。

由图4可知，当水胶比=0.25的情况下，无论粉煤灰惨入量为多少，混凝土的抗压强度都是最高峰值；在水胶比=0.45的情况下，抗压强度都达到了最小值； 是因为在混凝土中加入大量粉煤灰时，密实度决定着混凝土的强度，而密实度又由水胶比控制着，也就出现了抗压强度与水胶比成反比的状态。但在应用中不能只为了追求低水胶比，因为粉煤灰和水泥并不同，粉煤灰的颗粒半径很小，单位方量相比水泥而言需水量更大，当掺入很多粉煤灰时，为了保证混凝土的塌落度，混凝土的需水量必须增加，所以水胶比必须增加，为了降低水胶比，所以在实验中需要加入高效减水剂，而过多的减水剂会降低抗压强度，所以在实验中加入了5%的高效减水剂。

图4 水胶比和粉煤灰掺入量与抗压强度的关系图

由图4可知，当粉煤灰掺入量在0.7-0.9时，混凝土的抗压强度随着粉煤灰掺入量的增加而减小，这是因为混凝土强度取决于水泥化学反应之后产生的物质多少，当粉煤灰掺量增加，相应的水泥用量减少，直接导致了胶凝物质的减少。

3 结论

(1)掺入大量粉煤灰时，混凝土的抗压强度后期增长率很高，56 d抗压强度比28 d的抗压强度高出一倍，所以当往混凝土中加入大量粉煤灰时，更应关注其后期的抗压强度值，实践中应选取养护56 d情况下的抗压强度值作为设计值；

(2)当掺入粉煤灰占比越多，混凝土抗压强度后期增长率更大；

(3)水胶比在0.35时，虽然抗压强度后期增长率更大，但相比水胶比在0.25和0.45时，混凝土抗压强度增长率最低；

(4)当往混凝土中加入大量粉煤灰时，抗压强度与水胶比成反比关系，但在实际应用中，不能只为了高强度，而选取底水胶比，舍弃混凝土的和易性；

(5)当往混凝土中加入大量粉煤灰时，抗压强度与粉煤灰的掺入量成反比关系。