王卓琳，施鐘毅，姚利君，許清風，貢春成

(1.上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海200032;2.上海市建筑科學研究院(集團)有限公司，上海200032)

粉煤灰在混凝土中的應用，已經(jīng)成為粉煤灰高附加值利用的主要途徑。國家標準《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 三個等級。國家標準《粉煤灰混凝土應用技術(shù)規(guī)范》(GBJ 146－90)［2］規(guī)定I、II 級灰可用于鋼筋混凝土，III 級灰主要用于無筋混凝土，且對設(shè)計強度等級C30 及以上的無筋粉煤灰混凝土宜采用I、II 級粉煤灰。2015年1月1 日起施行的新版國家標準《粉煤灰混凝土應用技術(shù)規(guī)范》GB/T 50146－2014［3］除對預應力混凝土有專門限定外，規(guī)定其他混凝土宜摻用I級、II 級粉煤灰，摻用III 級粉煤灰時應經(jīng)過試驗論證。我國標準用單因子水平評價灰質(zhì)，燒失量、SO3含量、細度和需水量比等品質(zhì)指標若有一項不合格，粉煤灰就做降級處理。目前我國電廠排灰能達到I、II 級指標的數(shù)量十分有限，符合I 級標準的粉煤灰僅占排灰量的5%，現(xiàn)有分級結(jié)果導致電廠排放的大部分粉煤灰不能用于結(jié)構(gòu)混凝土，甚至不能用于低早期強度的水工混凝土［4］。國外標準多采用綜合評定指標，有利于低品質(zhì)粉煤灰的利用，如美國粉煤灰標準ASTM C618［5］規(guī)定，如果粉煤灰的燒失量或細度超出標準規(guī)定的范圍，可以采用組合因子(燒失量×細度≤225)等進行評價［6］。

粉煤灰常用摻入量一般都在取代水泥的20%左右，根據(jù)我國經(jīng)驗和習慣把粉煤灰含量在30%以上的定義為高摻量。目前國內(nèi)外對粉煤灰混凝土及復摻粉煤灰礦渣粉混凝土的研究主要集中在I 級及II 級粉煤灰，低品質(zhì)灰研究較少?？讈唽幍龋?］對粉煤灰的堿性、硫酸鹽和氯鹽改性的機理作了分析，認為低品質(zhì)粉煤灰可用作摻合料或細骨料等在普通混凝土中使用;張超等［8］主要分析了粉煤灰在混凝土中的“活性效應”和“微集料效應”，建議實際應用中可考慮以粉煤灰代砂的方式加以利用。林旭健等［9－10］和張生營［11］開展了低品質(zhì)粉煤灰配制混凝土以及受力構(gòu)件的初步研究，認為同等摻量情況下，Ⅲ級粉煤灰混凝土抗氯離子侵入能力并不低于Ⅰ級粉煤灰混凝土。

為提高低品質(zhì)粉煤灰的利用率，并緩解由于粉煤灰摻量過高導致的貧鈣現(xiàn)象，確?；炷聊途眯?，本文以高摻量低品質(zhì)粉煤灰混凝土為主要研究對象，考慮粉煤灰品質(zhì)、摻量、是否復摻礦渣粉等因素，進行混凝土軸心抗壓強度試驗和快速碳化試驗，并提出改善高摻量低品質(zhì)粉煤灰混凝土抗碳化性能的建議。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

主要材料有32.5 普通硅酸鹽水泥(水泥標號根據(jù)其實測強度判定);天然中砂，級配良好，細度模數(shù)2.7，表觀密度2600kg/m3，堆積密度1465kg/m3;碎石，連續(xù)顆粒級配(粒徑5mm～25mm)，表觀密度2640kg/m3，松散堆積密度1450kg/m3;上海高熱實業(yè)有限公司新寶粉煤灰綜合利用廠II 級灰和III 級灰;S95 礦渣粉;聚羧酸高性能減水劑;普通自來水。其中，粉煤灰和礦渣粉的各項技術(shù)指標見表1 和表2，化學成分見表3。

表1 粉煤灰主要技術(shù)指標

表2 S95 礦渣粉主要技術(shù)指標

表3 粉煤灰及礦渣粉主要化學成分 /%

1.2 配合比設(shè)計與試件制作

考慮粉煤灰品質(zhì)、摻量、復摻礦渣粉等因素，采用絕對體積法設(shè)計了9 種配合比，詳見表4。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;P8 采用粉煤灰超量取代水泥法，粉煤灰超量系數(shù)為1.7(與P7 相比);P9 考慮增加固體廢棄物利用率并改善粉煤灰混凝土性能，將P8 粉煤灰超量部分用S95 礦渣粉替代，與P7 相比，相當于粉煤灰與水泥實際用量不變的情況下，采用礦粉替代了部分細骨料，增加了膠凝材料的總量。

表4 混凝土配合比設(shè)計

按照設(shè)計配合比制作試件，試件尺寸為100mm ×100mm×300mm。每組制作12 條試件，3 條用于快速碳化試驗，9 條用于測量不同齡期(28d、90d、180d)混凝土軸心抗壓強度。根據(jù)文獻［3］規(guī)定，粉煤灰混凝土的設(shè)計齡期應根據(jù)建筑物類型和實際承載時間確定，并宜采用較長的設(shè)計齡期;地上、地面工程宜為28d 或60d，地下工程宜為60d 或90d，大壩混凝土宜為90d或180d。同時為了考慮粉煤灰混凝土早齡期強度以及密實度對混凝土碳化的影響［12－13］，試件成型拆模后，養(yǎng)護90d(澆水養(yǎng)護28d 后自然養(yǎng)護至90d)再進行快速碳化試驗。

1.3 試驗方法

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082－2009)［14］，采用快速碳化方法。碳化箱為CCB－70B 型，二氧化碳濃度(20 ±3)%、溫度(20 ±2)℃、濕度(70 ±5)%。養(yǎng)護90d 后，分別測定碳化3d、7d、14d、28d 的碳化深度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度

不同齡期混凝土軸心抗壓強度見表5?？梢钥闯?，摻粉煤灰和礦渣粉對混凝土強度的影響隨著齡期的增長而變化。單摻粉煤灰混凝土后期強度增長較多，P3、P4、P7、P8 的180d 強度為28d 強度的1.83 倍(取4 個配合比的平均值)。摻礦渣粉混凝土后期強度增長較少，P2、P5、P6、P9 的180d 強度為28d 強度的1.30 倍(取4 個配合比的平均值)。

單摻粉煤灰混凝土的28d 強度普遍低于普通混凝土，而摻礦渣粉混凝土的28d 強度普遍高于普通混凝土。180d 齡期時，摻低品質(zhì)粉煤灰和礦渣粉混凝土的抗壓強度比普通混凝土均有所降低，且低品質(zhì)粉煤灰摻量越多，降低幅度越大;20% 摻量時降低7.8%，35%摻量時降低21.4%。從不同齡期混凝土強度的發(fā)展規(guī)律可以看出，僅憑28d 的混凝土強度對粉煤灰混凝土和礦渣粉混凝土進行設(shè)計存在明顯不足。

粉煤灰品質(zhì)對混凝土抗壓強度有一定影響，摻等量III 級灰的混凝土180d 強度低于II 級灰混凝土約15%。低品質(zhì)粉煤灰混凝土采用超量取代法配合比設(shè)計后的抗壓強度提高有限，本文中P8 比P7 的180d 強度僅提高4%。P9 將P8 粉煤灰超量部分用S95 礦渣粉替代后，其180d 強度比P7 可提高10.4%。設(shè)計高摻量低品質(zhì)粉煤灰混凝土配合比時，采用超量取代法并將粉煤灰的超量部分用礦渣粉替代，對提高混凝土抗壓強度有利。

表5 不同齡期混凝土的軸心抗壓強度 /MPa

2.2 碳化深度

各組試件不同碳化齡期的碳化深度見表6。

表6 不同碳化齡期混凝土的碳化深度 /mm

2.3 碳化深度分析

(1)粉煤灰品質(zhì)對混凝土碳化深度的影響

P1、P3、P4 組試件主要對比不摻粉煤灰和摻20%II 級、III 級粉煤灰對混凝土碳化深度的影響。從圖1(a)可以看出，摻粉煤灰的混凝土碳化深度略大于普通混凝土，II 級灰與III 級灰混凝土的碳化深度差別不大?？梢姄?0%的粉煤灰不會顯著降低混凝土的抗碳化性能，與文獻［15、16］的結(jié)論吻合。因此，建議適當放寬混凝土中摻加粉煤灰品質(zhì)的個別指標要求，并在對力學性能和抗碳化性能影響不大的情況下，增加低品質(zhì)粉煤灰的利用率。

(2)不同摻量低品質(zhì)粉煤灰對混凝土碳化深度的影響

圖1 粉煤灰品質(zhì)及摻量對混凝土碳化深度的影響

P1、P4、P7、P8 組試件主要對比III 級粉煤灰不同摻量(0、20%、35%、48%)時混凝土的碳化深度。從圖1(b)可以看出，混凝土碳化深度隨著粉煤灰摻量的增加而增加，II 級灰混凝土也存在類似規(guī)律［15－17］。III級粉煤灰48%摻量時，28d 的碳化深度約為普通混凝土的1.43 倍。這主要是由于粉煤灰大量取代水泥后，粉煤灰玻璃體中的活性SiO2、Al2O3反應生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，消耗大量的Ca(OH)2，使堿儲備、液相堿度降低，導致混凝土中碳化中和作用的過程縮短，從而增加其碳化深度。

(3)摻礦渣粉對混凝土碳化深度的影響

P1、P2 組，P3、P5 組，P4、P6 組試件分別對比普通混凝土、II 級灰混凝土、III 級灰混凝土摻40%礦渣粉后抗碳化性能的改變(圖2a、圖2b、圖2c)。可以看出，摻礦渣粉后混凝土抗碳化性能有所改善，普通混凝土、II 級灰混凝土、III 級灰混凝土28d 碳化深度分別降低23.6%、28.0%、9.9%。這主要是由于礦渣粉取代部分水泥后，能降低水泥漿體孔隙率、提高抗?jié)B性、提高漿體的堿儲備，從而提高抗碳化性能。在本文試驗條件下，III 級灰混凝土中摻入礦渣粉后，其抗碳化性能接近于普通混凝土。因此，當混凝土中摻入低品質(zhì)粉煤灰時，可適量復摻礦渣粉以改善其抗碳化性能［18］。

圖2 摻礦渣粉對混凝土碳化深度的影響

(4)配合比設(shè)計方法對低品質(zhì)粉煤灰混凝土碳化深度的影響

P7 組試件采用等量取代法;P8 組試件采用超量取代法，且超量系數(shù)為1.7;P9 組試件將P8 組試件中超量部分粉煤灰用礦渣粉替代，同時相當于P7 配合比采用礦渣粉替代了部分細骨料。不同配合比混凝土碳化深度對比見圖3。

圖3 配合比設(shè)計方法對混凝土碳化深度的影響

由圖3 可知，P8 組試件的碳化深度比P7 組普遍要高，3d、7d、14d 碳化深度分別為P7 的2.1、1.3、1.2倍;隨著碳化齡期的增加，二者的差別逐漸減小，28d時碳化深度接近。P9 組試件碳化深度顯著降低，28d碳化深度僅為P7、P8 的60%左右。在本文試驗條件下，超量法制備的III 級灰混凝土中將超量部分用礦渣粉替代后，其抗碳化性能仍可相當于普通混凝土。且由表5 可知，P7、P8、P9 三種配合比情況下，P9 混凝土的180d 抗壓強度最高。

3 結(jié) 論

(1)普通混凝土中摻入低品質(zhì)粉煤灰后，180d 抗壓強度有所降低，且摻量越高降低越多。

(2)20%摻量下III 級灰與II 級灰混凝土碳化深度差別較小，可適當放寬粉煤灰品質(zhì)的個別指標，增加低品質(zhì)粉煤灰的利用率。

(3)低品質(zhì)粉煤灰摻量越高，越不利于混凝土抗碳化性能。20%摻量時，混凝土抗碳化性能降低不明顯;48%摻量時，混凝土碳化深度顯著增加。在低品質(zhì)粉煤灰混凝土中復摻礦渣粉，可以改善其抗碳化性能。

(4)提出了高摻量低品質(zhì)粉煤灰混凝土復摻礦渣粉以改善碳化性能和強度的配合比設(shè)計方法，有助于提高粉煤灰、礦渣等固體廢棄物的資源化利用率。

［1］GB/T 1596－2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》［S］.［2］GBJ 146－90《粉煤灰混凝土應用技術(shù)規(guī)范》［S］.

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

［4］覃維祖.粉煤灰在混凝土中的應用［J］.粉煤灰綜合利用，2000，(3):1－7.

［5］ASTM C618 Standard Specif cation for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete［S］.

［6］鄧初首.粉煤灰品質(zhì)指標的解讀與灰質(zhì)評價標準的分析［J］.混凝土，2004，(12):16－18.

［7］孔亞寧，謝國帥，徐旭，劉數(shù)華.低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的應用［J］.混凝土，2012，(6):74－76.

［8］張超，曾力，戈雪良.大摻量低品質(zhì)粉煤灰在中高強砼中的作用機理分析［J］.粉煤灰綜合利用，2005，(2):34－35.

［9］林旭健，林鋒挺.大摻量低質(zhì)粉煤灰配制中高強度混凝土［J］.混凝土，2004，(3):29－31.

［10］林旭健，林鋒挺.大摻量低品質(zhì)粉煤灰混凝土簡支梁受彎試驗［J］.福州大學學報，2004，32(2):178－183.

［11］張生營.低品質(zhì)粉煤灰混凝土抗氯離子侵入及鋼筋銹蝕性能研究［D］.福州大學碩士學位論文，2004.

［12］錢覺時，孟志良，張興元.大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究［J］.重慶建筑大學學報，1999，21(1):5－9.

［13］金祖權(quán)，孫偉，張云升，劉志勇.荷載作用下混凝土的碳化深度［J］.建筑材料學報，2005，8(2):179－183.

［14］GB/T 50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》［S］.

［15］徐子芳，宋文國，徐國財.粉煤灰混凝土的碳化性能［J］.粉煤灰綜合利用，2005，(2):17－19.

［16］劉斌.大摻量粉煤灰混凝土的碳化性能［J］.混凝土，2003，(3):45－48.

［17］朱艷芳，王培銘.大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究［J］.建筑材料學報，1999，2(4):319－323.

［18］孫偉，嚴捍東.磨細礦渣微粉提高粉煤灰砂漿抗碳化能力的機理研究［J］.工業(yè)建筑，2003，33(5):53－56.