超细粉煤灰水泥复合材料的基本性能试验研究

吴兆锋 毕琛琛

（1.山东高速工程检测有限公司，山东 济南 250000；
2.广信检测认证集团有限公司，山东 济南 250000）

随着工业化的快速发展，特别是在发展中国家，基础设施建设的规模越来越大，混凝土是现代建筑工程中使用最广泛的材料之一。从提高熟料效率的角度来看，更细的超细熟料可以实现更密实的颗粒填充，并提高掺合料的反应活性，制备结构更密实、综合性能更佳的粉煤灰水泥复合材料。该文研究了细粉煤灰和超细粉煤灰部分替代水泥制备的砂浆和粉煤灰混凝土，探索细粉煤灰、超细粉煤灰作为水泥替代物的最优替代率，研究其对砂浆、混凝土等水泥复合材料和易性、力学性能和耐久性能的影响。

1.1 试验原材料

该研究使用P·O42.5R 普通硅酸盐水泥和P·S·A 42.5 级矿渣水泥，密度分别为2977kg/m3和2996kg/m3。普通硅酸盐水泥CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和SO3分别占比65.4%、16.2%、3.8%、3.1%和4.8%，高炉矿渣水泥CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和SO3分别占比56.5%、23.1%、6.4%、1.8%和4.6%。试验采用了2种类型的粉煤灰，即粒径小于9.3mm 的细粉煤灰和粒径小于4.6mm 的超细粉煤灰，密度分别为2542kg/m3和2518kg/m3，具体化学成分和燃烧损失量见表1。采用的天然河砂堆积密度为1638kg/m3，细度模数为2.5。粗骨料最大粒径为35mm，细度模数为6.2。减水剂为PCE 型聚羧酸醚高效减水剂。

表1 细粉煤灰和超细粉煤灰的化学成分和燃烧损失量

1.2 试件制备

该试验使用2 种水泥和5 种不同粉煤灰替代水平（0%、10%、20%、30%和50%）的细粉煤灰F1 和超细粉煤灰F2 进行了水泥砂浆的制备。水泥、砂和水之间的比例为2 ∶6 ∶1。水泥砂浆的和易性根据小型流动台确定，按GB/T 2419—2016测定水泥砂浆的流动度。制备尺寸为160mm×40mm×40mm 的棱柱体砂浆试件，将脱模后的棱柱体试件置于（20±2）℃的水中5d。硬化后，砂浆棱柱试件采用抗压强度试验机进行7d和28d 龄期的抗压强度试验。

粉煤灰混凝土配合比以JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》为依据，配合比设计应达到混凝土所需的和易性，以防止离析并便于浇筑。该试验中共制备了8 种不同配合比的粉煤灰混凝土，设置了一组未掺粉煤灰的对照组混凝土（S1），10%细粉煤灰、20%超细粉煤灰以及10%细粉煤灰+10%超细粉煤灰复掺的3 种不同水泥替代率的混凝土配合比见表2。制备尺寸为100mm×100mm×100m 以及高为200mm、直径100mm的粉煤灰混凝土试件，测试其机力学性能和耐久性。

表2 粉煤灰混凝土试件配合比（单位：kg/m3）

2.1 砂浆和易性

坍落度试验结果表明，细粉煤灰或超细粉煤灰替代率越高，2 种水泥类型制备的砂浆和易性越好，流动坍落度也越大，如图1 所示。

图1 砂浆坍落度

细粉煤灰和超细粉煤灰的替代率增加均对流动性有积极影响，这可以在制备混凝土时减少减水剂的用量，对混凝土的强度和耐久性具有有利影响。超细粉煤灰具有较高细度，在掺量较小的情况下可显著增加砂浆的坍落度。当超细粉煤灰替代率为10%时，硅酸盐水泥砂浆的坍落度增加了33.3%，矿渣水泥砂浆的坍落度增加了23.8%。细粉煤灰在掺量较小的情况下对水泥浆体的坍落度增加效果没有超细粉煤灰显著，但在掺量为50%的情况下，细粉煤灰和超细粉煤灰均有效改善了水泥浆体的和易性，比未掺粉煤灰的硅酸盐水泥和矿渣水泥浆体的坍落度增加约0.88~2.96 倍。分析其原因，粉煤灰颗粒多为表面光滑的球形颗粒，起到了滚珠轴承的作用，可减少水泥颗粒之间的摩擦，从而改善粉煤灰水泥浆体的流动性[1]。

2.2 砂浆力学性能

砂浆7d 和28d 的抗压强度试验结果如图2 所示。

图2 砂浆抗压强度

与细粉煤灰相比，7d 龄期的超细粉煤灰水泥砂浆的抗压强度并无明显差异，但硅酸盐水泥的7d 抗压强度整体比矿渣水泥抗压强度高。当粉煤灰掺量为10%时，硅酸盐水泥的7d 抗压强度比矿渣水泥的抗压强度高出近20MPa，硅酸盐水泥砂浆混合物在早期达到更高的抗压强度。在28d 龄期情况下，超细粉煤灰替代硅酸盐水泥显示出最佳的抗压性能，当超细粉煤灰掺量为10%时，硅酸盐水泥砂浆的28d抗压强度高达77.4MPa，这表明超细粉煤灰比细粉煤灰对砂浆抗压强度的提升效果更明显。与硅酸盐水泥相比，矿渣水泥砂浆显示出相似但略有不同的28d 抗压强度变化规律。与未掺粉煤灰的矿渣水泥砂浆相比，掺入10%细粉煤灰和超细粉煤灰的矿渣水泥砂浆的28d 抗压强度分别提高了4.8%和11.7%，与掺入30%细粉煤灰和超细粉煤灰的矿渣水泥砂浆的28d 抗压强度几乎相等。粉煤灰细度的影响并不显著。综合分析，掺10%粉煤灰的砂浆显示出最高的抗压强度，可达到75MPa 以上。当掺量高于20%的粉煤灰代替水泥反而会降低砂浆试样的抗压强度。只考虑抗压强度的情况下，粉煤灰水泥的最佳替代水平在10%，超细粉煤灰比细粉煤灰能获得更高的力学强度。

2.3 混凝土和易性

粉煤灰混凝土的坍落度试验结果如图3 所示。

图3 混凝土坍落度

硅酸盐水泥和矿渣水泥的混凝土混合物均使用1.2kg/m3的恒剂量高效减水剂。当粉煤灰取代水泥比例增加时，坍落度也随之增加，混凝土拌合物具有更高的流动性。此外，用超细粉煤灰替代20%水泥的混凝土的坍落度值大于相同取代水平且为细粉煤灰10%+超细粉煤灰10%组合的混凝土。这表明使用具有更高细度的超细粉煤灰可使混凝土拌合物具有更好的和易性。分析其原因，粉煤灰在混凝土早期水化阶段的作用主要是物理填充作用，因为粉煤灰的火山灰反应相对较低，所以采用物理激发法制备超细粉煤灰比化学激发法更方便，比表面积可达到600m2/kg~700m2/kg，比普通粉煤灰高约2 倍。尽管超细粉煤灰的化学组成与普通粉煤灰相同，但超细粉煤灰的粒径、结构和微观形貌与粉煤灰相比发生了很大变化，超细粉煤灰在水泥水化过程中的物理、化学作用也发生了很大变化，可使超细粉煤灰在水泥水化中发挥更积极的作用[2]。

2.4 混凝土力学性能

对各组粉煤灰混凝土进行抗压强度试验，研究不同掺量的细粉煤灰和超细粉煤灰对混凝土力学强度的影响。混凝土力学强度如图4 所示。

图4 混凝土力学强度

在7d 和28d 龄期，未掺粉煤灰的硅酸盐水泥混凝土的抗压强度最高，28d 抗压强度可达到53.5MPa。掺入20%超细粉煤灰的硅酸盐水泥混凝土的抗压强度接近未掺粉煤灰的混凝土抗压强度值，高于掺10%细粉煤灰+10%超细粉煤灰的混凝土的抗压强度。由此可见，粉煤灰细度越细，混凝土力学强度越高。分析其原因，粉煤灰的活性取决于许多参数，如细度、化学成分和矿物成分、未燃烧碳含量和燃烧损失等。考虑矿渣水泥中波特兰水泥熟料较少，产生的Ca（OH）2产物用于粉煤灰的火山灰反应，与硅酸盐水泥粉煤灰混凝土相比，矿渣水泥粉煤灰的力学强度结果较低。掺10%细粉煤灰+10%超细粉煤灰的矿渣水泥粉煤灰混凝土的28d 抗压强度最低，为44.2MPa。超细粉煤灰比细粉煤灰具有更好的火山灰效应和填充效应，且超细粉煤灰混凝土微观结构也更致密。

分析其原因，在粉煤灰和水泥复合材料的水化过程中，水泥与水反应生成C-S-H、Ca（OH）2。然后Ca（OH）2与粉煤灰、水反应生成C-S-H 和C-A-H。从长期水化的角度来看，粉煤灰的成核作用在一定程度上促进了水泥的水化，这是因为粉煤灰提供了大量的成核位点，促进了水泥的结晶。粉煤灰的成核作用有助于C-S-H 凝胶的形成和Ca（OH）2的结晶。在水化后期，随着粉煤灰水化程度的增加，粉煤灰与越来越多的Ca（OH）2反应，对改善混凝土的力学性能和水化机理具有积极作用[3]。总体而言，超细粉煤灰的火山灰效应好于普通粉煤灰，超细粉煤灰水泥复合材料对孔隙结构的改善作用优于普通粉煤灰。

2.5 混凝土抗碳化性能

混凝土与大气环境中的CO2产生碳化反应会降低混凝土内部的pH 值，并可能会引起钢筋腐蚀。已有学者证明，混凝土的碳化程度与混凝土掺合料种类、水灰比、混凝土固化条件以及暴露于CO2时的龄期有关。该文对各组粉煤灰混凝土进行了耐久性能分析，并进行了加速碳化试验，以研究不同掺量的细粉煤灰和超细粉煤灰对混凝土耐久性能的影响。混凝土碳化深度如图5 所示。

图5 混凝土碳化深度

由图5 可知，未掺粉煤灰的硅酸盐水泥混凝土和矿渣水泥混凝土7d 龄期的碳化深度分别为2.2mm 和6.6mm，28d 龄期的碳化深度分别为2.6mm 和8.4mm。随着粉煤灰的掺入，粉煤灰混凝土的碳化深度比未掺粉煤灰的混凝土碳化深度大。在7d 和28d 龄期的硅酸盐水泥混凝土中，掺入20%超细粉煤灰的混凝土比掺入10%细粉煤灰+10%超细粉煤灰混凝土的碳化深度高121.6%和87.1%。在7d 和28d 龄期的矿渣水泥混凝土中，掺入20%超细粉煤灰的混凝土比掺入10%细粉煤灰+10%超细粉煤灰混凝土的碳化深度反而低10.2%和3.3%。在不同龄期的混凝土试样中，碳化深度随着龄期的增加而增加。通过加速碳化试验可发现，掺入20%超细粉煤灰的硅酸盐水泥混凝土和掺入10%细粉煤灰+10%超细粉煤灰混凝土的碳化程度较高。

该文研究了超细粉煤灰和细粉煤灰在不同掺量条件下对水泥砂浆和混凝土和易性、力学性能和抗碳化性能的影响，得出如下结论。1）更细的粉煤灰有助于提高粉煤灰复合水泥砂浆和混凝土混合物的和易性。当超细粉煤灰替代率为10%时，硅酸盐水泥砂浆的坍落度增加了33.3%，矿渣水泥砂浆的坍落度增加了23.8%。2）对普通硅酸盐水泥来说，使用20%水泥替代率的超细粉煤灰混凝土的28d 龄期抗压强度较接近于未掺粉煤灰的普通混凝土抗压强度，高于掺10%细粉煤灰+10%超细粉煤灰混凝土的抗压强度。粉煤灰细度越细，混凝土力学强度越高。3）在耐久性方面，用超细粉煤灰替代水泥对抗碳化性能有负面影响，在7d 和28d 龄期的硅酸盐水泥混凝土中，掺入20%超细粉煤灰的混凝土比掺入10%细粉煤灰+10%超细粉煤灰混凝土的碳化深度高121.6%和87.1%。

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