粉煤灰（Ⅱ级）掺量对再生骨料混凝土性能影响

杨冉，杭美艳

（1.林州建筑职业技术学院，河南安阳 456550；2.内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010）

0 引言

混凝土作为目前使用最广、用量最大的材料之一，对我们人类生存的环境造成了巨大的影响[1]。一方面使用混凝土，需要大量的水泥、砂、石等材料，无节制的开采严重破坏了生态环境；另一方面由于早期建造使用的混凝土开始出现劣化，废旧工程拆除后的混凝土垃圾如何处理也成为当前急需解决的问题之一[2]。因此，混凝土的研究与发展必须更多的利用各种固体废弃物作为其原材料，减低混凝土能耗，减少CO2排放量，变废为宝，保证和促进人类与环境的和谐发展。

粉煤灰作为发电厂排出的一种废弃物，具有量大价优这些优点，在再生骨料混凝土中等量替代水泥，可以改善混凝土的性能，节约水泥，降低生产成本，减少对环境的污染[3]。学者张星一在研究中表明，对再生混凝土28d 抗压强度的影响最主要的影响因素是粉煤灰取代水泥量[4]。文中主要研究将Ⅱ级粉煤灰掺入再生骨料混凝土中，充分利用粉体的优化组合以及界面强化效应，可使再生混凝土具有良好的工作性及较高的强度。

1 研究用原材料

（1）水泥：冀东P·O42.5 水泥，28d 强度48.5MPa，标准稠度用水量28%。

（2）砂：采用天然河砂，中砂，含泥量2.6%，细度模数2.5。

（3）天然骨料：碎石，5～31.5mm 连续粒级，符合标准要求。

（4）再生粗骨料：废弃混凝土经破碎，筛分为5～31.5mm 连续粒级。

（5）粉煤灰：包头达旗电厂Ⅱ级灰，指标符合GB1596-2005 要求。

（6）水：普通自来水，符合JG J6 3-2006 要求。

（7）减水剂：包头钢鹿建材公司聚羧酸高性能减水剂。

分别对天然骨料和破碎、筛分后的再生骨料进行表观密度、堆积密度、吸水率和压碎指标试验，试验结果见表1。

表1 骨料基本性能

从表1 中观察天然骨料和再生骨料的基本性质发现，天然骨料的表观密度、堆积密度明显要大于再生骨料，但吸水率和压碎指标却小于再生骨料。两者产生这么大的区别是因为再生骨料是混凝土由破碎机破碎之后，在表面会包裹一层硬化的水泥砂浆，一方面由于水泥砂浆的强度低、密度小，砂浆表面粗糙、气孔多、孔隙率也大，另一方面混凝土破碎时，机械振动使得再生骨料内部松动，出现细小裂纹[5]。

2 混凝土试验方法

利用再生骨料替代天然骨料，进行试验，主要研究再生混凝土的和易性、力学性能]。混凝土搅拌、成型等按照GB 50080～2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》执行。配合比设计根据普通混凝土配合比设计要求，设计强度等级保持不变为C40，一组水胶比为0.35 时，砂率为38%，另一组水胶比为0.45，砂率为39%，改变Ⅱ级粉煤灰掺量为0、10%、20%、30%、40%、50%，再生粗骨料取代天然骨料制备混凝土试块。混凝土配合比设计如表2、表3 所示。

表2 水胶比为0.35 时混凝土配合比及和易性

表3 水胶比为0.45 时混凝土配合比及和易性

3 研究结果与分析

3.1 粉煤灰掺量对再生骨料混凝土性能影响

试验中，依据GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》执行，通过变动减水剂的用量保证新拌混凝土的流动度控制在180±20mm。试验先测新拌混凝土中的含气量，硬化成型后再测试其抗压强度、抗氯离子渗透性及抗冻融能力。

3.1.1 粉煤灰掺量对再生骨料混凝土含气量的影响

试验时保持水胶比、引气剂掺量不变，由粉煤灰等量替代水泥，掺量为0、10%、20%、30%、40%、50%，研究再生骨料混凝土随着Ⅱ级粉煤灰掺量的增大，含气量的变化情况。

通过试验研究，发现再生骨料混凝土中含气量会随粉煤灰掺量的变化而改变。从图1 中看出再生骨料混凝土中粉煤灰的掺量增大，那么含气量相应降低。一方面是因为粉煤灰为很细的颗粒，有很大的比表面积，粒粒径一般分布在0.5～300μm 的范围内，其中玻璃微珠的范围为0.5～100μm，同时还有部分莫来石、石英等结晶物质，具有很强的吸附能力；另一方面由于二次水化作用，改善了再生骨料混凝土的和易性和内部的界面结构，提高密实度降低了隙率，从而使再生骨料混凝土的含气量减少。因此，增大粉煤灰掺量可以使再生骨料混凝土中的含气量降低。

图1 粉煤灰掺量与再生骨料混凝土含气量的关系曲线图

3.1.2 粉煤灰掺量对不同水胶比再生骨料混凝土抗压强度的影响

依据GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》及GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试了再生混凝土3d、7d、28 d 抗压强度。同一水胶比下，随着Ⅱ级粉煤灰掺量的增大，再生骨料混凝土各龄期的抗压强度均呈现下降的趋势，当粉煤灰取代量小于等于30%时，下降速率平缓；粉煤灰取代水泥量为超过30%时，下降速率增大；另外，粉煤灰使得早期强度降低幅度较大；水胶比越小，粉煤灰对混凝土强度的影响越小，当掺加少量时，后期强度还会有所提高。因此，以废弃混凝土破碎筛分后作骨料，并掺加适量粉煤灰后，配置混凝土的力学性能完全能达到了普通混凝土的水平。

粉煤灰作为活性矿物掺合料，在混凝土中的主要作用机理包括颗粒形貌效应、微粉填充效应和火山灰活性效应，颗粒形貌效应可减少混凝土拌合物的流动阻力，改善其和易性，在和易性保持稳定的情况下，可以调整配合比中的减水剂用量[6]；粉煤灰颗粒很细，可填充在水泥水化产生的微孔中，增加混凝土的密实度；粉煤灰中的活性组分可与水泥的水化产物氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶等，粉煤灰的掺入会影响混凝土的早期强度，但火山灰活性的存在使得后期水化进行较为充分[7]。粉煤灰掺量对不同水胶比再生骨料混凝土抗压强度的影响如图2～图4 所示。

图2 水胶比为0.35 时，粉煤灰掺量对再生骨料混凝土抗压强度的影响

3.1.3 粉煤灰掺量对不同水胶比再生骨料混凝土抗氯离子渗透能力的影响

氯离子进入混凝土内部主要通过渗透、扩散及吸附三种途径，毛细孔及微细连通孔的存在会使氯离子较易进入混凝土内部，工程应用中，应注意控制混凝土内部毛细孔的生成。粉煤灰的减水效应和填充效应会减小混凝土的孔隙率，理论上可提高混凝土的抗氯离子渗透性。粉煤灰掺量对不同水胶比混凝土抗氯离子渗透能力的影响如图4 所示。

图3 水胶比为0.45 时，粉煤灰掺量对再生骨料混凝土抗压强度的影响

图4 不同水胶比时，粉煤灰掺量对抗氯离子渗透能力的影响

由图4 知，随着混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量的增大，再生骨料混凝土的抗氯离子渗透能力先增强后减弱；水胶比0.35 和0.45 的再生骨料混凝土在粉煤灰掺量为20%时，抗氯离子渗透能力最强，对应的电通量分别为900C、1587C。可见，适量掺加粉煤灰对再生骨料混凝土抗氯离子能力提高有一定的作用[8]。而粉煤灰掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响机理主要是掺入粉煤灰后,界面处的微结构发生了很大的变化,Ca（OH）2数量减少,孔隙率降低,有害孔逐渐减少,无害孔逐渐增加,提高结构的密实程度；随着粉煤灰掺量的增加，对再生混凝土抗氯离子的渗透性表现为先增强后减弱。

3.1.4 粉煤灰掺量对再生骨料混凝土抗冻融能力的影响

该试验研究了水胶比为0.35 时再生骨料混凝土的抗冻融能力。Ⅱ级粉煤灰掺量对再生骨料混凝土抗冻融能力的影响如表4 所示。

由表4 可知，未使用粉煤灰时，基准再生骨料混凝土的耐冻融循环次数150 次，粉煤灰掺量30%～40%、40%～50%时，混凝土的耐冻融循环次数仅为100 次和50 次；粉煤灰掺量为10%～30%时，混凝土的耐冻融循环次数均在200 次以上。

表4 水胶比为0.35 时，粉煤灰掺量对再生骨料混凝土抗冻融能力%

实验数据中出现了质量损失与动弹模量损失不一致的情况：粉煤灰使用量为0～30%时，质量损失小甚至有所增重，但弹性模量损失大；粉煤灰使用量为30%～50%时，质量损失较大但动弹模量损失小，出现这种情况正是由于其内部孔隙结构的不同而造成的。对于水胶比为0.35 的混凝土来说，要保证其具有较高的抗冻融能力，粉煤灰掺量应小于等于30%。

4 结语

文中通过对Ⅱ级粉煤灰掺量对再生骨料混凝土的性能影响研究，得出如下结论：

（1）在同一水胶比下，粉煤灰掺量越高，再生骨料混凝土中的含气量越低。同一水胶比下，随粉煤灰掺量的增大，再生骨料混凝土各龄期的抗压强度均呈现下降的趋势。

（2）随着粉煤灰掺量的增大，再生骨料混凝土的抗氯离子渗透能力先增大后减小。对水胶比为0.35和0.45 的混凝土，粉煤灰掺量为20%时，抗氯离子渗透能力最强。

（3）对当混凝土的水胶比为0.35 时，粉煤灰掺量应小于等于30%时，再生骨料混凝土具有较高的抗冻融能力。