不同劣质粉煤灰掺量对混凝土性能的影响研究

不同劣质粉煤灰掺量对混凝土性能的影响研究

孙鹏

中铁一局集团第六建设有限公司   天津市   300250

摘要：随着时代的发展，特别是近期关于碳中和、碳达标等概念的提出。社会各界对建筑设施施工质量要求越来越高，传统的水泥混凝土已无法满足现代社会对混凝土高质量的要求。而在混凝土中加入适量粉煤灰，可显著改善混凝土工作性能、提高混凝土耐久性同时降低混凝土成本。本文通过研究不同掺量（30%、50%、100%）劣质粉煤灰替代真粉煤灰对混凝土工作性、力学性能、耐久性能方面的影响。

关键词：假粉煤灰 工作性 电通量 渗透性 气泡间距系数 胶材抗蚀系数

引言

粉煤灰主要来源为电厂燃烧煤的过程中，产生的一种工业废渣，大量堆放不仅造成巨大浪费，还会造成严重的环境污染。在水泥混凝土中掺入适量的粉煤灰，可以取代部分水泥用量、减少水泥凝结硬化过程中产生的水化热，而降低混凝土结构由于内外温差较大产生的裂缝；粉煤灰密度较水泥低，替代部分水泥可增加混凝土拌合物浆体体积、同时粉煤灰具有玻璃微珠及微集料效应，可大幅度改善混凝土拌合物流动性、粘聚性、保水性等性能；粉煤灰主要成分为活性SiO2和活性Al2O3，在混凝土内部与产生的碱性物发生二次反应，可有效提高后期强度。

郭倩娜[1]研究了在水泥混凝土配置中加入粉煤灰，能起到较好的应用效果，对水泥混凝土材料的各项性能起到改善作用。庄志伟[2]研究了不同掺量粉煤灰对混凝土抗冻及抗渗性能的影响，表明掺入粉煤灰的混凝土在不同冻融循环次数下质量损失率明显小于不掺粉煤灰的混凝土，同时掺入粉煤灰抗渗性明显好于未掺粉煤灰的混凝土。韩长君等[3]研究表明粉煤灰的掺入，促进了水泥水化进程，填充胶凝孔隙，降低裂缝生产，从而优化混凝土内部孔结构，提升混凝土整体密实度。龚明子等[4]研究表明粉煤灰细度和粒径相近时，比表面积与动态屈服应力值相关性较高，掺入粉煤灰可提高混凝土浆体的塑性粘度。翟思敏等[5]研究表明，粉煤灰取代率为45时，混凝土性能可达到最优。

综上，粉煤灰作为一种工业废渣，作为掺合料加入混凝土中，改善了混凝土的和易性、力学性能、耐久能性等。而由于其产量有限，南方和北方地区火电厂分布不均。随着我国建筑工程量的增加，粉煤灰在南方地区供不应求。利益驱动下这些地区市场上出现了大量以石粉、砂粉、煤矸石等为主要成分的伪劣粉煤灰。

本文以新建北京至雄安新区至商丘高速铁路雄安至商丘段站前工程 XSZQ-1 标段为例，主要工程量为钻孔桩9775根，承台1086个，桥墩1083个，悬臂(现浇)浇筑连续梁 28 联，箱梁制架643孔，非标简支梁现浇6孔。研究了不同掺量低劣粉煤灰对混凝土工作性能、力学性能、耐久性能方面的影响。为混凝土结构施工过程中提供意见。

1原材料及试验方法

1.1原材料

水泥涞水金隅冀东环保科技有限公司生产的P·O42.5级水泥，粉煤灰为国华天津大港发电厂生产的F类ⅠⅠ级粉煤灰，具体检测指标如表1所示。

表1 粉煤灰检测指标

1.2 配合比

采用现场使用的C35配合比为基准配合比，控制坍落度为200±20mm，含气量为2~4%，具体配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比（kg/m3）

1.3 试验设计

为了研究不同掺量劣质粉煤灰对混凝土工作性能、力学性能、耐久性能方面的影响，采用不同替代率（30%、50%、100%）劣质粉煤灰代替优质粉煤灰，测试不同替代率混凝土工作性、力学性能、耐久性能试验参数进行对比，采用0替代率为对照组。

1.4 性能测试

工作性：混凝土坍落度、含气量参考GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

力学性能：参考GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土的抗压强度。

耐久性能：参考GB/T 50082—2024《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试混凝土电通量、气泡间距系数、抗冻性能等耐久性能指标。

2结果与讨论

2.1工作性

不同劣质粉煤灰掺量对混凝土工作性能影响如表3所示，其中R-01为质量较好的粉煤灰、F-01为劣质粉煤灰替代率为30%、F-02为劣质粉煤灰替代率为50%、F-03为劣质粉煤灰替代率为100%。

表3 混凝土工作性

由表3可知，随着劣质粉煤灰掺量的增加，混凝土初始坍落度变化较小。含气量均较优质粉煤灰有增加。随着劣质粉煤灰掺量的增加，1h坍落度经时损失明显增加。其中F-01静止1h后混凝土出现抓底现象，包裹性变差，混凝土成型时表面出现明显浮浆；F-02和F-03坍落度损失较快，已不具备相关工作性，具体现场如图1所示。

R-01                                 F-01

F-02                               F-03

图1 混凝土工作性

2.2 力学性能

不同劣质粉煤灰掺量对混凝土力学性能影响如表4所示。

表4力学性能（MPa）

由表4可知，随着劣质粉煤灰掺量的增加，相同龄期下混凝土抗压强度呈现明显下降趋势，56天标准养护条件下抗压强度增长幅度比优质粉煤灰大幅降低。三组对比试验中，100%劣质粉煤灰与基准56天和90天标养强度值的相差分别为18.0MPa、18.7MPa。其中F-03的56天和90天标准养护条件下抗压强度为31.1和34.7MPa，按照设计强度等级评定已经不满足设计要求。

2.3 电通量和抗氯离子渗透性

不同劣质粉煤灰掺量对混凝土电通量及抗氯离子渗透性能影响如表5所示。

表5 电通量及抗氯离子渗透性

由表5可知，随着劣质粉煤灰掺量增加，90d混凝土电通量、氯离子迁移系数呈明显增长趋势，其中电通量增长幅度分别为19.6%、87.2%、206%。氯离子迁移系数增长幅度分别为43.6%、161.5%、248.7%。粉煤灰中主要成分为SiO2 和 Al2O3，在混凝土结构中与水泥水化产物 Ca(OH)2继续二次反应，消耗混凝土内部自由水，填充混凝土内部孔隙，增加了混凝土密实度，不利于氯离子的迁移和渗透。而劣质粉煤灰由于缺少SiO2和Al2O3，无法进行二次水化，随着掺量的增加导致电通量及氯离子迁移系数呈现明显增长趋势。

2.4 气泡间距系数

不同劣质粉煤灰掺量对混凝土气泡间距系数影响如表6所示。

表6 气泡间距系数

由表6可知，随着劣质粉煤灰掺量的增加，气泡间距系数在掺量超过30%时，呈现增长趋势，增长幅度分别为51.1%、139%。其中F-01出现假粉煤灰掺量增大气泡间距系数反而减小的现象，是因为混凝土含气量出现了异常增加所致。由于劣质粉煤灰的加入，在混凝土内部引入劣质气泡较多，而出现此类现象。

2.5 抗冻性能

不同劣质粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能影响如表7所示。

表7 抗冻性能

由表7可知，随着劣质粉煤灰掺量的增加，质量损失率呈现增长趋势，增长幅度分别为175%、408%、642%。由于劣质粉煤灰的加入导致混凝土内部气泡结构较差，易出现气泡聚集，分布不均匀且表面产生浮浆等，导致抗冻效果较差。混凝土内部结构如图2所示。

图2 混凝土硬化体内部结构

2.6 胶凝材料抗侵蚀系数

不同劣质粉煤灰掺量对胶凝材料抗蚀系数的影响如表8所示。

表8 胶凝材料抗蚀系数

由表8可知，随着劣质粉煤灰掺量增加，胶凝材料抗蚀系数呈降低趋势，降低幅度分别为7.7%、15.4%、28.6%。由于劣质粉煤灰在生产过程中添加的助磨剂、减水剂等添加剂的不同以及可能存在的分散不均匀，且其颗粒存在棱角，无玻璃微珠的滚动效应，无二次水化反应以填充水泥浆体孔隙，导致胶凝材料抗蚀系数随着掺量的增加而降低。

3如何快速鉴别真假粉煤灰及劣质粉煤灰

假粉煤灰会对混凝土工程质量造成严重不良影响。那么在施工现场或者混凝土拌和站如何快速鉴别出真假粉煤灰对保证混凝土工程质量具有重要意义。目前市场中假粉煤灰大部分以石粉、砂粉、煤矸石等为主要成分，劣质粉煤由于脱硫、脱硝等工艺不达标出现脱硫灰、脱硝灰、浮黑灰等劣质粉煤灰。

脱硫灰：主要为现在大部分电厂采用循环流化床锅炉工艺来提高高硫煤的燃烧效率，而燃烧过程中会产生大量SO2，实际生产过程中为了提高环保要求，往往会采取相应的脱硫措施，导致大量硫化物残留在粉煤灰中，生产出来的粉煤灰称之为脱硫灰。

脱硝灰：在电厂内煤的燃烧过程中，同样会产生大量的氮化物，排放至空气中会严重污染环境，因此在煤的燃烧过程中，会进行相应脱硝处理，处理过程中会在粉煤灰内残留较多的NH4+，在混凝土搅拌过程中，释放氨气，影响混凝土工作性及耐久性。

浮黑灰：在现代燃煤工艺中，为提高粉煤的燃烧效率，或者部分煤燃点较高，会在粉煤的燃烧过程中添加一定量的助燃剂（如柴油、汽油等油性物质），在燃烧过程中并不能充分燃烧，油分会残留在粉煤灰中。这些油分在混凝土试拌过程中会浮于混凝土表面，该类粉煤灰称之为浮黑灰。

鉴于此，如何鉴别真假粉煤灰及劣质粉煤灰，显得尤为重要，针对脱硫灰、脱硝灰、浮黑灰等劣质粉煤灰和以石粉、砂粉、煤矸石等为主要成分的假粉煤灰可通过看、摸、泡等简单方法快速作出鉴别，在混凝土施工及物资采购中可以作为初期简单验收方法，方便快捷。

（1）看：真的粉煤灰颜色偏黑黄，粉状，颗粒很细；经筛分，在显微镜下观察，内部存在较多的玻璃球体，粒径较大的颗粒表面虽不规则，但整体显球状。假的粉煤灰颜色为白色或偏白，甚至是不纯正的杂色。在显微镜下即使磨得再细，整体情况下，不规则颗粒较多，尤其是粒径较小的颗粒，表面基本是破碎面，呈不规则形状。

（2）摸：真的粉煤灰手感很细腻、干爽，抓下去有抓空感；假的粉煤灰手感很粗糙，抓下去有明显抓到细小粗颗粒的感觉。

（3）泡：取适量粉煤灰放入烧杯中，同时加入适量水，快速均匀搅拌。观察水面浮灰颜色及表面油分含量，观察底部沉淀物，沉淀物较多则为燃烧不完全。

4结论

（1）劣质粉煤灰的加入导致混凝土工作性出现较大波动，掺50%以上劣质粉煤灰时，混凝土已不具备相关工作性，难以满足现场施工。

（2）在劣质粉煤灰掺量为100%时，标准养护条件下，抗压强度不满足相关标准，且劣质粉煤灰的掺入导致抗压强度降低幅度较大。

（3）随着劣质粉煤灰掺量的提高，混凝土电通量、氯离子迁移系数、气泡间距系数、抗冻性能及胶凝材料抗蚀系数耐久性指标均呈现大幅度降低。

（4）通过简单的看、摸、泡方式，快速评判粉煤灰质量好坏，在实际工程应用中有较好的应用价值，避免出现工程质量问题。

（5）在实际工程应用中，应严格控制粉煤灰质量，严禁使用假粉煤灰，且在混凝土配合比设计时，劣质粉煤灰掺量严禁超出30%，以免造成严重工程质量问题。

参考文献

[1]郭倩娜。掺粉煤灰水泥混凝土性能研究。江苏建材2024年第3期。

[2]庄志伟.粉煤灰混凝土抗冻性及抗渗性研究。江苏建材2024年第6期。

[3]韩长君、周海龙、陈岩等。粉煤灰对高强混凝土力学性能及孔结构影响。排灌机械工程学报。第4期第42卷。

[4]龚明子、钱潘悦、王涛等。粉煤灰颗粒特征对混凝土流变性能的影响。混凝土。2023年第9期（总第407期）。

[5][5]翟思敏、黄金霞。建筑用不同取代率粉煤灰再生混凝土的力学性能及耐久性能研究。功能材料。2024年第4期（55）卷。