大掺量粉煤灰混凝土的性能试验分析

庞小勇

（贵州省交通科学研究院股份有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

近年来，随着我国节能降耗环保力度的不断加强，越来越多的建筑垃圾及工业废物得以重复利用，取得了显著的经济和社会效益。粉煤灰作为火力发电主要的工业废料，不仅对空气造成污染，同时占用大量土地，实现其回收利用意义非凡[1-2]。业界专业人士对大掺量粉煤灰混凝土进行研究，成功将其应用于工程建设中。现阶段，针对大掺量粉煤灰混凝土性能评价主要依据普通混凝土的评价方式，但由于大掺量粉煤灰混凝土粉煤灰含量较多，火山灰反应缓慢，与普通混凝土相比，其早期强度较低，而随着养护时间的不断增加，其后期强度显著提高，耐久性能也得到大幅度提升。因此，通过28 d 条件下的性能参数无法准确反映其实际性能。鉴于此，该文对养护时间超过28 d，粉煤灰掺量为50%、60%条件下混凝土性能展开综合探究，以更加全面地了解其各方面性能。

1 实验研究方法

1.1 实验材料与配比

该试验选用Ⅱ级粉煤灰，经碎化及无害化处理，其粒径、性能满足混凝土拌制要求；水泥选用42.5 级普通硅酸盐水泥。经试验检测其矿物成分、理化性质等相关指标符合规范及设计要求；粗骨料采用经破碎化处理的青石，粒径为5～20 mm，级配连续，压碎指标为7.9%，其余各项指标均符合设计标准要求；细骨料采用优质河砂，其细度模数为2.8，含泥量为1.2%，含水率为0.6%；减水剂选用萘系高效减水剂（WAN-B），激发剂则采用硫酸盐复合激发剂[3-4]。

按照胶凝材料质量为600 kg/m3，其余组分质量不变，粉煤灰掺量10%～60%拌制混凝土，其混凝土配合比见表1。

表1 粉煤灰混凝土配合比

1.2 试样检测

试件强度检测根据最新标准《混凝土结构力学性能试验检测标准》执行。碳化深度及收缩量检测按照《混凝土长期及耐久性能检测评定标准》执行。

2 试验结果分析

2.1 粉煤灰掺量对混凝土后期强度的影响

对大掺量粉煤灰混凝土试件采取标准养护措施，养护完成后，依次测定试件60 d、180 d、365 d 条件下的混凝土抗压强度，检测结果见图1。并根据混凝土28 d 标准抗压强度值，对各掺量粉煤灰混凝土后期抗压强度增长率进行计算，计算结果见图2。

图1 粉煤灰混凝土的后期抗压强度

图2 粉煤灰混凝土的后期抗压强度增长率

通过图1 能够看出：①养护28 d 后，粉煤灰掺量为10%时，其强度相比标准强度稍有增加；②粉煤灰掺量越大，混凝土试件强度越低。当龄期为60 d，粉煤灰掺量不超过30%时，其强度均高于相同条件下标准混凝土强度值，且当粉煤灰掺量为20%时，其抗压强度最大；③当粉煤灰掺量高于40%且不超过60%时，混凝土抗压强度值均小于同条件下标准混凝土强度，且粉煤灰掺量越大，混凝土强度越低；④当混凝土龄期达到180 d，粉煤灰掺量低于30%时，混凝土强度持续增加，且全部高于相同条件下标准混凝土强度。当掺量达到30%时，混凝土强度最大，相比28 d 条件下的混凝土强度增加54%。当其掺量持续增加时，混凝土强度与其增长率呈现下降趋势，但仍高于标准水平；⑤混凝土龄期为365 d 时，粉煤灰混凝土强度显著增大，其增长趋势与180 d 条件下增长趋势大体相同；⑥当粉煤灰掺量达40%，养护时间超过60 d 时，其抗压强度与标准强度基本相同。

综上所述，相较于标准混凝土，随着养护时间的不断增加，粉煤灰混凝土强度增长较快；当养护时间大于60 d，粉煤灰掺量低于40%时，粉煤灰混凝土强度均不低于标准混凝土强度；当粉煤灰掺量增至60%时，其强度呈现下降趋势，但强度仍高于标准混凝土板强度。为有效提升粉煤灰混凝土早期强度，通常加入激发剂对混凝土实施活化处理[5-6]。为此，根据以上试验结论，在上述试验条件下加入激发剂进行试验探究，综合分析粉煤灰掺量为50%和60%条件下的混凝土强度变化，试验结果见图3。

图3 激发剂对粉煤灰混凝土28 d 后强度的影响（A5-1、A6-1 为掺入激发剂试样）

通过图3 能够看出：①当粉煤灰掺量为50%、60%，激发剂掺量为0 条件下，经养护28 d 后，虽然随着时间的增加，粉煤灰混凝土强度呈上升趋势，但与标准混凝土相比，其强度不足；②当激发剂掺量为1%时，粉煤灰混凝土28 d 后强度出现大幅度增长，逐渐接近标准强度值。可见，激发剂能有效提升大掺量粉煤灰混凝土28 d 后强度值。

综合图1、图2、图3 能够看出：①混凝土中掺入粉煤灰后，其强度呈现增长趋势，而加入激发剂后强度未发生变化，经激发处理后，强度增长趋势更加显著；②当养护时间不断增加，粉煤灰持续产生火山灰反应，且愈加显著，生成大量水化胶凝材料，对混凝土内部孔隙进行完全充填，显著增强粉煤灰混凝土密实度，使其强度得以快速提升；③混凝土混合料中，胶凝材料与粗骨料黏结形成的区域，其强度远远低于水泥石具有的强度，是混凝土内部最薄弱环节，极易出现裂缝和破坏[7-8]。当内部加入粉煤灰后，其内部存在的SiO2和Al2O3等化学成分与水泥水化反应产生的Ca(OH)2发生化学反应形成C-S-H 胶凝材料。该材料能不断完善过渡区结构，增强过渡区强度，从而使混凝土整体强度得以显著提升。

2.2 长期养护对大掺量粉煤灰混凝土碳化性能的影响

相较于普通混凝土而言，粉煤灰混凝土产生的C-S-H凝胶需吸收大量的Ca(OH)2，造成混凝土内部Ca(OH)2含量显著减少，降低其抗碳化能力。因此，虽然当粉煤灰掺量为50%、60%条件下，粉煤灰混凝土强度显著高于标准混凝土强度，符合施工标准要求，但其抗碳化能力是否能够满足要求，仍需进一步探究。因此，分别对粉煤灰掺量为50%、60%条件下不同养护时间的混凝土进行碳化深度检测，其检测结果见图4 所示。

通过图4 能够看出：①混凝土内粉煤灰掺量为50%、60%，且养护时间为28 d 时，其碳化深度依次为9.3 mm、13.7 mm；当养护时间增加至365 d 时，其碳化深度依次为6.7 mm、9.0 mm；②粉煤灰混凝土加入激发剂后，其活性显著增加，随着时间的不断增加，内部火山灰反应持续进行，且越来越快，混凝土内部孔隙填充得更加完全，薄弱环节修复得更加彻底，使混凝土密实度显著增加，内部空隙显著减少，导致CO2气体难以进入，其抗碳化能力显著提升；③以快速碳化28 d 等同于自然碳化50年深度推测，当粉煤灰掺量为50%、60%条件下，即便不添加激发剂，其自然碳化100年深度也达不到15 mm 和19 mm，更难以触及钢筋位置。因此，当粉煤灰掺量为50%、60%时，粉煤灰混凝土自然状态下的抗碳化能力能够满足施工需求。

图4 粉煤灰混凝土碳化时间与碳化深度关系

2.3 长期养护对大掺量粉煤灰混凝土收缩性能的影响

针对大掺量粉煤灰混凝土养护180 d 后开展收缩性能检测，得出收缩值与养护时间之间的关系曲线（图5）。通过图5 能够看出，当养护时间逐渐增加时，标准混凝土、粉煤灰混凝土60 d 内的收缩量均十分显著，超过60 d后呈现下降趋势，总体变化情况相似，但掺加粉煤灰混凝土收缩量均低于标准混凝土收缩量[9]。

图5 混凝土收缩值与养护时间关系

通常状况下，混凝土收缩量与温度收缩、干燥收缩、自收缩性能密切相关。其干燥收缩通常是因混凝土内部水化物毛细孔、胶凝孔失水所致。而其自收缩则是由于混凝土凝结硬化造成的[10]。而粉煤灰作为惰性材料，可有效抑制混凝土自收缩性能，并显著弱化水泥矿物产生的自收缩，减轻混凝土结构的整体收缩。同时，粉煤灰混凝土后期强度显著提升，使其抗收缩变形能力显著增大，从而有效降低粉煤灰混凝土的收缩量。若在其内部加入适量的膨胀剂，则对其收缩具有一定的补偿作用，可更加有效地降低收缩量。

3 结论

综上所述，大掺量粉煤灰混凝土随着养护时间的不断增加，其后期强度显著增大。通过合理控制配合比，并加入适量的激发剂，能够配制粉煤灰掺量为50%～60%，强度及各方性能均优于标准混凝土的大掺量粉煤灰混凝土。随着养护时间的不断增加，粉煤灰混凝土抗碳化性能显著增强，并对混凝土抗收缩性能具有一定的改善作用，符合工程应用标准，且能够带来良好的经济和社会效益，值得推广和应用。