交流:粉煤灰掺量—水胶比—混凝土强度关系探究

商品混凝土经过三十年的发展，截止2013年底产量己达11.7亿m³/年，比2012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]（[1] 覃维祖.粉煤灰在混凝土中的应用[J].粉煤灰综合利用，2000(3)：1-7）；粉煤灰以其诸多优点成为混凝土的重要组成部分[2]（[2] 陈肇元. 高强与高性能混凝土的发展及研究[J]. 土木工程学报. 1997, 30(5):3-11.）。

经过几十年的发展，我国电厂设备的改进使粉煤的燃烧更加充分，粉煤灰的质量和稳定性都有很大的提高。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]（沈旦申.粉煤灰混凝土.北京:中国铁道出版社,1989.149一191）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]（廉慧珍，李玉琳，当前混凝土配合比设计存在的问题之一[J]，混凝土，2009，03，P1~P5））。

“混凝土抗压强度——粉煤灰掺量——水胶比”的关系

多年来进行的这些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，对粉煤灰在混凝土的应用起到了积极的推动作用。但是长期以来, 粉煤灰或者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]（廉慧珍，李玉琳，当前混凝土配合比设计存在的问题之一[J]，混凝土，2009，03，P1~P5）、（覃维祖，利用粉煤灰开发高性能混凝土若干问题的讨论[J]，粉煤灰，2000.05，P 3~P6）。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“粉煤灰掺量——混凝土强度——水胶比”的之间的关系，更好地指导粉煤灰在混凝土生产中应用。

1.1原材料

1.1.1水泥：宝丰大地水泥P.O42.5，其物理力学性能如表1-1

1.1.2粉煤灰

平顶山姚孟电厂Ⅱ级灰，其性能如表1-2

1.1.3粗集料

舞钢市矿山碎石，其性能指标如表1-3

1.1.4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

1.1.5减水剂

采用脂肪族复合高效减水剂，其性能指标见表1-5

2.粉煤灰掺量对混凝土强度的影响

商品混凝土的按强度等级覆盖C10~C60，水胶比的变化范围为0.7~0.3，胶凝材料的用量也从300~550 kg/m³。依据商品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、350 kg/m³、410 kg/m³、470 kg/m³和540 kg/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：

不同水胶比及胶凝材料总量时，不同粉煤灰掺量强度表

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。

从上表的试验结果可以看出：在同水胶比条件下，随着粉煤灰掺量的增加强度显下降趋势，粉煤灰掺量越大，下降幅度愈大；在等粉煤灰掺量条件下，强度随水胶比的变化而变化，水胶比低强度高，水胶比高强度低，而且水胶比越大强度下降速率越快；随着粉煤灰掺量的增加，在各水胶比下7d强度的降低幅度均大于28d强度变化的幅度。

大量研究表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。[5]（吴中伟、廉慧珍，高性能混凝土[M]，北京，中国铁道出版社，1999，P22~P25）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。[6]（孙伟、缪昌文，现代混凝土理论与技术[M]，北京，科学出版社，2012，P575）中国建材院董刚（[7]董刚粉煤灰和矿渣在水泥浆体中的反应程度研究[D]，博士学位论文，北京，中国建筑材料科学研究院，2008）研究表明：水泥浆体中粉煤灰在14d前反应较小（仅为2.5%），28d以后粉煤灰的反应程度才开始逐渐增大，但反应很缓慢，到180d仅有20%左右参与二次水化。

水泥的活性、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，生产的水化产物也减少，因而填充浆体之间的空隙也较少。混凝土中有大量的孔隙存在，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降低的孔隙率，早期粉煤灰反应程度低，掺量越大降低幅度越明显，随着水化反应的进行，混凝土浆体的孔隙率逐渐简单，混凝土强度降低的幅度变小。

水胶比也是影响混凝土降低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型玻璃体，使水泥分散更均匀。再加上“水泥——粉煤灰”的颗粒级配填充效应均使混凝土浆体孔隙率得到有效降低。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

水胶比降低可以是胶凝材料颗粒之间的距离减小，需要填充空隙的水化产物降低。粉煤灰掺入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C20~C60各强度等级混凝土的“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、350 kg/m³、410 kg/m³、470 kg/m³和540 kg/m³；用调整砂率及减水剂用量的方法使混凝的坍落度控制在180~200mm的范围内进行试验，其按下表试验，其试验结果如下：

试验二

从上表试验结果可以看出，要保持28d强度不发生明显变化（变化范围在5%以内）：在等水胶比条件下，粉煤灰掺量越大，水胶比需要降低的幅度越大，粉煤灰掺量越小水胶比降低的幅度越小；在同粉煤灰掺量的情况下，水胶比越大需要降低较大的幅度才能保持强度不变，随着水胶比的降低，保持强度不变降低水胶比的降幅也变小。

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型状，能使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。在混凝土浆体中起到类似轴承滚珠的作用，均匀分散到混凝土浆体中使混凝土浆体更致密，有利于降低混凝土浆体内部的孔隙数量和孔隙尺寸。从颗径特征上看，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，孔隙率的降低。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0.5时，水泥颗粒被水分隔开，水泥水化环境优越，可以迅速生成水化凝胶填充水泥与水之间的空隙。众所周知，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，随着粉煤灰掺量的增加，强度显下降趋势，并且呈不等速下降，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，水泥的水化环境变差，水泥缺水不能水化。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。

5.工程应用实例：

根据本试验的试验结果，绘制出“水胶比——强度等级——粉煤灰掺量”关系图。

注：本表P.O42.5水泥强度28d强度值为46.7 MPa，若实际应用P.O42.5水泥强度28d强度值增大或减小，可以用增、减粉煤灰掺量或增、降水胶比的办法进行调整。

例1：以某小区梁、板、柱，强度等级C30，泵送要求坍落度180±20mm。所用原材料如下：

宝丰大地P.O42.5，经长期统计28d强度平均值ƒ_ce＝47.0 MPa ，姚孟电厂Ⅱ级粉煤灰，细度17%，需水量比98%；碎石为连续级配5mm～25mm碎；砂子细度模数为2.6的中砂，含泥量≤3%，≥5mm的石子＜5%；脂肪族复合高效减水剂(A)，固含量28%，推荐掺量1.8～2.2%。

根据泵送混凝土要求结合上表水胶比，施工工程部位为梁、板、柱，为了满足施工要求及28d强度达到C30强度等级，水胶比选用0.47，胶凝材料取370 kg/m³，粉煤灰掺量选择25%，设计出厂坍落度T（mm）为200±20mm，则配合比为：

C30配合比为：

例2：某办公楼基础建筑放量为1800m3，强度等级为C40，施工要求坍落度160±20mm，设计出厂坍落度180mm，原材料如上所述。

该工程施工部位为大体积混凝土，降低混凝土内部水化热是大体积混凝土必须考虑的。强度可以按照60d进行设计，依据表二及水胶比推荐表，胶凝材料用量为410 kg/m³，粉煤灰掺量为30%，水胶比为0.41，外加剂掺量为2.2%，配合比如下表，经检测坍落度为185mm。