粉煤灰強度活性指數對混凝土性能影響研究

尹紹清，王春暉，吳倩雯，方 朋

(1.廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 537200；2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510610)

粉煤灰因其良好的形態效應、活性效應以及微集料效應已廣泛應用于普通混凝土及高性能混凝土的配制[1-3]。粉煤灰用于混凝土的主要技術優勢在于：一是顯著地改善新拌混凝土的和易性，提高混凝土泵送性；二是混凝土需水量，減少泌水與離析，降低坍落度損失[4-5]；三是粉煤灰的摻入，可明顯抑制混凝土的徐變[6]。但是，粉煤灰的摻入對混凝土早期抗碳化性能和抗凍性能均具有不良影響。隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗凍性能降低[7]。實際工程應用中，粉煤灰品質對混凝土的工作性、強度、干縮、抗滲、抗凍、抗沖磨性能的影響各不相同[8]。其中，強度活性指數在粉煤灰物理品質評價體系中至關重要。近年來，隨著粉煤灰供應緊張，導致市場上的粉煤灰質量參差不齊。因此，為了控制粉煤灰品質，粉煤灰在水泥和混凝土中的應用標準也相應提升。GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》新增“用于拌制混凝土和砂漿用粉煤灰，強度活性指數不低于70%”的要求[9-10]。對于在建工程，混凝土關鍵原材料重要性能指標評價標準發生改變時，則需對混凝土施工配合比進行驗證，以確?；炷临|量。

以大藤峽水利樞紐工程混凝土為研究對象，用于配制混凝土的F類Ⅱ級粉煤灰平均強度活性指數為68%，略低于新規范“強度活性指數不小于70%”的要求。為了探明粉煤灰強度活性指數對大藤峽工程混凝土性能的影響規律，本文從粉煤灰微觀形態、硬化混凝土力學性能、變形性能、耐久性能以及混凝土對鋼筋握裹力等方面開展研究，分析了粉煤灰強度活性指數對混凝土性能的影響規律，并對工程建設施工及驗收中關于粉煤灰材料質量控制要求提出合理建議。

1 原材料試驗及粉煤灰制備

試驗采用廣西魚峰水泥股份有限公司生產的42.5中熱硅酸鹽水泥，天津市鑫永強混凝土外加劑有限公司生產的緩凝型高性能減水劑及引氣劑；骨料為江口天然砂礫石料場生產的砂巖骨料，其中細骨料為機制砂，粗骨料為卵石骨料。粉煤灰為廣西欽州藍島環保材料有限公司提供的欽州電廠F類粉煤灰，粉煤灰原材料共有Ⅰ級灰樣品和專用低活性粉煤灰2種，粉煤灰樣品微觀形貌及物理性能分別見圖1、表1。

粉煤灰強度活性指數高低與其玻璃微珠含量多少密切相關[3-4]。通過掃描電鏡圖可清晰看到：強度活性指數89%的粉煤灰(圖1a)顆粒形貌較規則，多為球形顆粒，且顆粒較均勻，填充效果較好。強度活性指數64%的粉煤灰(圖1b)則以不規則顆粒為主，球形顆粒含量占比相對較少，顆粒間填充效果較差。

a) 強度活性指數89%的粉煤灰

b) 強度活性指數64%的粉煤灰

本次通過對Ⅰ級粉煤灰和低活性粉煤灰進行復配，選定3組不同活性指數的粉煤灰，復配出的粉煤灰各項物理性能見表2。

表1 粉煤灰物理性能

表2 復配粉煤灰物理性能

2 試驗用配合比選擇

結合大藤峽水利樞紐左岸廠壩工程常態混凝土配合比中粉煤灰常用摻量，選取C20W6F100(二)、C25W6F100(二)、C35W6F100(二)3個混凝土配合比進行論證試驗。選定施工配合比設計參數見表3。分別采用3組不同強度活性指數的粉煤灰進行對比試驗?；炷涟韬?、成型、養護及各項性能試驗均按SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規程》相應要求執行。

表3 施工配合比設計參數

3 試驗結果與討論

選擇3個施工配合比，共有0.37、0.46、0.48等3個水膠比，分別用3組不同活性指數的粉煤灰進行對比試驗?；炷涟韬?、成型、養護及各項性能試驗均按SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規程》相應要求執行。

3.1 立方體抗壓強度

立方體抗壓強度是混凝土最重要的力學指標，對混凝土質量控制有重要意義。硬化混凝土立方體抗壓強度檢測成果見表4，不同設計齡期混凝土立方體抗壓強度與粉煤灰強度活性指數關系擬合曲線見圖2。

表4 硬化混凝土抗壓強度

a)28 d

b)90 d

當粉煤灰強度活性指數在64%～76%范圍時:①采用不同強度活性指數粉煤灰制備混凝土，其立方體抗壓強度均滿足配制強度要求；②粉煤灰摻量為25%時，粉煤灰強度活性指數每增加1%，28 d混凝土立方體抗壓強度約增加0.6 MPa，90 d抗壓強度約增加0.4 MPa；③當粉煤灰摻量為20%時，粉煤灰強度活性指數每增加1%，28 d混凝土立方體抗壓強度約增加0.6 MPa，90 d抗壓強度約增加0.4 MPa；④當粉煤灰摻量為15%時，強度活性指數每增加1%，28 d混凝土抗壓強度約增加0.4 MPa，90 d抗壓強度約增加0.5 MPa。

以28 d抗壓強度作為基準值，當粉煤灰摻量為25%，粉煤灰活性指數分別為64%、70%、74%時，其對應90 d抗壓強度增長率分別為141.0%、133.2%、126.0%；當粉煤灰摻量為20%，粉煤灰活性指數為別為64%、70%、74%時，其對應90 d抗壓強度增長率分別為138.6%、129.8%、123.2%；當粉煤灰摻量為15%，粉煤灰活性指數分別為64%、70%、74%時，其對應90 d抗壓強度增長率分別為115.9%、117.0%、117.0%。

上述數據分析表明，當粉煤灰摻量為20%、25%時，在水泥水化前期，強度活性指數較高的粉煤灰可能已經開始水化[13]，并對混凝土28 d抗壓強度發揮積極作用；而對于強度活性指數相對較低的粉煤灰可能未發生水化，其早期主要呈現水化惰性效果，對混凝土28 d抗壓強度的提升作用較??；而到混凝土90 d齡期時，由于其火山灰效應，強度活性指數相對較低的在水化過程中與水泥水化釋放出的Ca(OH)2發生二次水化反應，生成硅酸鈣類水化物。90 d后粉煤灰顆粒表面產生大量的水化硅酸鈣纖維狀晶體，相互交叉連接形成很高的黏結強度[14]。因此，與摻低強度活性指數粉煤灰的混凝土相比，摻高活性指數粉煤灰的混凝土90 d抗壓強度/28 d抗壓強度比值更高。

當粉煤灰摻量為15%時，可能由于粉煤灰摻量較低，粉煤灰對水泥-粉煤灰體系的早期水化過程具有加速作用，主要機理是當粉煤灰等量取代部分水泥后，一方面增大了水泥漿體中的有效水灰比，另一方面由于粉煤灰的成核作用，從而促進了水泥的早期水化速率[15]。隨著齡期的增長，粉煤灰摻量為15%的混凝土，抗壓強度受到水膠比、粉煤灰摻量、粉煤灰強度活性指數等因素的耦合作用影響，因此呈現出摻低活性指數粉煤灰的混凝土相比摻高活性指數粉煤灰混凝土的90 d抗壓強度/28 d抗壓強度比值基本接近的現象。

3.2 軸向拉伸試驗

軸向拉伸試驗是一種綜合測定混凝土拉伸性能指標的技術手段，反映混凝土抵抗拉伸變形的能力。本文采用八字模試樣進行軸向拉伸試驗，28 d軸心抗拉強度及極限拉伸值見表5，軸心抗拉強度及極限拉伸值與粉煤灰強度活性指數增長關系見圖3。

表5 28 d混凝土軸心抗拉強度及極限拉伸值

a)28 d

b)28 d

表5中數據表明當粉煤灰強度活性指數在64%～76%范圍時：①混凝土抗拉強度及極限拉伸變形量隨粉煤灰強度活性指數增加均呈現增長趨勢；②當粉煤灰強度活性指數由64%提高至70%時，同一設計指標混凝土抗拉強度與極限拉伸變形增長幅度，較強度活性指數由70%提高至76%時更大，因此對于抗裂性能要求較高的混凝土結構，宜優先選用強度活性指數高的優質粉煤灰。

3.3 軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量

靜力抗壓彈性模量反映混凝土受軸心應力與產生的應變之間的關系，是進行結構驗算不可缺少的硬化混凝土性能指標。28 d混凝土軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量見表6。

表6 28 d齡期軸心抗壓強度及靜力抗壓彈性模量

表6中數據表明當粉煤灰強度活性指數在64%～76%范圍時：①隨著水膠比、粉煤灰摻量減小，混凝土軸心抗壓強度及靜力抗壓彈性模量增大；②當粉煤灰強度活性指數由64%提高至70%時，C20(粉煤灰摻量25%)及C25(粉煤灰摻量20%)混凝土軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量增長幅度，較強度活性指數由70%提高至76%時更大；③對于C35(粉煤灰摻量15%)混凝土，28 d粉煤灰強度活性指數增長，軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量無明顯增長，這可能是由于粉煤灰摻量較低時，水膠比對混凝土28 d軸心抗壓強度及彈性模量發揮主要作用[13]。

3.4 抗滲試驗

混凝土抗滲性是指混凝土材料抵抗壓力水滲透的能力。采用逐級加壓法測試混凝土抗滲等級，試驗結束后量測平均透水高度綜合評定混凝土抗滲性能，28 d混凝土抗滲性能見表7。

表7 28 d齡期抗滲性能

表7中數據表明：①當粉煤灰強度活性指數在64%～76%范圍變化時，同一設計指標硬化混凝土抗滲性能均能滿足W6抗滲設計要求；②隨粉煤灰強度活性指數提高，當粉煤灰強度活性指數在64%～76%范圍時，同一設計指標硬化混凝土平均透水高度降低，抗滲性能提高。由于粉煤灰的微集料效應，強度活性指數高的粉煤灰微觀形貌更規則、顆粒分布更均勻，填充效果更好，提高了混凝土的密實性。

3.5 抗凍試驗

混凝土抗凍性能是影響混凝土耐久性的重要指標之一，硬化混凝土抗凍性能見表8。

表8 28 d齡期抗凍性能

表8中數據表明：①當粉煤灰強度活性指數在64%～76%范圍變化時，同一設計指標硬化混凝土抗凍性能均能滿足F100抗凍設計要求;②當粉煤灰強度活性指數在64%～76%范圍時，隨著粉煤灰強度活性指數變化，硬化混凝土抗凍性能差異規律性不明顯。9組試樣的質量損失率范圍為0.11%～0.26%，相對動彈模量范圍為90.5%～95.2%，2項指標的變化范圍較小。這可能是由于所試驗各混凝土抗凍性能均較好，而凍融次數較少，即使粉煤灰活性指數在64%～76%范圍內變化，但尚未能對混凝土抗凍性能產生規律性的影響。

3.6 混凝土對鋼筋握裹力試驗

握裹力是鋼筋和混凝土共同作用的基礎，主要由化學膠結力、摩阻力和機械咬合力三部分組成。在標準試驗邊界條件約束下，混凝土對鋼筋握裹力試驗一定程度上反映鋼筋與混凝土接觸面上剪切應力隨混凝土抗壓強度增長的變化情況。28 d混凝土對鋼筋的握裹力見表9。

表9 28 d混凝土對鋼筋的握裹力

表9中數據表明：①當粉煤灰強度活性指數在64%～76%范圍時，隨著粉煤灰強度活性指數提高，硬化混凝土對鋼筋握裹力(強度)表現增長規律，原因可能是強度活性指數高的粉煤灰，其微集料效應、火山灰效應和密實填充效應更優異，更好改善了混凝土與鋼筋之間的界面結構，提高了二者之間的界面黏結力[14]；②當粉煤灰強度活性指數分別為64%、70%、76%時，同一設計等級硬化混凝土對鋼筋握裹力檢測代表值較均勻，差異較小，在本次研究粉煤灰強度活性指數范圍內，粉煤灰強度活性指數發生變化，混凝土對鋼筋握裹力檢測值差異表現不明顯。

4 結語

當粉煤灰強度活性指數在本文研究范圍內波動時，同一設計指標硬化混凝土立方體抗壓強度、抗滲性能、抗凍性能均能滿足設計要求；對于相對較低強度活性指數的粉煤灰，可通過及時調整混凝土配合比參數，試配出適用于工程需求的混凝土，以達到資源最大化利用。

a)通過線性擬合可知，同一設計指標硬化混凝土立方體抗壓強度增長與粉煤灰強度活性指數提高線性相關性較好；但其抗壓強度增長受到水膠比、粉煤灰摻量、粉煤灰強度活性指數等因素的耦合作用影響，其表現出的增長規律不盡相同。對于抗裂性能要求較高的混凝土結構，宜優先選用強度活性指數高的優質粉煤灰。

b)本文研究選取的粉煤灰活性指數變化范圍內，抗拉強度、極限拉伸值、軸心抗壓強度與靜力抗壓彈性模量、混凝土對鋼筋握裹力均表現為與粉煤灰強度活性指數保持相同的增長趨勢。

鑒于粉煤灰強度活性指數波動對混凝土性能的影響，建議在工程啟動初期建立粉煤灰強度活性指數與混凝土立方體抗壓強度關系數據庫，設定粉煤灰強度活性指數下限值，作為施工期混凝土質量控制的輔助方式。