不同掺量粉煤灰替代水泥对混凝土性能的影响

文摘 2025-01-28 07:04 河南

混凝土作为主要的建筑材料，其性能的优化和成本的降低一直是研究热点。粉煤灰作为一种工业废弃物，具有潜在的胶凝活性，可以作为水泥的部分替代品，用于制备混凝土。粉煤灰的掺入不仅可以降低混凝土的成本，还可以改善混凝土的性能，如提高流动性、耐久性等。然而，粉煤灰的掺量对混凝土性能的影响是一个复杂的问题，受到粉煤灰品质、细度、掺量以及混凝土配合比等多种因素的影响。因此，本文旨在研究不同掺量粉煤灰替代水泥对混凝土性能的影响。

1　粉煤灰替代水泥对混凝土性能影响的理论分析

粉煤灰在混凝土中作为水泥替代品时，其独特的物理化学性质对混凝土性能产生显著影响。粉煤灰的微粒形态多样，包括球形、椭圆形、玻璃体等，这些形态有助于改善混凝土的流动性，减少浇筑和振捣时的摩擦阻力。其微粒尺寸分布也至关重要，微粒尺寸越小，比表面积越大，对混凝土的吸附和填充作用越显著，能有效提高混凝土的密实度和抗渗性。

粉煤灰富含二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)等活性成分，这些成分在水泥水化过程中能与水反应，生成硅酸钙凝胶(C-S-H)等水化产物，填充混凝土孔隙，提升混凝土强度。它们还能与水泥水化产生的氢氧化钙(Ca(OH)₂)反应，生成更稳定的水化产物，进一步改善混凝土性能。

粉煤灰替代水泥的机理主要体现在物理填充和化学活性两方面。物理填充作用通过其微粒尺寸小的特性，填充混凝土微孔和空隙，提高密实度；而化学活性作用则通过其活性成分与水泥水化产物反应，生成稳定的水化产物，增强混凝土强度、耐久性和抗渗性。此外，粉煤灰替代还能降低水泥水化产生的热量，减少温度裂缝和收缩裂缝。粉煤灰的替代量对混凝土性能有重要影响，随着替代量的增加，虽然混凝土流动性改善，但因为粉煤灰活性较低，需更长时间参与反应，早期强度可能降低。但随时间推移，粉煤灰活性逐渐发挥，混凝土强度逐渐提高。

因此，实际工程中需根据具体要求和条件确定合理替代量。此为，粉煤灰与水泥水化产物的相互作用也是改善混凝土性能的关键，能减少氢氧化钙含量和混凝土碱度，降低对钢筋的腐蚀和混凝土的碳化风险。

2　不同掺量粉煤灰对混凝土性能影响的试验研究

2.1　原材料

本试验选用P·O42.5水泥，其物理性能指标如下：密度为3180kg/m³，细度为0.65%；Ⅱ级粉煤灰，SiO₂和Al₂O₃含量适中，筛孔为45μm，细度为11.5%，含水量0.25%。需水量比97.1%。粗骨料选用的是粒径在4.75～40mm之间的连续级配碎石，细骨料则选用中砂。减水剂为羧酸类高效减水剂，减水率22%。水为当地自来水。

2.2　试验方案

试验采用等水胶比法，即保持水与胶凝材料比例恒定，通过等量取代水泥的方式，粉煤灰掺量从0%逐步增加至25%，以分析其对混凝土性能的影响。考虑到粉煤灰二次水化反应初期缓慢，等量取代会导致混凝土早期强度降低。试验时，保持外加剂掺量及水胶比不变，逐步调整粉煤灰取代水泥比例，评估粉煤灰掺量对混凝土性能的影响。为确保试验准确性和可重复性，制定配合比方案(如表1所示)。

2.3　结果分析

2.3.1　对拌合物坍落度和凝结时间的影响

试验探究了粉煤灰取代水泥对混凝土拌合物坍落度和凝结时间的影响。在保持外加剂及用水量不变的情况下，粉煤灰掺量从10%～30%。结果显示，粉煤灰取代率为10%时，混凝土坍落度增加。掺量增至20%和30%时，坍落度下降，因粉煤灰活性低，水化反应慢导致稠度增加。随着粉煤灰掺量增加，混凝土初凝和终凝时间均延长。

从表2可以看出，粉煤灰作为矿物掺合料部分取代水泥后，提升了混凝土拌合物的坍落度，改善了和易性，坍落度增幅5～25mm。这得益于粉煤灰的微粒形态减少了内部摩擦，增强了流动性。同时，粉煤灰的二次水化反应慢，降低了混凝土水化热释放速度，延长了凝结时间，且随取代率增加，凝结时间推迟更明显，可为施工操作提供更多时间，为调整施工时间和优化工艺提供相应参考。

2.3.2　对混凝土抗压强度影响

将粉煤灰以不同比例掺入混凝土后，对混凝土在3d、7d、28d及60d龄期时的抗压强度影响结果如表3所示。

从表3中看出，混凝土抗压强度与其配比及龄期密切相关。同一配比下，水泥水化反应持续进行，混凝土凝结硬化，抗压强度逐渐增强。然而，对比不同配比，28d龄期内，随粉煤灰取代水泥比例增加，抗压强度逐渐降低，尤其是粉煤灰掺加量从0%增至25%时，3d龄期强度降幅达27.5%，28d龄期下降1.5%，因早期水泥水化程度降低，水化产物减少。但龄期超28d后，粉煤灰活性成分与水化产物反应，生成胶凝新产物，促进混凝土内部结构致密化，提升抗压强度。60d龄期时，粉煤灰掺加量逐渐增加的A2～A6组混凝土抗压强度均超过未掺加粉煤灰的A1组，为粉煤灰在混凝土中的合理利用提供了科学依据。

2.3.3　粉煤灰掺量对混凝土耐久性的影响

(1)抗渗性：在恒定1.2MPa压力并保持24h的条件下，粉煤灰掺入比例对混凝土抗渗性能的影响结果如图1所示。试验发现，当粉煤灰取代水泥的比例不超过20%时，混凝土的抗渗性能与基准混凝土相比无明显差异，表明适量掺入粉煤灰能有效保持混凝土的抗渗性能。但当粉煤灰掺入比例超过20%，混凝土的抗渗性能便显著下降，显示出过量掺入对混凝土抗渗性能的负面影响。

(2)抗冻性：混凝土抗冻性测试和动弹性模量的测量，是以对经历不同次冻融循环后的试件进行测量，并据此计算出它们的质量损失率，结果如表4所示。

表4结果显示，当粉煤灰的掺入量不超过20%时，混凝土的质量损失差异并不显著。然而，一旦掺入量超过这个比例，质量损失率便会出现显著上升。

试验还对经历了不同次冻融循环的试件进行了动弹性模量的测试，并据此计算出它们的相对动弹性模量。其试验结果如表5所示。

表5结果显示，粉煤灰的掺入对混凝土的抗冻性能影响复杂，低掺量时可能有一定的保持作用，但高掺量时则会显著降低抗冻性能。因此，在实际工程中，应根据具体需求和条件合理控制粉煤灰的掺量，以平衡成本和性能。

3　结语

经过系统的研究与试验分析，得出了以下结论：粉煤灰在适量的掺量下，入能够优化混凝土的微观结构，提升其工作性能，如改善和易性、降低水化热等。同时，粉煤灰的火山灰效应在一定程度上能够增强混凝土的后期强度。然而，当粉煤灰的掺量超过一定限度时，其对混凝土性能的负面影响开始显现。过高的掺量会导致混凝土的早期强度显著降低，同时可能影响混凝土的抗渗性、抗冻性等耐久性能。这主要是因为粉煤灰替代了部分水泥，降低了单位体积内水泥的水化程度，从而减少了水化产物的数量，影响了混凝土的硬化过程。因此，在实际工程中，应根据具体需求和条件，合理控制粉煤灰的掺量，以平衡其带来的性能改善与可能的不利影响。同时，对于特定工程条件下的混凝土配方设计，还需进行深入的试验研究和性能评估，以确保混凝土的性能满足设计要求。（来源：《建材发展导向》2024.12）

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