大掺量粉煤灰混凝土早期强度影响因素研究.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 19 期 2023 年 10 月Vol.54 No.19 Oct.20232328大掺量粉煤灰混凝土早期强度影响因素研究孔凡敏1，陈喜旺1，倪 坤1，杨 柳2，韩 冰2（1.北京建工新型建材有限责任公司，100015，北京；2.北京建工新型建材科技股份有限公司，102600，北京）摘要：大掺量粉煤灰混凝土是通过粉煤灰取代混凝土中的部分水泥，不仅可以改善工作性能，而且能节约成本，在实际工程中也得到了一定的应用。以粉煤灰掺量、砂子细度、养护温度为试验参数，研究不同因素在不同龄期对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度的影响。结果表明：粉煤灰掺量的适量增加（0%40%）能提高混凝土的工作性能，养护温度在前期对大掺量粉煤灰混凝土的强度影响很大，后期减弱，砂子细度（1.82.6）与抗压强度成正比，随着粉煤灰掺量增加，抗压强度降低，大掺量粉煤灰混凝土的前期强度上升慢，后期可上升到使用强度。关键词：粉煤灰掺量；抗压强度；养护温度；砂子细度中图分类号：TU 5 文献标志码：A 文章编号：10004726(2023)19232805STUDY ON INFLUENCING FACTORS OF EARLY STRENGTH OF CONCRETE WITH LARGE FLY ASH CONTENTKONG Fan-min1,CHEN Xi-wang1,NI Kun1,YANG Liu2,HAN Bing2(1.BCEG Advanced Construction Materials Co.,Ltd.,100015,Beijing,China;2.Beijing Construction Engineering New Building Materials Technology Co.,Ltd.,102600,Beijing,China)Abstract:In concrete with large fly ash content,fly ash is used to replace some cement,which can not only improve the workability but also can reduce costs.This has been applied in some actual projects.With the fly ash content,sand fineness and curing temperature as test parameters,the influence of different factors on the compressive strength of concrete with large fly ash content at different ages was studied.Results showed:An appropriate increase of fly ash content(0%40%)can improve the workability of concrete.The curing temperature has great impact on the strength of concrete with large fly ash content in the early stage,but the impact weakens in the later stage.The sand fineness(1.82.6)is proportional to the compressive strength,which can improve the workability in the later stage.Keywords:fly ash content;compressive strength;curing temperature;sand fineness粉煤灰是燃煤火力发电厂排出的主要固体废物，且随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，已经成为我国当前排量较大的工业废渣之 一。2 000 年我国粉煤灰排放量约 1.5 亿 t，2010 年达到 3 亿 t，2022 年达到 5.07 亿 t，而粉煤灰利用率仅在 60%左右1。粉煤灰利用不足导致大量粉煤灰成为工业废料，如何处理和利用粉煤灰已成为研究热点。大掺量粉煤灰混凝土通过粉煤灰取代混凝土中的部分水泥，能够减少环境污染，节约成本，且可以减少用水量、改善工作性能。大掺量粉煤灰混凝土的使用可有效提高粉煤灰的使用率，研究大掺量粉煤灰混凝土对于粉煤灰废料处理具有重要的意义。目前，对大掺量粉煤灰混凝土使用性能已经开展了大量的研究工作。杨忠波等2研究养护方式对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度的影响，发现不同养护条件下，粉煤灰混凝土的后期抗压强度随着粉煤灰掺量的增长而降低；金明山等3通过 50%、70%两组掺量在养护 3 d、7 d 和 14 d 的早期强度的试验，分析了大掺量粉煤灰混凝土早期抗压强度变化规律；杜森4针对大掺量粉煤灰混凝土早期强度低和抗冻性不佳的缺点进行了深入研究，从大掺量粉煤灰混凝土中粉煤灰的水化特性及混凝土抗冻性的改性机理层面探讨了混凝土抗冻性提升的措施。本研究以粉煤灰掺量、砂子细度、养护温度为试验参数，研究不同因素在不同龄期对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度的影响规律，同时探究粉煤灰掺量对混凝土工作性能的影响。1 试验材料及方法1.1 试验材料水泥采用某公司生产的 PO 42.5 普通硅酸盐收稿日期：20230625作者简介：孔凡敏（1976），女，河北承德人，高级工程师，e-mail:.2023 年 10 月2329水 泥，初 凝 时 间 165 min，终 凝 时 间 254 min，标准稠度用水量（P）27.5%，安定性合格，3 d 抗压强度 27.2 MPa，抗折强度 6.3 MPa，28 d 抗压强度47.5 MPa，抗折强度 8.7 MPa。粉煤灰采用某公司生产的 II 级粉煤灰，细度（45 m 筛筛余）17.1%，需水量比 97%，烧失量 4.12%。砂子采用机制砂，细度模数分别为 1.8、2.2、2.6，石粉含量 2.1%，压碎值 6.8%，亚甲蓝 MB 值 0.85%。粗骨料采用公称粒径 525 mm 的碎石，含泥量 0.2%，压碎值 7.6%。1.2 试验设计本次试验以粉煤灰掺量、砂子细度、养护温度为变量因素，每个因素选取 3 个水平（表 1），采用正交试验设计方法，有 9 组试验组合，加 1 组对照实验组（粉煤灰掺量为 0，砂子细度为 1.8，常温 20 养护条件），共 10 组试验组合，见表 2。表 1 正交试验设计各因素的水平取值变量水平粉煤灰掺量（因素 A）/%204060砂子细度（因素 B）1.82.22.6养护温度（因素 C）/205080表 2 正交试验组合序号组合粉煤灰掺量/%砂子细度养护温度/1A1B1C1201.8202A3B2C1602.2203A2B3C1402.6204A2B1C2401.8505A1B2C2202.2506A3B3C2602.6507A3B1C3601.8808A2B2C3402.2809A1B3C3202.68010对照组01.820 注：试块养护是指试块在水温为特定温度的条件下，养护 8 h 后转标准养护至规定龄期的养护模式。1.3 配合比设计根据正交试验设计，加 1 组对照组，本实验共有10 组不同试验组合，砂子采用细度模数 1.8、2.2、2.6 这 3 种，粉煤灰分别以 20%、40%、60%的掺量替代水泥，其他材料在试验中保持不变，配合比 见表 3。表 3 各试验组的配合比 kg/m3序号粉煤灰掺量/%砂子细度水泥粉煤灰砂子碎石水减水剂养护温度/1201.8291737961 0551605.50202401.82181467961 0551605.10503601.81462187961 0551605.25804202.2291737961 0551605.20505402.22181467961 0551604.82806602.21462187961 0551605.00207202.6291737961 0551605.05808402.62181467961 0551604.72209602.61462187961 0551604.90501001.836407961 0551605.60201.4 试验内容1.4.1 坍落度试验新拌混凝土的坍落度试验用于评估所有混凝土混合料的工作性能，操作程序按 GB/T 500802016普通混凝土拌合物性能试验方法标准进行，混凝土坍落度试验如图 1 所示。图 1 混凝土坍落度试验1.4.2 抗压强度试验根 据 GB/T 500812019 混 凝 土 物 理 力 学 性能试验方法标准进行抗压强度试验，试验采用100 mm100 mm100 mm 的混凝土立方体试块，本次养护龄期为 1 d、3 d、7 d、28 d，每组试验制作 3个试件，混凝土试件在万能试验机上进行试验，如图2 所示。图 2 混凝土试件制备孔凡敏，等：大掺量粉煤灰混凝土早期强度影响因素研究建 筑 技 术第 54 卷第 19 期23302 结果分析与讨论2.1 工作性能分析通过 10 组试验，测试了每组混凝土的坍落度，结果见表 4。表 4 坍落度试验结果序号粉煤灰掺量砂子细度坍落度/mm120%1.8195260%2.2212340%2.6225440%1.8204520%2.2210660%2.6215760%1.8195840%2.2216920%2.6216对照组01.8190k1207198k2215213k3206218R920从表 4 中的 k 值以及对照组试验结果可以发现，粉煤灰掺量的适量增加（0%40%）能提高混凝土的工作性能，但是当掺量过高（60%），反而会降低混凝土的工作性能，这是因为在混凝土中加入适量粉煤灰，可以起到滚珠效应，释放被水泥包裹的游离 水，降低浆体粘度，使混凝土浆体流变性提高，但当粉煤灰用量进一步提高，由于粉煤灰比表面积大于水泥，需要更多的水分包裹，从而需要更多的水，降低混凝土的工作性能。从表 4 中 R 值可以发现，混凝土中砂子细度对工作性能影响比粉煤灰掺量影响更大，因为砂子细度模数越大，比表面积越小，用水量就越少。在用水量一定的情况下，砂子细度增大，导致混凝土用水量降低，使混凝土的和易性提高。2.2 抗压强度影响分析养护龄期1 d的混凝土抗压强度试验结果见表5。从表 5 中的 k 值可以看出，在 1 d 龄期时，粉煤灰掺量的增加，反而使抗压强度减小，随着砂子细度的增大，抗压强度也增大，养护温度越高，抗压强度越高。通过表中的 R 值发现，3 个因素对抗压强度的影响作用：养护温度 粉煤灰掺量 砂子细度。表 5 1 d 抗压强度试验结果序号粉煤灰掺量砂子细度养护温度1d/MPa120%1.820 15.30260%2.220 10.54340%2.620 14.16440%1.850 22.04520%2.250 33.04660%2.650 20.05760%1.880 35.06840%2.280 38.48920%2.680 46.65对照组0%1.820 16.47k131.6624.1313.33k224.8926.4125.04k321.8826.9440.06R9.782.8126.73在 1 d 养护龄期时，养护温度对抗压强度的影响占主导作用，养护温度的增高，使试验构件能够快速上升强度，20 常温养护条件下，试件强度正常增长，只能达到 40%左右，50 水浴养护条件下，强度可达到 55%以上，80 水浴养护条件下，强度达到了90%以上。粉煤灰掺量在 1 d 龄期时对强度影响也很大，相比对照组结果，粉煤灰掺量增大时，抗压强度都呈现减小的趋势，同时发现 20%掺量与 0%掺量的强度接近。前期粉煤灰掺量大，混凝土水化反应较慢，强度增长也慢。掺量越大，这种影响越大。砂子细度在 1 d 龄期时对强度影响很小，细度越大，强度越高。表 6 是养护龄期 3 d 的混凝土抗压强度试验结果。从表 6 中的 k 值可以看出，粉煤灰掺量、砂子细度、养护温度对抗压强度的影响规律与 1 d 龄期一致，通过表 6 中的 R 值发现，3 个因素对抗压强度的影响作用：养护温度 粉煤灰掺量 砂子细度，但影响程度在发生变化。在 3 d 养护龄期时，养护温度对抗压强度的影响仍占主导作用，对于养护 80 的3 组试件，强度几乎不再上升；对于养护 50 的试 件，强度增加至 65%左右；常温养护 20 的试件，强度稳步上升。粉煤灰掺量对强度的影响作用依然很大，强度随着掺量增大而减小，混凝土前期的水化反应相比 1 d 龄期时在逐渐增长，通过对照组试验发 现，掺量 20%的强度上升很快，几乎接近 0%掺量。砂子细度在 3 d 龄期时影响仍然很小，抗压强度随着 2023 年 10 月2331孔凡敏，等：大掺量粉煤灰混凝土早期强度影响因素研究细度的增大而提高。表 6 3 d 抗压强度试验结果组粉煤灰掺量砂子细度养护温度3d/MPa120%1.820 19.76260%2.220 13.26340%2.620 18.53440%1.850 25.56520%2.250 35.51660%2.650 22.24760%1.880 35.34840%2.280 38.86920%2.680 46.41对照组0%1.820 20.03k133.8926.8917.18k227.6528.2127.77k323.6129.1640.2R10.282.2723.02养护龄期7 d的混凝土抗压强度试验结果见表7。从表 7 中的 k 值以及对照组数据可以看出，粉煤灰掺量增加时，抗压强度降低，粉煤灰掺量对抗压强度的影响在降低，经过 7 d 龄期的养护，前期的水化反应已经加快，抗压强度在快速提升，特别是第 2 组试件，前期掺量高，养护温度低，强度上升很慢，这时也已经达到60%以上。砂子细度的影响规律没发生变化，但是通过 R 值发现对抗压强度的影响变大了，细度为 2.2 和 2.6 的较 1.8 的砂子强度高。养护温度的影响此时仍然很大,但相比 1 d 龄期时降低很多，此时养护80 的试件，强度达到100%，养护50 的试件，强度增加至 80%以上，常温养护 20 的试件，强度也达到了 70%。28 d 龄期混凝土强压强度试验结果见表 8，通过K 值和对照组数据，发现在 28 d 龄期时抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而降低，20%的掺量时已非常接近 0%掺量的混凝土，砂子细度越大，抗压强度越大，温度对抗压强度影响几乎很小。通过图 3 发现，粉煤灰掺量因素对抗压强度的影响作用在前期大于后期，前期粉煤灰影响水化反应，后期粉煤灰促进二次水化反应，大掺量粉煤灰混凝土强度也快速上升；砂子细度的影响随龄期波动，整体影响程度接近；养护温度的影响在1 d龄期最小，随着龄期增加，影响不断减小，在28 d的影响几乎 很小。表 7 7 d 抗压强度试验结果组粉煤灰掺量砂子细度养护温度7 d/MPa120%1.820 28.96260%2.220 20.33340%2.620 24.28440%1.850 28.98520%2.250 39.03660%2.650 26.9760%1.880 35.86840%2.280 39.04920%2.680 46.88对照组0%1.820 29.42k138.0127.8723.67k230.7732.2231.63k328.1232.6840.2R9.894.8116.53表 8 28 d 抗压强度试验结果组粉煤灰掺量砂子细度养护温度28 d/MPa120%1.820 40.18260%2.220 36.63340%2.620 40.24440%1.850 38.06520%2.250 45.88660%2.650 37.12760%1.880 36.75840%2.280 39.83920%2.680 46.96对照组0%1.820 41.05k144.3438.7338.68k239.3839.4440.35k335.8341.4441.18R8.512.712.53025201510501 4 7 10 13 16 19 22 25 28粉煤灰掺量 砂子细度 养护温度龄期/dR 值图 3 不同因素在不同龄期的 R 值建 筑 技 术第 54 卷第 19 期2332图 4 是 28 d 龄期时不同粉煤灰和不同砂子细度的抗压强度对比，结合对照组试验结果可以看出，粉煤灰掺量在 0%20%时抗压强度相近，当掺量为20%60%时，抗压强度降低，特别是第 2 组数据，当60%掺量粉煤灰且养护温度为20 时，抗压强度前期很低，在1d龄期10 MPa左右，常温养护28 d，强度可达到使用要求的30 MPa以上，但依然低于高温养护的试件。50454035302520 40 60 砂子细度 1.8 砂子细度 2.2 砂子细度 2.6粉煤灰掺量/%抗压强度/MPa图 4 28 d 不同粉煤灰掺量抗压强度试验结果说明，粉煤灰掺量的适量增高，不仅可以提高工作性能，还能保持抗压强度，掺量增加到40%时，还可以进一步提高工作性能。虽然强度有所下降，但仍然能达到使用标准。粉煤灰掺入过多，其总表面积将大于浆体所能湿润的面积，细灰反而会聚成一团，不能分散到水泥浆体中，导致强度降低。砂子细度提高，抗压强度增大，细度模数为由 2.2 提高至 2.6 时，抗压强度提高幅度很小，说明砂子细度对抗压强度的影响也会呈现先增大后降低的规律；当砂子细度再增加，抗压强度会出现降低的现象。前期养护温度对试件的强度影响明显，帮助混凝土前期快速提高强度，龄期越长，养护温度的影响逐渐减小，对于大掺量粉煤灰混凝土的强度影响很大，前期能够很好地帮助大掺量粉煤灰上升强度，甚至影响后期的强度提升。3 工程应用大掺量粉煤灰混凝土已被应用在很多实际工程中，目前预制构件厂也逐渐开始使用，当混凝土中掺入适量粉煤灰时，不仅可以提高性能，还可以保持后期的抗压强度，节约成本，保护环境。大掺量粉煤灰混凝土的使用可为预制构件的发展提供新思路。4 结论大掺量粉煤灰混凝土通过掺加粉煤灰替代部分水泥，能显著降低成本，且可减少用水量、改善工作性能，有效降低混凝土的水化热。通过 9 组正交试验和 1 组对照实验，研究粉煤灰掺量、砂子细度、养护温度在不同龄期对抗压强度的影响规律，得到以下结论。（1）粉煤灰掺量的适量增加（0%40%）能提高混凝土的工作性能，但掺量过高（60%）时，反而会降低混凝土的工作性能。（2）通过正交试验的 k 值，发现粉煤灰掺量的增加，抗压强度减小，随着砂子细度的增大，抗压强度也增大，养护温度越高，抗压强度越高。通过 R值可以看出 3 个因素在对 3 d 和 7 d 抗压强度发展的影响作用：养护温度 粉煤灰掺量 砂子细度，在28 d 抗压强度发展的影响：粉煤灰掺量 砂子细度 养护温度。（3）通过对照组试验，发现粉煤灰掺量增加时，抗压强度降低，大掺量粉煤灰混凝土的前期强度上升慢，后期可上升到使用强度。（4）养护温度在前期对大掺量粉煤灰混凝土的抗压强度影响很大，水浴 80 养护 1 d 时强度可以达到 90%以上，虽然后期影响较小，但对于粉煤灰掺量过高且前期温度低的试件，后期强度也不能上升到100%。参考文献1 姜龙 燃煤电厂粉煤灰综合利用现状及发展建议J.洁净煤技术，2020,26(4):31392 杨忠波,黄森乐,姚冀恺,等.养护方式对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度的影响 J.实用技术,2022,396(8):151155.3 金明山,宋杨,孙剑飞,等.大掺量粉煤灰混凝土早期抗压强度变化规律 J.水利科技与经济,2022,28(8):109114.4 杜森.大掺量粉煤灰混凝土的水化特性及性能提升机制研究 D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.山东省住房和城乡建设厅关于发布山东省既有建筑改造工程消防设计审查验收技术指南的 通知为进一步完善既有建筑消防改造利用技术依据，保障既有建筑改造工程消防质量安全，助力山东省城市更新建设。山东省住房和城乡建设厅组织有关单位和专家编制了山东省既有建筑改造工程消防设计审查验收技术指南，已经专家审查通过，自印发之日起施行。该指南由山东省住房和城乡建设厅负责管理，同圆设计集团股份有限公司、山东省建设工程消防技术服务中心负责具体技术内容的解释。（内容来源：山东省住房和城乡建设厅网站）