摘要：為開展粉煤灰替代水泥比例對(duì)混凝土性能影響的系統(tǒng)性研究，分析了粉煤灰替代水泥對(duì)砂漿混凝土保水率、稠度、坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響，揭示了粉煤灰在提升混凝土性能方面的作用機(jī)制，明晰了其水化與硬化機(jī)理。當(dāng)粉煤灰對(duì)水泥替代率從0%提升至30%過(guò)程中，保水率下降，稠度和坍落度先升后降，抗壓強(qiáng)度下降，粉煤灰替代率為20%時(shí)，混凝土料漿流動(dòng)性最優(yōu)。粉煤灰具有火山灰活性，可與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成C—S—H和C—A—S—H凝膠，因而混凝土養(yǎng)護(hù)后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度快于早期強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；水泥；替代率；混凝土

中圖分類號(hào)：TQ172.71+5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）01-0071-04

Study on the effect of fly ash mixing on the properties of mortar concrete and its hardening mechanism

ZHU Xing1，JIANG Rongbin1，XIAO Leping1，LI Cunqian2

（1.Taizhou Polytechnic College，Taizhou 225300，Jiangsu China；

2.Zhengtai Group Co.，Ltd.，Taizhou 225300，Jiangsu China）

Abstract：In order to carry out a systematic study on the effect of fly ash instead of cement on the performance of concrete，the effects of fly ash instead of cement on the water retention rate，consistency，slump and compressive strength of mortar concrete were analyzed，the mechanism of fly ash in improving the performance of concrete was revealed，and the hydration and hardening mechanism of fly ash was clarified.When the substitution rate of fly ash for cement increased from 0%to 30%，the water retention decreased，consistency and slump initially increased then decreased，and compressive strength decreased.When the replacement rate of fly ash was 20%，the fluidity of the concrete paste was optimal.Fly ash haspozzolanic activity and can undergo secondary hydration reactions with ce?ment hydration products，forming C—S—H and C—A—S—H gels，so the strength growth rate of concrete in the lat?er stages of curing is faster than that in the early stages.

Key words：fly ash；cement；replacement rate；concrete

水泥是現(xiàn)代建筑業(yè)中使用最廣泛的材料之一，但其生產(chǎn)過(guò)程碳排放量極大，研究如何減少水泥使用量并提高建筑材料的環(huán)境友好性與經(jīng)濟(jì)效益已成為當(dāng)代建材領(lǐng)域的重要任務(wù)[1]。粉煤灰因其良好的物理性能和化學(xué)活性，被視為減少水泥使用、提高混凝土性能的重要摻合料[2]。盡管粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用已有諸多研究，但關(guān)于其替代水泥比例對(duì)混凝土性能影響的系統(tǒng)性研究仍有待深化[3]。不同替代比例下，粉煤灰對(duì)混凝土保水性、工作性能以及最終的抗壓強(qiáng)度等方面的影響規(guī)律及其機(jī)理尚不完全明確。粉煤灰的化學(xué)活性及與水泥之間的相互作用對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，以及這種影響如何轉(zhuǎn)化為宏觀性能的改善，也是需要深入探討的問(wèn)題[4]?；诖耍接懖煌勖夯姨娲啾壤龑?duì)砂漿混凝土保水性、稠度、坍落度及抗壓強(qiáng)度等性能影響，揭示粉煤灰改善混凝土性能的硬化機(jī)理，為粉煤灰在水泥砂漿混凝土中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

水泥：本研究使用產(chǎn)自安徽海螺水泥有限公司的標(biāo)號(hào)為P·O 42.5的硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1所示。

粉煤灰：本研究使用產(chǎn)自匯豐新材料有限公司的粉煤灰，其化學(xué)成分如表2所示。

河砂：本研究使用產(chǎn)自某河流的河砂作為骨料，實(shí)驗(yàn)前需將河砂在溫度為（100±5）℃的烘干箱內(nèi)烘干24 h，并將烘干后的河砂過(guò)2.5 mm細(xì)篩，最終得到可用于實(shí)驗(yàn)的河砂。

減水劑：本研究使用產(chǎn)自山西飛科新材料科技有限公司的聚羧酸高性能減水劑作為外加劑，減水率為20%。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

為探究不同粉煤灰對(duì)水泥替代率對(duì)混凝土保水率、稠度、坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響，本研究設(shè)計(jì)了混凝土配合比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)流程參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，用于測(cè)定抗壓強(qiáng)度的模具為70 mm×70 mm×70 mm的立方體模具[5-6]?；谇捌诖罅繉?shí)驗(yàn)，確定原料質(zhì)量比為水∶水泥∶河砂∶粉煤灰∶減水劑=0.28∶1∶0.978∶1.816∶0.008 4。基于上述基準(zhǔn)配比，將粉煤灰分別以10%、20%、30%和40%的比例替代水泥。將所有原料按照配合比攪拌均勻測(cè)定保水率、稠度和坍落度，然后澆筑試模并在室溫條件下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模養(yǎng)護(hù)至3、7和28 d，最后使用WDW-2000自動(dòng)壓力測(cè)試機(jī)測(cè)定其抗壓強(qiáng)度。其中基準(zhǔn)配比試件（粉煤灰對(duì)水泥的替代率為0%）標(biāo)記為N0，粉煤灰分別以5%、10%、15%、20%、25%和30%的比例替代水泥對(duì)應(yīng)的試件分別標(biāo)記為N1～N6。

2不同粉煤灰替代率對(duì)水泥砂漿混凝土性能的影響

2.1保水率

粉煤灰替代率對(duì)水泥砂漿混凝土的保水率影響見圖1。

由圖1可知，不同粉煤灰替代率對(duì)應(yīng)的混凝土保水率為83.7%～87.5%。當(dāng)粉煤灰替代率為0%時(shí)，混凝土保水率為83.7%。當(dāng)粉煤灰對(duì)水泥的替代率從0%逐步提升至30%時(shí)，保水率逐漸上升至87.5%。這是因?yàn)榕c水泥顆粒相比，粉煤灰顆粒細(xì)度低，顆粒間距小，在“毛細(xì)管”作用下使粉煤灰能夠吸附更多水，極大降低了混凝土中水的流失，因此水泥砂漿混凝土的保水率隨粉煤灰對(duì)水泥替代率的增加而增加?；炷恋谋Ｋ侍嵘欣诂F(xiàn)場(chǎng)施工，能夠極大減少砂漿混凝土施工完成后產(chǎn)生的開裂、脫落等問(wèn)題，因此粉煤灰的添加有助于提升水泥砂漿混凝土的工作性能[7]。

2.2稠度

粉煤灰替代率對(duì)水泥砂漿混凝土稠度的影響見圖2。

由圖2可知，所有配合比對(duì)應(yīng)的料漿稠度均為（100±10）mm，符合水泥砂漿混凝土工程應(yīng)用要求。當(dāng)粉煤灰替代率為0%時(shí)，混凝土料漿稠度為95.2 mm。當(dāng)粉煤灰對(duì)水泥的替代率從0%逐步提升至30%時(shí)，稠度呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢(shì)。粉煤灰對(duì)水泥的替代率為20%時(shí)，混凝土稠度達(dá)到最大值108.3 mm。原因可從兩方面解釋：一方面，當(dāng)粉煤灰替代率低于20%時(shí)，由于粉煤灰顆粒小于水泥顆粒，且較為圓潤(rùn)，微觀顆粒棱角較少，在料漿中可充分發(fā)揮“滾珠作用”，提升了水泥砂漿混凝土的稠度；另一方面，當(dāng)粉煤灰替代率超過(guò)20%時(shí)，由于粉煤灰顆粒對(duì)水具有較強(qiáng)的吸附能力，粉煤灰的加入吸附了料漿中的水，同時(shí)有效填充了各種原料顆粒間的空隙，發(fā)揮了粉煤灰的“填隙效應(yīng)”，降低了水泥砂漿混凝土的稠度[8-10]。

2.3坍落度

粉煤灰替代率對(duì)水泥砂漿混凝土坍落度的影響見圖3。

由圖3可知，所有配合比對(duì)應(yīng)的料漿坍落度范圍在194.2～237.8 mm之間，符合水泥砂漿混凝土工程應(yīng)用要求。當(dāng)粉煤灰替代率為0%時(shí)，混凝土料漿坍落度為192.6 mm。當(dāng)粉煤灰對(duì)水泥的替代率從0%逐步提升至30%時(shí)，坍落度呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢(shì)。粉煤灰對(duì)水泥的替代率為20%時(shí)，坍落度達(dá)到最大值216.3 mm。這是因?yàn)楫?dāng)粉煤灰替代率低于20%時(shí)，在粉煤灰顆粒的“滾珠作用”下，料漿流動(dòng)性提升，坍落度隨粉煤灰替代率同步提升；當(dāng)粉煤灰替代率超過(guò)20%時(shí)，在粉煤灰顆粒吸水作用下，料漿流動(dòng)性變差，坍落度隨粉煤灰替代率的提升而下降[11-12]。結(jié)合2.2節(jié)可知，當(dāng)粉煤灰對(duì)水泥的替代率為20%時(shí)，料漿流動(dòng)性達(dá)到最優(yōu)。

2.4抗壓強(qiáng)度

粉煤灰替代率對(duì)水泥砂漿混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖4。

由圖4可知，所有配合比條件下試件的3 d抗壓強(qiáng)度為19.4～31.2 MPa，7 d抗壓強(qiáng)度為25.2～35.9 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為38.8～52.3 MPa，符合水泥砂漿混凝土工程應(yīng)用要求。不同粉煤灰替代率條件下水泥砂漿混凝土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，且早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較慢，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期從7d增加至28 d時(shí)，增長(zhǎng)速度最快。這是由于在養(yǎng)護(hù)早期，粉煤灰對(duì)水泥的替代直接減少了水化原料，混凝土中水化產(chǎn)物數(shù)量減少，減緩了混凝土早期強(qiáng)度形成的速度；到了養(yǎng)護(hù)后期，粉煤灰自身具有的“火山灰效應(yīng)”可使其與水泥發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成水化硅酸鈣（C—S—H）凝膠，有效填充混凝土內(nèi)部空隙，形成較為穩(wěn)定的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，加速了混凝土在養(yǎng)護(hù)后期的強(qiáng)度形成[13-14]。

因此，當(dāng)粉煤灰對(duì)水泥替代率為20%時(shí)，水泥砂漿混凝土具有最優(yōu)工作性能。

3粉煤灰替代水泥條件下砂漿混凝土的硬化機(jī)理

在混凝土料漿拌和的初期，粉煤灰通過(guò)其細(xì)小的顆粒填充水泥砂漿中的空隙，提高混凝土的密實(shí)度，此時(shí)粉煤灰的化學(xué)活性較低，主要發(fā)揮物理填充作用。隨著混凝土水化過(guò)程的進(jìn)行，水泥水化生成了Ca（OH）2，提升了料漿溶液體系pH值，激發(fā)了粉煤灰的化學(xué)活性。在堿性條件下，粉煤灰中的活性SiO2和Al2O3與水泥水化生成的Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成C—S—H凝膠和水化硅鋁酸鈣（C—A—S—H），上述二次水化產(chǎn)物具有良好的膠結(jié)性能，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和耐久性[15]。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，粉煤灰中活性組分繼續(xù)與Ca（OH）2反應(yīng)生成更多的C—S—H和C—A—S—H，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)。同時(shí)，粉煤灰的加入減緩了水泥水化速率，有利于水泥砂漿內(nèi)部水化反應(yīng)的充分進(jìn)行，有利于混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度的形成?？傊勖夯业奶砑涌筛纳苹炷恋奈锢硇阅?，還通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成的二次水化產(chǎn)物提高混凝土的結(jié)構(gòu)性能和耐久性。

4結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)粉煤灰對(duì)水泥的替代率從0%增長(zhǎng)至30%時(shí)，水泥砂漿混凝土的保水率逐漸上升，稠度和坍落度先升后降，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)粉煤灰對(duì)水泥的替代率為20%時(shí)，稠度和坍落度達(dá)到最大，此時(shí)料漿流動(dòng)性達(dá)到最優(yōu)；

（2）粉煤灰由于其具有“火山灰效應(yīng)”，在堿性條件下，粉煤灰中活性成分可與水泥水化生成的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，形成C—S—H和C—A—S—H凝膠，使水泥砂漿混凝土后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速率快于早期；

（3）粉煤灰的加入可從物理填充和化學(xué)活性兩方面改善水泥砂漿混凝土的工作性能，當(dāng)粉煤灰對(duì)水泥的替代率為20%時(shí)，水泥砂漿混凝土具有最優(yōu)工作性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳鴻飛.粉煤灰替代硅酸鹽熟料對(duì)水泥物理性能的影響[J].江西建材，2023（2）：37-39.

[2]王茜，馮紅春，周凱.資源化利用粉煤灰的混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型[J].礦產(chǎn)綜合利用，2024，45（4）：195-202.

[3]孔凡敏，陳喜旺，倪坤，等.大摻量粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度影響因素研究[J].建筑技術(shù)，2023，54（19）：2328-2332

[4]袁茂林.凍融循環(huán)條件下路面粉煤灰混凝土損傷檢測(cè)研究[J].粉煤灰綜合利用，2023，37（4）：74-79.

[5]鄭立文，李智，趙亮，等.新型漿錨連接方鋼管混凝土拼接柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)（中英文），2025，47（01）：152-166.

[6]黃偉，黃雅瑩，陳雪莉，等.超高性能混凝土-石材界面粘接性能試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2024，43（2）：397-406.

[7]時(shí)雅倩，關(guān)渝珊，葛偉哲，等.粉煤灰建材化增值利用：最新技術(shù)與未來(lái)展望[J].煤炭學(xué)報(bào)，2024，49（6）：2860-2875.

[8]張春龍.綠色高性能混凝土材料研究[J].居舍，2023，（13）：66-68.

[9]王楊凱，柴麗娟，劉占超，等.早強(qiáng)型水下不分散水泥基復(fù)合材料的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].功能材料，2023，54（12）：12206-12213.

[10]溫宏平，宋鵬飛，汪愿，等.凝灰?guī)r機(jī)制砂混凝土工作性的流變學(xué)分析[J].硅酸鹽通報(bào)，2024，43（1）：71-83.

[11]陳海旭，科技成果.粉煤灰品質(zhì)及摻量對(duì)水工混凝土耐久性的影響研究[J].黑龍江水利科技，2023，51（9）：1-4.

[12]吳兆鋒，畢琛琛.超細(xì)粉煤灰水泥復(fù)合材料的基本性能試驗(yàn)研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2023（7）：68-70.

[13]劉錦程，胡焱博.礦物摻合料對(duì)大直徑樁環(huán)形護(hù)壁材料強(qiáng)度的影響[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（S2）：1437-1442.

[14]王晨，張瑞，葛文杰，等.經(jīng)濟(jì)環(huán)保型超高性能混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)，2024，55（1）：102-107.

[15]馬東，王成生，周建國(guó)，等.粉煤灰摻量對(duì)HDCC力學(xué)及收縮性能的試驗(yàn)研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，40（4）：60-66.

（責(zé)任編輯：蘇幔，平海）