大掺量粉煤灰混凝土性能研究及机理分析

郑杰文 姜 艺*

(武汉轻工大学,湖北 武汉 430023)



大掺量粉煤灰混凝土性能研究及机理分析

通过大量探索性试验，讨论了粉煤灰掺量、水胶比及龄期等因素对粉煤灰混凝土抗压抗折强度的影响，每次试验粉煤灰与水泥总量固定不变，粉煤灰掺量分别为40%，50%，60%和70%，水胶比分别为0.35，0.40和0.45，实验结果表明：大掺量粉煤灰虽然早期强度较低，但中后期强度增幅较明显，后期抗压强度可达38.7 MPa，抗折强度可达3.91 MPa。

粉煤灰，水胶比，龄期，抗压强度

0 引言

电力是人们日常生活中所必不可少的能源之一，由于电能转换来源及发电技术要求，风力发电及生物降解发电在推广方面受到一定的限制，目前，火力发电仍然是城镇居民主要用电来源。火电厂在发电的同时，它所带来的环境问题也日益严重，粉煤灰是火力发电后的主要固体废料，它里面含有大量重金属离子，如果不加以处理而随意填埋或堆积，重金属离子会渗入地下水，进而进入饮用水中，长期饮用会对人畜健康造成一定的损害。大量学者研究发现粉煤灰作为混凝土填充料具有很大的潜力，并且会使混凝土部分性能更加优越，提高混凝土的质量,其多数用于大体积混凝土以及早期强度要求不高的混凝土中。

本文从大掺量粉煤灰混凝土的角度出发，通过试验手段，分析了粉煤灰掺量、水胶比和水泥用量等因素对大掺量粉煤灰混凝土性能及工作性能的影响，并从微观角度对其机理进行分析。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：中国葛洲坝集团水泥有限公司生产的42.5号普通硅酸盐水泥。

粉煤灰：湖北阳逻电厂生产的二级粉煤灰。

试验用水：普通自来水。

1.2 配合比及试验方法

粉煤灰掺量分别为400 g，500 g，600 g及700 g，粉煤灰与水泥总掺量为1 000 g，水胶比分别为0.3，0.35，0.4及0.45。由于变量及变量水平值均较少，因此考虑使用全面试验方法，具体配合比及试验组合见表1。

表1 混凝土配合比

1.3 试件制作及养护

试件制备方法：将粉煤灰与水泥按顺序倒入搅拌机容器，低速干拌3 min使其均匀混合，平均分三次慢速加入水，每次间隔1 min，然后用刮刀刮下叶轮上粘结的原材料，再快速搅拌2 min后，装入模具，振动台振动1 min以除去气泡，待其成型。

试件养护方法：原材料装入标准模具成型，24 h后脱模，对所有试件按顺序标号，然后放在标准养护室养护到试验龄期。

2 试验结果及讨论

分别测试试件7 d，14 d，28 d及56 d抗压抗折强度，结果如表2所示。

不考虑蒸汽侧流量偏差，造成过热汽温偏差的主要原因包括烟气流速不均和烟气温度不均。对于四角切圆锅炉，炉膛出口普遍存在“烟气残余旋转”，A厂锅炉燃烧器假想切圆方向为顺时针，炉膛上部水平烟道A侧烟气残余旋转方向与引风机吸力方向一致，烟气流速较快；B侧的烟气旋转方向与引风机吸力方向相反，烟气流速低且紊流程度大，由此在烟道A、B两侧形成较大的速度偏差。

表2 混凝土力学性能测试结果 MPa

2.1 龄期及粉煤灰掺量对试件强度的影响

由于试验变量较多，龄期，粉煤灰掺量，水胶比对强度都有一定的影响，为了更加直观的了解试件强度随龄期和粉煤灰掺量变化趋势，故暂时不考虑水胶比的影响，试件的强度值取三个水平水胶比对应强度值的平均值。经处理后的强度值见表3。

表3 不考虑水胶比影响的试件强度值 MPa

作出强度随龄期和粉煤灰掺量的变化曲线如图1所示。

从图1中可以看出，试件早期强度随着粉煤灰掺量的增加而降低，但是随着龄期的增长，大掺量粉煤灰水泥试件的强度增长率逐渐增大，后期强度相差较少，即粉煤灰的掺入，对试件后期强度有一定的提升，试件抗折强度随龄期和粉煤灰掺量的变化曲线与抗压强度相似[1-3]。

2.2 龄期和水胶比变化对试件抗压强度的影响

从图2可以看出，随着水胶比的提高，试件的强度有一定的降低。早中期强度差异较明显，后期强度差异不大。水胶比是混凝土制备过程中一个很重要的参数，当水胶比过小时，材料的流动性和工作性能较差，同时由于水分过少，水泥水化不充分影响设计效果，当水胶比过大时，材料较稀且泌水现象严重，分层离析会对材料的强度有一定的影响。

3 试验微观机理分析

利用扫描电子显微镜(SEM)对试件微观结果进行分析。取样品10作为扫描观测对象，SEM结果如图3所示(其中图3a)为放大1 500倍结果，图3b)为放大5 000倍结果)。

经过对比辨认，图中圆状物质为粉煤灰颗粒，粉煤灰颗粒是一种玻璃态的物质，它的主要成分是硅铝酸盐，并且这种硅铝酸盐

玻璃体具有很好的化学活性。在加水拌合的过程中，水泥与水反应水化，水泥中的氧化钙与水反应生成氢氧化钙，大量游离的氢氧根离子使得材料所处的环境变成碱性，碱性物质进一步又激发粉煤灰颗粒的活性。大量的粉煤灰玻璃体在碱性环境下溶解成硅酸根离子和铝酸根离子，这种两性离子与游离的钙离子反应会生产硅酸钙和铝酸钙并附着粘结在水泥和粉煤灰颗粒表面，使得原本独立的各种颗粒粘结成一个整体，并且随着时间的增长，持续的水化作用使得大量晶体附着粘结在颗粒表面如图3b)所示，并且填充满颗粒间的间隙，这也是粉煤灰混凝土后期强度增长较快的原因[4-6]。

4 结语

1)粉煤灰与碱反应是粉煤灰混凝土复杂水化过程中的最主要的部分，从试验结果来看，70%高掺量粉煤灰混凝土的后期强度增幅较明显，这个时候主要的胶凝材料是粉煤灰，而30%的水泥主要作为碱性物质的来源。与常规试验中水泥作为主要胶凝材料而粉煤灰作为普通掺量有一定的不同。

2)试件制备过程中，水胶比极为重要，之前经过探索性的试验发现0.3水胶比无法拌合原材料，通过分析试验结果，本试验所应选取的最优水胶比大概在0.35。

3)由于地方原材料不一样，各地火电厂的粉煤灰主要物质成分也不尽相同，因为试验条件所限，不能一一取样试验，因此本实验结果仅对武汉地区粉煤灰有一定的特征意义，无法代表其他地区粉煤灰。

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Performance study and mechanism analysis of high volume fly ash concrete

Zheng Jiewen Jiang Yi*

(WuhanPolytechnicUniversity,Wuhan430023,China)

This paper mainly discusses the content of fly ash, water binder ratio and curing age on the strength of fly ash concrete compressive and flexural effects after a large number of exploring test, in each of the tests of fly ash and cement amount is fixed, the amount of fly ash were 40%, 50%, 60% and 70%, water binder ratio of 0.35, 0.40 and 0.45 respectively. The experimental results show that a large amount of fly ash although early strength is low, but later strength increased obviously, the compressive strength can reach 38.7 MPa at the later stage, and the bending strength is up to 3.91 MPa.

fly ash， water binder ratio， curing age， compressive strength

1009-6825(2016)28-0111-02

2016-07-18

郑杰文(1989- )，男，在读硕士

姜 艺(1957- ),男，教授

郑杰文 姜 艺*

(武汉轻工大学,湖北 武汉 430023)

TU528

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