粉煤灰对不同强度等级混凝土力学性能影响研究

粉煤灰是大宗工业副产品，每年的排放量约6亿吨，占用了大量的土地资源，且污染环境^[1]。近年来粉煤灰作为辅助性胶凝材料大量应用于混凝土材料中，减少水泥用量、降低混凝土生产成本，同时还可以减少环境污染、节约土地资源，具有较大经济和社会效益^[2-3]。

目前国内学者对掺粉煤灰的混凝土性能的研究主要集中在工作性能和力学性能，在研究力学性能时，主要针对某一强度等级混凝土或某一项力学性能，并未对粉煤灰混凝土的力学性能进行全面分析^[4-6]。因此，为进一步探讨粉煤灰对混凝土力学性能影响，本文以C30、

C40和C50混凝土为研究对象，研究粉煤灰对不同强度等级混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量等力学性能的影响，为工程混凝土的生产应用提供理论参考。

1实验

1.1原材料

水泥采用华润（封开）P.O42.5水泥(C)，粉煤灰采用佛山市高明宝山II级粉煤灰(F1)和江苏省镇江市谏壁电厂的I级粉煤灰(F2)，细骨料采用广西西江中砂，细度模数为2.6，粗骨料采用佛山云浮5～25mm连续级配碎石，外加剂采用江苏博特聚羧酸盐高性能减水剂（减水率不低于25%）。

1.2实验方案

实验研究不同掺量粉煤灰（单掺）对C30、C40和C50强度等级混凝土力学性能的影响，其设计坍落度为180±20mm。各强度等级混凝土配合比参数见表1，其中a组、b组和c组分别为C30、C40和C50混凝土配合比参数。鉴于现工程在设计C30混凝土时，多采用II级粉煤灰，故在对比试验中未选用I级粉煤灰。

   1.3实验方法及标准

本实验参考的规范标准是《水运工程混凝土施工规范》和《普通混凝土配合比设计规程》。按照以上规范标准先进行原材料称量、混凝土拌合、试件成型、养护，然后进行抗压强度、劈裂抗拉强度、弹性模量等试验。

2实验结果与分析

2.1抗压强度

由图1、图2和图3可知，随着粉煤灰的掺入，混凝土的前中期强度发展缓慢，虽然后期强度增长速度有所提升，但最终强度较不掺加粉煤灰的混凝土低，且随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的抗压强度呈明显的下降趋势。

       当C30混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量达到20%时，其56d抗压强度相对空白样降低了7%，掺量达到30%时，混凝土56d抗压强度降低了13%。

当C40混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量达到20%时，其56d抗压强度相对空白样降低了6%，当Ⅱ级粉煤灰掺量达到30%时，混凝土56d抗压强度降低了9%；当Ⅰ级粉煤灰掺量达到30%时，其56d抗压强度相对空白样降低了6%，掺量达到50%时，混凝土56d抗压强度降低了10%。

当C50混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量达到20%时，其56d抗压强度相对空白样降低了4%，掺量达到30%时，混凝土56d抗压强度降低了7%；当Ⅰ级粉煤灰掺量达到30%时，其56d强度相对不掺加粉煤灰的降低了2%，掺量达到50%时，混凝土56d抗压强度降低了8%。由此可知，粉煤灰的掺量越大，混凝土抗压强度越低，且混凝土强度等级越低影响越大；粉煤灰的质量等级越高对抗压强度影响越小。

2.2劈裂抗拉强度

由从图4、图5和图6可以看出，掺加粉煤灰后混凝土早龄期劈裂抗拉强度明显降低。

       当C30混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量达到20%时，其56d劈裂抗拉强度相对空白样降低了9%，掺量达到30%时，混凝土56d劈裂抗拉强度降低了15%；

当C40混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量达到20%时，其56d劈裂抗拉强度相对空白样降低了8%，掺量达到30%时，混凝土56d劈裂抗拉强度降低了13%；当C40混凝土中Ⅰ级粉煤灰掺量达到30%时，其56d劈裂抗拉强度相对空白样降低了6%，掺量达到50%时，混凝土56d劈裂抗拉强度降低了18%。

当C50混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量达到20%时，其56d劈裂抗拉强度相对空白样降低了6%，掺量达到30%时，混凝土56d劈裂抗拉强度降低了10%；当Ⅰ级粉煤灰掺量达到30%时，其56d劈裂抗拉强度相对空白样降低了3%，掺量达到50%时，混凝土56d劈裂抗拉强度降低了13%。

由此可知，单掺粉煤灰情况下，粉煤灰对劈裂抗拉强度的影响规律和对抗压强度的影响趋于一致。虽然前者在中长龄期劈裂抗拉强度有明显增长，但其最终强度仍明显低于后者。因此单掺粉煤灰掺量较大时，必须加强混凝土的前期养护，以降低混凝土早期开裂风险。

2.3弹性模量

从图7、图8和图9可以看出，单掺粉煤灰情况下混凝土弹性模量随其掺量的增加而降低，特别是混凝土早期弹性模量降低尤为明显。

        当C30混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量达到20%时，其56d弹性模量相对空白样弹性模量降低了6%，掺量达到30%时，混凝土56d弹性模量降低了14%。

当C40混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量达到20%时，其56d弹性模量相对空白样强度降低了6%，掺量达到30%时，混凝土56d弹性模量降低了9%；当Ⅰ级粉煤灰掺量达到30%时，其56d弹性模量相对空白样降低了4%，掺量达到50%时，混凝土56d弹性模量降低了11%。

当C50混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺量达到20%时，其56d弹性模量相对空白样降低了3%，掺量达到30%时，混凝土56d弹性模量降低了6%；当Ⅰ级粉煤灰掺量达到30%时，其56d弹性模量相对空白样降低了3%，掺量达到50%时，混凝土56d弹性模量降低了7%。

随着龄期的延长，掺粉煤灰的混凝土试件的弹性模量值将进一步提高，而普通混凝土提高的幅度较小，掺量越大影响越明显，但弹性模量的最终值还是随粉煤灰掺量的增加而降低。此外，由于Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰细度参数不同，掺入后对水化反应速率影响程度不同，进而对硬化混凝土弹性模量影响也会不同，粉煤灰质量等级越高，对混凝土力学性能影响越小。

综上可知，在单掺粉煤灰的情况下，粉煤灰对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量影响的规律一致，随着粉煤灰掺量的增加、粉煤灰质量等级和混凝土强度等级的降低，混凝土的力学性能降低。

3结论

通过粉煤灰对C30、C40和C50混凝土力学性能的影响分析，得到如下结论：

⑴单掺粉煤灰对混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量影响的规律一致，随着粉煤灰掺量的增加、粉煤灰质量等级和混凝土强度等级的降低，混凝土的力学性能降低；

⑵II级粉煤灰掺量不宜超过水泥用量的20%，I级粉煤灰掺量不宜超过水泥用量的30%；

⑶粉煤灰掺量和质量对低标号混凝土力学性能的影响程度较大；

⑷大掺量粉煤灰时应特别注意粉煤灰材料的品质稳定性和混凝土的早期养护。

【参考文献】

[1]姜立萍,黄磊.粉煤灰的综合利用现状及发展趋势[J].煤化工,2015,(02):64-68+63.

[2]王书云.粉煤灰混凝土配合比研究[D].山东大学,2005.

[3]赵全胜.大掺量粉煤灰混凝土在工程中的应用研究[D].河北工业大学,2002.

[4]侯炜,杨大可.不同掺量粉煤灰混凝土性能的研究[J].商品混凝土,2017,(Z1):100-102.

[5]杨斌,王珺卓,盛彬,方涛,罗义生,孙琳璘,贾艳敏.不同掺量粉煤灰对混凝土力学性能影响的研究[J].山西建筑,2016,(08):133-134.

[6]张文博,毛明杰,杨秋宁,韩军召.粉煤灰混凝土的单轴与劈裂抗拉强度研究[J].兰州理工大学学报,2015,(06):138-142.（来源：《广东建材》2017.08）