王卓琳，李向民，許清風(fēng)，貢春成

(1.上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200032;2.上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，上海200032)

粉煤灰綜合利用一直受到高度重視?！笆濉币?guī)劃提出，到2015年粉煤灰綜合利用率提高到70%。粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用是粉煤灰資源化利用的主要途徑?！斗勖夯揖C合利用管理辦法》(國(guó)家發(fā)改委等10部門令第19號(hào))，鼓勵(lì)利用粉煤灰作為商品混凝土摻合料。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2005)［1］將粉煤灰劃分為 I、II、III三個(gè)等級(jí)，并用細(xì)度、需水量比、燒失量等品質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)灰質(zhì)，若有一項(xiàng)不合格，粉煤灰等級(jí)就降一級(jí)。一般認(rèn)為III級(jí)及等外灰屬于低品質(zhì)粉煤灰。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50146-2014)［2］規(guī)定:預(yù)應(yīng)力混凝土宜摻用I級(jí)F類粉煤灰，摻用II級(jí)F類粉煤灰時(shí)應(yīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證;其他混凝土宜摻用I級(jí)、II級(jí)粉煤灰，摻用III級(jí)粉煤灰時(shí)應(yīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證。我國(guó)電廠排灰符合I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰僅占總排灰量的約5%［3］，而規(guī)范對(duì)量大且品質(zhì)參差不齊的低品質(zhì)粉煤灰應(yīng)用限制較多。因此，如何將低品質(zhì)粉煤灰合理應(yīng)用于混凝土顯得十分重要。

我國(guó)粉煤灰常用摻量為20%左右，并習(xí)慣定義30%以上為高摻量［4］。國(guó)外在高摻量粉煤灰混凝土領(lǐng)域的研究和應(yīng)用較多，且商品化程度高。加拿大礦物能源技術(shù)中心研發(fā)了用于結(jié)構(gòu)的摻量為50%～60%的粉煤灰混凝土［5］;美國(guó)研制了摻量為37%的粉煤灰高強(qiáng)混凝土［6］;英國(guó)研發(fā)了摻量為60%的粉煤灰混凝土，并成功應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、立交橋等［5］。Swamy等［7］研究認(rèn)為，高摻量粉煤灰混凝土可用于結(jié)構(gòu)混凝土和大體積混凝土。Sivasundaram等［8］研究發(fā)現(xiàn)，大部分粉煤灰都能用于混凝土，但粉煤灰品質(zhì)對(duì)混凝土性能的影響較大。在低品質(zhì)粉煤灰混凝土研究方面，林旭健等［9］選取了化學(xué)成分SiO2和Al2O3總含量相近的I級(jí)和III級(jí)灰配制不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土，結(jié)果表明III級(jí)灰混凝土與I級(jí)灰混凝土抗壓強(qiáng)度相差不大。張超等［10］配制了低水膠比下不同摻量的II級(jí)灰和III級(jí)灰混凝土，結(jié)果表明II級(jí)灰與III級(jí)灰混凝土早齡期強(qiáng)度基本相等，但后期III級(jí)灰混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)變緩、低于II級(jí)灰混凝土。一般認(rèn)為，粉煤灰混凝土強(qiáng)度在28d到180d期間增長(zhǎng)幅度較大，粉煤灰摻量越大、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)越明顯［11］。

上述研究表明，不同品質(zhì)粉煤灰混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，90d齡期以內(nèi)的普通混凝土、II級(jí)灰混凝土、低品質(zhì)灰混凝土三者強(qiáng)度差別不大。大于90d齡期的粉煤灰混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律研究較少，且現(xiàn)有研究多針對(duì)低品質(zhì)粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度，對(duì)抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等其它力學(xué)性能的研究較少。本文針對(duì)現(xiàn)有研究不足，重點(diǎn)研究低品質(zhì)粉煤灰混凝土力學(xué)性能的發(fā)展規(guī)律，為低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的有效利用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料包括:32.5普通硅酸鹽水泥(水泥標(biāo)號(hào)根據(jù)其實(shí)測(cè)強(qiáng)度判定);天然中砂，級(jí)配良好，細(xì)度模數(shù)2.7，表觀密度2600 kg/m3;碎石，連續(xù)顆粒級(jí)配(粒徑5mm～25mm)，表觀密度2640 kg/m3;上海高熱實(shí)業(yè)有限公司新寶粉煤灰綜合利用廠II級(jí)灰和III級(jí)灰;S95礦渣粉;聚羧酸高效減水劑;普通自來(lái)水。粉煤灰和礦渣粉的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。

表1 粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo)

表2 礦渣粉主要技術(shù)指標(biāo)

采用絕對(duì)體積法設(shè)計(jì)了9種配合比，詳見(jiàn)表3。其中，P1為普通混凝土，P2-P7均采用粉煤灰或礦渣粉等量取代水泥法配制;P8采用粉煤灰超量取代法配制，粉煤灰超量系數(shù)為1.7(與P7相比);P9考慮粉煤灰混凝土中復(fù)摻礦渣粉對(duì)其碳化性能的改善，將P8粉煤灰超量部分用S95礦渣粉替代。P9與P7相比，相當(dāng)于采用礦渣粉替代部分細(xì)骨料。

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)配合比制作試件:軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比試件尺寸為100mm×100mm×300mm，劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為100mm×100mm×100mm。在室溫下澆自來(lái)水養(yǎng)護(hù)28d后自然養(yǎng)護(hù)，按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)［13］分別測(cè)定7d、28d、90d、180d的各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同齡期混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。圖1顯示了不同齡期低品質(zhì)粉煤灰混凝土及礦渣粉混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)的發(fā)展情況，圖中縱軸數(shù)值為不同齡期力學(xué)性能參數(shù)與28d齡期力學(xué)性能參數(shù)的比值。

表4 不同齡期混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)

圖1 低品質(zhì)粉煤灰混凝土力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律

由表4和圖1可知:

(1)摻粉煤灰和礦渣粉對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響隨著齡期的增長(zhǎng)而變化。單摻粉煤灰混凝土(P3、P4、P7、P8)早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，7d的軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為28d的36%和46%(以4組配合比不同齡期強(qiáng)度比值的平均值計(jì)，下同);后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，180d的軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為28d的1.83倍和1.68倍。單摻或復(fù)摻礦渣粉混凝土(P2、P5、P6、P9)早期強(qiáng)度發(fā)展較快，7d的軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為28d的69%和77%;后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，180d的軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別為28d的1.30倍和1.26倍。

(2)單摻粉煤灰混凝土的28d強(qiáng)度低于普通混凝土，而單摻礦渣粉混凝土的28d強(qiáng)度高于普通混凝土。摻粉煤灰或礦渣粉混凝土的長(zhǎng)期強(qiáng)度(90d、180d)普遍比普通混凝土有所降低。

(3)粉煤灰品質(zhì)對(duì)混凝土強(qiáng)度有一定影響。同等摻量下，各齡期的III級(jí)灰混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別低于II級(jí)灰混凝土約10%和3%(圖2a)。低品質(zhì)粉煤灰摻量越高，混凝土強(qiáng)度降低幅度越大;以180d為例，20%摻量(P4)時(shí)軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低7.8%和3.7%，35%摻量(P7)時(shí)分別降低21.4%和18.5%(圖2b)。

圖2 典型配合比不同齡期混凝土強(qiáng)度比較

(4)低品質(zhì)粉煤灰混凝土采用超量取代法配合比設(shè)計(jì)后，其抗壓強(qiáng)度提高有限，本文中 P8比 P7的180d強(qiáng)度僅提高4%。P9將P8粉煤灰超量部分用S95礦渣粉替代，其180d強(qiáng)度比P7提高10.4%(圖2c)。這是由于P9與P7相比，相當(dāng)于用礦渣粉替代了部分細(xì)骨料，增加了混凝土中膠凝材料總量。P7、P8、P9的劈裂抗拉強(qiáng)度較為接近。已有研究表明［14］，低品質(zhì)粉煤灰混凝土中可適量復(fù)摻礦渣粉以改善其抗碳化能力。本文根據(jù)研究結(jié)果，提出了復(fù)摻低品質(zhì)粉煤灰和礦渣粉的混凝土配制方法。

(5)隨著齡期的增加，粉煤灰混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度的比值逐步增大，180d齡期時(shí)軸心抗壓強(qiáng)度值為其劈裂抗拉強(qiáng)度值的10倍左右。復(fù)摻粉煤灰與礦渣粉的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度發(fā)展與軸心抗壓強(qiáng)度發(fā)展較為同步。

(6)不同齡期混凝土彈性模量的發(fā)展規(guī)律與強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律類似?；炷翉椥阅Ａ侩S齡期有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但其增長(zhǎng)速度明顯緩于軸心抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)速度。不同齡期混凝土的泊松比變化規(guī)律不明顯，總體上隨著齡期略有增加。

3 結(jié)論

(1)單摻粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較慢，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快;摻礦渣粉混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢;不同齡期混凝土彈性模量發(fā)展規(guī)律與強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律類似，但其發(fā)展速度總體上緩于強(qiáng)度發(fā)展速度;泊松比變化規(guī)律不明顯。

(2)粉煤灰品質(zhì)和摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度有影響。同等摻量下，III級(jí)灰混凝土與II級(jí)灰混凝土相比，劈裂抗拉強(qiáng)度低約3%，軸心抗壓強(qiáng)度低約10%。低品質(zhì)粉煤灰摻量越高，混凝土強(qiáng)度降低越多;與普通混凝土相比，20%摻量時(shí)降低約 6%，35%摻量時(shí)降低約20%。

(3)單摻低品質(zhì)粉煤灰混凝土180d強(qiáng)度為28d強(qiáng)度的1.5倍以上;復(fù)摻礦渣粉后，其180d強(qiáng)度為28d強(qiáng)度的1.3倍以下。單摻低品質(zhì)粉煤灰混凝土僅憑28d強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)偏于保守;而復(fù)摻低品質(zhì)粉煤灰與礦渣粉后，混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能參數(shù)發(fā)展速度接近，其28d強(qiáng)度與180d強(qiáng)度相差不大(圖1)。

(4)進(jìn)行低品質(zhì)粉煤灰混凝土復(fù)摻礦渣粉的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用粉煤灰超量取代法并將粉煤灰超量部分用礦渣粉替代。該方法可顯著改善混凝土碳化性能［15］、提高早期與長(zhǎng)期強(qiáng)度，且其28d強(qiáng)度值可用于混凝土設(shè)計(jì)。

［1］ GB/T 1596-2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰［S］.

［2］ GB/T 50146-2014粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

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［12］ GB/T 18046-2008用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉［S］.

［13］ GB/T 50081-2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

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