技术交流混凝土强度粉煤灰掺量水胶比关系探究与应用文档.docx

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【技术交流】“混凝土强度—粉煤灰掺量—水胶比”关系探究与应用

2015-07-15 耿加会 商品混凝土汪军

“混凝土强度—粉煤灰掺量—水胶比”关系探究与应用

耿加会1余春荣2

（1.舞阳县惠达公路工程有限公司，河南，舞阳，462400

2.建筑材料工业技术情报研究所，北京，朝阳，100024）

【摘要】粉煤灰作为商品混凝土中最常用的矿物掺合料，其优点得到业界的广泛认可。

对于“混凝土强度——粉煤灰掺量——水胶比”三者之间的关系，国内外专家学者对粉煤灰进行了深啊入的研究。

本文通过大量的试验数据，探讨“混凝土强度——粉煤灰掺量——水胶比”三者之间的关系，并通过工程应用，为粉煤灰的使用提供一点借鉴。

【关键词】混凝土强度、粉煤灰掺量、胶凝材料、水胶比、水灰比、配合比设计

0概述

商品混凝土经过三十年的发展，截止2013年底产量己达21.96亿m3/年，比2012年﹙18.49亿m3/年﹚增长了18.77%，混凝土已经成为重要的大宗建筑材料。

混凝土消耗的水泥量也在逐年增加，利用矿物掺合料部分取代水泥，具有良好的经济效益和社会效益。

粉煤灰是我国目前排放量最大的燃煤副产品之一，也是利用程度和利用水平最高的工业废渣之一[1]；粉煤灰以其诸多优点成为混凝土的重要组成部分[2]。

经过几十年的发展，我国电厂设备的改进使粉煤灰的燃烧更加充分，粉煤灰的质量和稳定性有较大的提高。

再加上高效减水剂（高性能减水剂）复合使用，可以大幅度降低水胶比，改善了粉煤灰的使用环境。

工程实践及试验研究表明，粉煤灰作为混凝土的矿物掺合料，既可以降低水化热，利用二次水化增加混凝土后期强度，又能提高混凝土的和易性、泌水性、流动性、泵送性及耐久性等。

上世纪80年代我国杰出的粉煤灰学者沈旦申[3]提出了“粉煤灰效应”假说：

形态效应、填充效应、火山灰效应。

英国的Dunstan研究发现：

混凝土的水胶比减小，粉煤灰对不同龄期混凝土强度的贡献随之增大，粉煤灰对强度的贡献与水胶比的关系比水泥还敏感。

粉煤灰掺入以后，“混凝土强度——水灰比”二元关系转变成“混凝土强度——粉煤灰掺量——水胶比”三元关系（如图[4]）。

0—1“混凝土抗压强度——粉煤灰掺量——水胶比”的关系

数年来的研究工作使混凝土技术的巨大的进步和发展，这些为人们认识和使用粉煤灰的作用机理和应用技术提供了可靠的理论指导和技术支持，对粉煤灰在混凝土中的应用起到了积极的推动作用。

但是长期以来,粉煤灰是作为水泥的替代品来掺用的，先后出现了等水胶比[1]法、超量取代法和等水灰比法[3]‘[5]。

本文在混凝土强度指标的基础上对粉煤灰掺量与水胶比的关系上进行探讨，力求找到“混凝土强度——粉煤灰掺量——水胶比”的之间的具体量化关系，更好地指导粉煤灰在混凝土生产中的应用。

1原材料

1.1水泥

宝丰大地水泥P.O42.5，其物理力学性能如表1-1。

表1-1水泥的物理与力学性能

细度（%）

标准稠度

用水量（%）

抗折强度（MPa）

抗压强（MPa）

凝结时间（min）

3d

28d

3d

28d

初凝

终凝

2.1

26.6

5.4

7.2

30.8

46.7

188

225

1.2粉煤灰

平顶山姚孟电厂Ⅱ级灰，其性能如表1-2。

表1-2粉煤灰性能

细度（%）

需水量比（%）

活性指数（%）

烧失量

7d

28d

15.4

98

74

78

3.6

1.3粗集料

舞钢市矿山碎石，其性能指标如表1-3。

表1-3舞钢碎石性能指标

表观密度（㎏/㎡）

堆积密度（㎏/M3）

空隙率（%）

针片状含（%）

压碎值（%）

级配（㎜）

2690

1580

41

5.2

9.5

5-25

1.4细集料

平顶山市叶县辛店镇河砂，细度模数2.8，性能指标见表1-4。

表1-4河砂性能指标

表观密度（㎏/m3）

堆积密度（㎏/m3）

空隙率（%）

细度模数（%）

颗粒级配

2550

1530

40

2.7

Ⅱ区

1.5减水剂

脂肪族复合高效减水剂，其性能指标见表1-5。

表1-5减水剂性能指标

密度g/m

掺量%

减水率%

含气量%

凝结时间（h）

抗压强度比（%）

初凝

终凝

7d

28d

1.19

2.0

21.5

2.5

6

8

142

130

2.粉煤灰掺量对混凝土强度的影响

2.1粉煤灰掺量对混凝土强度的影响试验

常用的混凝土强度等级为C10~C60，水胶比的变化范围为0.7~0.3，胶凝材料的用量也从300~550kg/m3。

依据混凝土公司的生产实际所需要的混凝土强度等级，试验分别采用胶凝材料为：

300kg/m3、350kg/m3、410kg/m3、470kg/m3和540kg/m3；水胶比为：

0.60、0.50、0.42、0.35和0.30；粉煤灰掺量为：

10%、20%、30%、40%和50%；用调整砂率及减水剂用量的方法将混凝土的坍落度控制在180~200mm的范围内，进行混凝土强度试验，其试验结果如下：

表2-1不同水胶比、胶凝材料用量、粉煤灰掺量的混凝土强度

水胶比

胶凝材料总量（kg）

粉煤灰掺量λ（%）

7d（MPa）

28d（MPa）

28d强度变化κ（%）

λ/κ

0.6

300

0

26.9

32.3

——

——

10

24.8

30.1

－7

1.4

20

21.9

28.0

－13

1.5

30

17.7

25.4

－21

1.4

40

14.1

21.3

－34

1.2

50

10.2

15.7

－51

1.0

0.5

350

0

33.7

41.2

——

——

10

31.2

39.4

－4

2.5

20

27.8

37.2

－10

2.0

30

24.2

33.7

－18

1.7

40

18.7.

27.3

－34

1.2

50

13.5

23.2

－44

1.1

0.42

410

0

39.8

47.7

——

——

10

39.1

46.9

－2

5.0

20

35.6

43.7

－8

2.5

30

30.9

40.6

－15

2.0

40

26.2

33.5

－30

1.3

50

21.1

29.8

－38

1.3

0.35

470

0

47.5

56.4

——

——

10

48.7

57.6

＋2

5.0

20

47.2

55.5

－2

10.0

30

44.3

51.2

－10

3.0

40

37.5

46.7

－17

2.4

50

29.9

39.2

－30

1.7

0.3

540

0

57.8

65.8

——

——

10

58.4

67.9

＋3

3.3

20

57.6

65.8

0

——

30

52.9

63.1

－4

7.5

40

45.5

57.4

－13

3.1

50

35.3

46.1

－30

1.7

注：

λ/κ表示强度每变化1%，粉煤灰掺量变化情况；＋表示强度增加，－表示强度降低。

从上表可以看出：

随着粉煤灰掺量的增加，混凝土各龄期的强度均表现出不同程度的下降；各水胶比下混凝土7d强度的降低幅度均大于混凝土28d强度变化的幅度；从28d强度下降的幅度来看，水胶比越大强度下降的幅度越大（例如，水胶比为0.6，粉煤灰掺量为10%时，混凝土28d强度下降7%，粉煤灰掺量为50%时混凝土28d强度降低下降51%。

而水胶比为0.3，粉煤灰掺量为10%时，混凝土28d强度上升了3%，粉煤灰掺量50%时混凝土28d强度降低下降了30%，水胶比0.6时的混凝土28d强度降低幅度明显大于水胶比0.3时的强度降低幅度）；随着水胶比的降低，混凝土28d强度每变化1%，粉煤灰掺量的变化范围在扩大（例如，水胶比0.6，粉煤灰掺量为10%~50%，混凝土28d强度每变化1%，粉煤灰掺量变化在范围在1.0~1.4%，水胶比为0.3，粉煤灰掺量为10%~50%，混凝土28d强度每变化1%，粉煤灰掺量变化在范围在1.7~7.5%，随着水胶比的降低，λ/κ的变化范围在扩大）；粉煤灰掺量相同时，随着水胶比的降低，混凝土28d强度降低的幅度在缩小（例如，粉煤灰掺量为30%：

水胶比0.6时，混凝土28d强度降低了21%；水胶比0.5时，混凝土28d强度降低了18%；水胶比0.42时，混凝土28d强度降低了15%；水胶比0.35时，混凝土28d强度降低了10%；水胶比0.3时，混凝土28d强度仅降低了4%）。

2.2试验结果分析

试验研究说明孔隙率对混凝土强度有着决定性的影响，孔的其他属性（例如孔径、孔的分布、孔形与取向等）对混凝土强度也有影响[6]。

水泥水化过程中，单位体积的水泥水化后体积增加约1.2倍，使原来由水占据的空间为水化产物所填充，而引起浆体孔隙率的降低。

同样粉煤灰的火山灰反应形成水化产物体积超过反应前的体积，也会对减少浆体孔隙率起到作用[7]。

中国建材院董刚[8]研究表明：

水泥浆体中粉煤灰在14d前反应较少（仅为2.5%），28d以后粉煤灰的反应程度才开始逐渐增大，到180d仅有20%左右参与二次水化。

总的来说，粉煤灰的反应速率和反应率是很低的。

水泥的活性好、反应速度远远大于粉煤灰，在水胶比相同的条件下，水泥之间的孔隙可以得到水泥水化产物的有效填充，随着粉煤灰掺量的增加，水泥熟料矿物成分相对减少，水胶比不变，而水灰比增大，产生的水化产物也减少，不能足以填充颗粒间的空隙，混凝土中水泥石有大量的孔隙存在，混凝土强度降低。

粉煤灰掺量越大，未被填充的空隙越多，混凝土降低的幅度越大。

水泥的水化及粉煤灰利用水泥水化产物Ca（OH）2二次水化均能降低混凝土的孔隙率，早期粉煤灰反应程度低，掺量越大强度降低幅度越明显，但到后期随着水化反应的进行，混凝土浆体的孔隙率逐渐被填充，混凝土强度降低的幅度变小。

水胶比也是影响混凝土空隙率的一个重要的因素，随着水胶比的降低，用水量减少，胶凝材料颗粒之间距离变小。

需要填充的孔隙也变小，不需要过多的胶凝材料水化产物就能填充胶凝材料颗粒之间的空隙，且粉煤灰中含有较高的球形玻璃体，使水泥分散更均匀。

再加上粉煤灰对水泥的颗粒填充效应，使混凝土浆体孔隙率得到有效降低，并成为水泥水化产物的内核，加之，粉煤灰的掺入水化热的减少，都有利于强度提高。

因此，在低水胶比的环境下，粉煤灰水化慢的弱点被掩盖，降低混凝土水化热及改善低水胶比情况下的水化环境的优点体现出来。

例如在水灰比0.3时，用50%的粉煤灰等量替代水泥，由于粉煤灰是利用水泥的水化产物进行二次水化反应，使混凝土中早期参与水化反应的水泥的“水灰比”变大。

如果不考虑粉煤灰对水的表面物理吸附作用，初期实际参与水泥水化的“水灰比”接近0.6，远远高于水泥理论上完全水化所需要的水灰比，此时可以认为水泥水化不受水化空间的制约，较之于水灰比为0.30的纯水泥浆体，掺粉煤灰的浆体中水泥组分可达到较高的水化程度。

3.等强度条件下粉煤灰掺量与水胶比的关系

3.1等强度试验

水胶比降低可以有效降低胶凝材料颗粒之间的距离，降低混凝土浆体的孔隙率，使需要填充空隙的水化产物降低。

粉煤灰等量替代水泥后，高活性的水泥颗粒减小，水化产物生成量降低，胶凝材料之间的颗粒得不到有效填充，强度降低。

根据上表的试验结果可以看出不同水胶比的条件下，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土强度不同程度的降低。

要保持掺加粉煤灰后混凝土的28d强度不发生变化，需要降低水胶比，提高胶凝材料强度，粉煤灰的减水性及与外加剂的协同效应为降低水胶比提供条件。

为了研究“混凝土强度——粉煤灰掺量——水胶比”三者之间的关系，试验分别采用胶凝材料为：

300kg/m3、350kg/m3、410kg/m3、470kg/m3和540kg/m3；基准水胶比分别为0.66、0.55、0.46、0.40、0.33、0.30，并以基准水胶比对应的混凝土28d抗压强度值为基本强度值；粉煤灰掺量从10%依次递增至50%，保持各掺量的混凝土28d抗压强度值与基本强度值基本相同（差值在5%以内）。

用调整砂率及减水剂用量的方法，将混凝土的坍落度控制为180~200mm，进行试验，并记录各掺量与基本水胶比对应混凝土28d抗压强度值的试验结果如下表：

表3-1等强度条件下粉煤灰掺量与水胶比关系

胶凝材料总量（kg）

粉煤灰掺量λ（%）

水胶比

水灰比

W

µ

λ/µ（%）

7d（MPa）

28d（MPa）

60d（MPa）

300

基准

0.66

0.66

198.0

——

——

24.0

27.8

30.7

10﹙30﹚

0.63

0.70

189.0

0.03

3.3

23.8

28.4

32.1

20﹙60﹚

0.59

0.74

177.0

0.07

2.9

24.1

28.2

32.4

30﹙90﹚

0.56

0.80

168.0

0.10

3.0

23.7

27.6

31.9

40﹙120﹚

0.50

0.83

150.0

0.16

2.5

18.7

27.3

32.6

50﹙150﹚

0.44

0.88

132.0

0.22

2.3

19.2

28.2

33.4

35﹙245+105﹚

基准

0.55

0.55

192.5

—

——

28.3

35.8

39.0

10﹙35﹚

0.53

0.59

185.5

0.02

5.0

28.5

36.5

41.2

20﹙70﹚

0.51

0.64

178.5

0.04

5.0

27.4

36.5

41.1

3﹙105﹚

0.47

0.67

164.5

0.08

5.0

27.6

36.8

42.6

40﹙140﹚

0.43

0.71

150.5

0.12

4.0

25.1

36.2

42.7

50﹙175﹚

0.37

0.74

129.5

0.18

2.8

26.5

35.9

42.1

410﹙287+123﹚

基准

0.46

0.46

188.6

—

——

37.2

44.5

48.6

10﹙41﹚

0.45

0.50

184.5

0.01

10.0

34.0

43.2

48.2

20﹙82﹚

0.43

0.54

176.3

0.02

10.0

34.8

42.5

48.2

30﹙123﹚

0.41

0.59

168.1

0.04

7.5

33.1

42.9

49.6

40﹙164﹚

0.37

0.62

151.7

0.08

5.0

32.9

44.4

50.5

50﹙205﹚

0.32

0.64

131.2

0.14

3.6

33.1

44.7

51.2

470﹙329+141﹚

基准

0.40

0.40

188.0

—

——

41.7

51.8

56.4

10﹙47﹚

0.39

0.42

183.3

0.01

10.0

40.9

49.7

55.3

20﹙94﹚

0.38

0.46

178.6

0.02

10.0

38.7

49.1

55.7

30﹙141﹚

0.36

0.51

169.2

0.04

7.5

39.2

48.9

55.7

40﹙188﹚

0.33

0.55

155.1

0.07

6.7

38.6

49.2

56.4

5﹙235﹚

0.29

0.58

136.3

0.11

5.0

36.2

48.9

56.9

500﹙350+150﹚

基准

0.33

0.33

165.0

—

——

48.9

59.6

64.3

10﹙50﹚

0.32

0.36

160.0

0.01

10.0

47.8

59.7

65.1

2﹙100﹚

0.31

0.39

155.0

0.02

10.0

49.1

60.2

66.7

30﹙150﹚

0.29

0.42

146.0

0.04

10.0

51.7

62.4

70.1

40﹙200﹚

0.28

0.47

140.0

.05

10.0

47.8

59.1

69.5

50﹙250﹚

0.26

0.52

130.0

0.07

10.0

44.7

58.8

68.6

540

﹙378+162﹚

基准

0.30

0.30

162.0

—

——

59.4

65.8

71.2

10﹙54﹚

0.30

0.30

162.0

—

——

60.8

67.9

74.1

20﹙108﹚

0.30

0.30

162.0

—

——

58.7

65.8

73.8

30﹙162﹚

0.29

0.41

156.6

0.01

30.0

56.2

66.2

72.6

40﹙216﹚

0.28

0.47

151.2

0.02

15.0

54.6

67.1

73.1

50﹙270﹚

0.26

0.52

140.2

0.04

12.5

57.8

65.2

71.7

注：

µ表示水胶比调整值，λ/µ表示水胶比与粉煤灰掺量变化的关系。

从表中试验数据分析：

⑴随着粉煤灰掺量的增加，要保持各掺量与相应基本水胶比混凝土28d抗压强度值不变，掺入粉煤灰以后，水胶比均相应的降低；且粉煤灰掺量越大，水胶比需要降低的值也越大。

⑵混凝土28d抗压强度值不变的情况下，随着基本水胶比的降低，相同粉煤灰掺量的水胶比需要降低的幅度在减小。

⑶随着基本水胶比的降低，混凝土28d抗压强度对粉煤灰掺量的敏感度下降，对水胶比的敏感度增加，粉煤灰掺量对水胶比的敏感度降低。

⑷从龄期来看，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土7d抗压强度值呈下降趋势明显，尤其在水胶比较大时，更为明显，而后期粉煤灰掺量的影响降低，表明粉煤灰参与水化反应的活性较低。

3.2等强度试验结果分析

从粒形上来看，粉煤灰中70%以上的颗粒是表面光滑、质地致密、内比表面积小、性能稳定的球状玻璃体和硅酸盐玻璃微珠。

粉煤灰玻璃微珠颗粒所特有的物理形状，有利于水泥颗粒的絮凝结构解絮和颗粒扩散，同时使混凝土内部降低粘度和颗粒之间的摩擦力，增加流动性,或流动性一定,需水量减少。

在混凝土浆体中起到改善保水性，粉煤灰玻璃微珠均匀分散到在混凝土浆体中，类似轴承滚珠的作用，对改善混凝土和易性也有明显作用。

由于粉煤灰的密度较水泥低，等量的粉煤灰取代水泥，浆体的粘聚性提高，加之，粉煤灰粒径小于水泥的粒径，粉煤灰等量替代水泥后，由于粒型的差异，水泥和粉煤灰混合后，细小的粉煤灰颗粒可以均匀地填充在水泥颗粒中，使“水泥—粉煤灰”二元胶凝体系的颗粒级配得到改善，孔隙率得到有效填充，有利于降低混凝土浆体内部的孔隙数量和孔隙尺寸，硬化水泥石更为致密，提高了混凝土的抗侵蚀能力。

粉煤灰的这些特性直接影响硬化中的混凝土的初始结构，提高混凝土密实度和强度。

水胶比大于0.4时，水泥颗粒被水分隔开的间距较大，水泥虽能充分水化，可以迅速生成水化凝胶并不能填充水泥与水之间的空隙，混凝土强度自然偏低。

即使掺入粉煤灰，由于粉煤灰自身没有水硬性，粉煤灰的水化是利用水泥与水反应生成的水化产物Ca（OH）2进行二次水化反应。

粉煤灰自身活性低，水化反应缓慢，生成的凝胶材料少，难以填充粉煤灰代替水泥后产生的空隙。

因此，在水胶比不变的情况下，随着粉煤灰掺量越大，强度降低越快。

水胶比低于0.4时，在不掺粉煤灰的普通硅酸盐水泥浆体中，随着水胶比降低，未水化的水泥颗粒逐渐增多，这些未水化的水泥颗粒在混凝土胶凝体中仅仅起到物理填充作用。

粉煤灰中强度高、硬度大、体积稳定性强的玻璃微珠可替代这部分起填充作用没有水化的水泥，不会引起强度的下降。

4.工程应用实例

根据表2-1、表3-1及本次试验的试验结果，绘制出“混凝土强度——粉煤灰掺量——水胶比”关系图。