超细粉煤灰对混凝土水化热及物理力学性能的影响

随着工业化的快速发展，我国混凝土产量的年增长率达到6%～8%，碳排放也随之增长。随着国家2060双碳目标的提出，“低碳混凝土”将在国家“双碳”推动的历史性进程中，成为建材产业的一个重要引擎和推手。

低碳混凝土的最主要技术路线就是在混凝土中少用水泥，大量地使用矿物掺合料代替水泥。粉煤灰以产量大、价格低廉的优势常作为掺合料用于水泥和混凝土行业，但由于其早期水化活性低，限制了其在市场中更为广泛的应用。为提高粉煤灰活性以及其他方面的性能，研究人员对其进行机械研磨，得到了减水效果、耐久性和活性均高于粉煤灰的超细粉煤灰。Ravina研究发现，当粗颗粒的粉煤灰被较细颗粒取代时，砂浆具有较高的抗压强度，表明适当减小粉煤灰颗粒尺寸有利于提升混凝土的性能。丛树民等将粉煤灰与细磨后的粉煤灰进行对比，结果表明，掺入细颗粒粉煤灰的混凝土，能够更好的保水且很大程度上控制了混凝土泌水的发生，同时细颗粒粉煤灰的混凝土有着更好的流动性以及对应的坍落度。

因此，本文首先对超细粉煤灰的性能进行探讨，利用超细粉煤灰取代粉煤灰，研究了不同取代量对混凝土的水化性能和物理力学性能的影响，为超细粉煤灰在今后混凝土中的应用提供参考。

一、材料与方法    

1.1试验材料    

水泥：冀东P·O42.5水泥；

粉煤灰：大唐盛龙生产的Ⅱ级粉煤灰；

超细粉：渭电生产的磨细Ⅰ级灰；

细集料：胶砂试验所用砂为标准砂，混凝土所用砂为天然中砂，细度模数2.6；

粗集料：采用5～25mm连续级配碎石；

减水剂：采用聚羧酸减水剂，减水率可达25%；

拌合及养护用水：自来水。

试验所用材料的主要化学组成见表1，其他性能指标见表2。

1.2  材料粒度分布    

使用Bettersize2600型激光粒度分析仪测试原材料的粒度分布，如图1所示。由图1可知，水泥和粉煤灰的的粒径分布特征相似，粒径均集中分布在1～75μm之间，其中水泥的中位粒径（D50）为14.77μm，粉煤灰的中位粒径（D50）为20.42μm；而超细粉煤灰的粒径主要集中在10.2μm以下，中位粒径（D50）为5.17μm。

1.3  配合比设计

根据JGJ55－2011《普通混凝土配合比设计规程》设计规范要求，进行了C50混凝土配合比计算，其中水泥占70%（质量分数），矿物掺合料占30%，并且超细粉与粉煤灰分别以7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7比例两两复掺，具体混凝土配合比见表3。

水化热采用砂浆试验，使用Pts-12s型水泥水化热测定仪对胶材水化热进行测试，试验胶砂比为1∶3，水胶比固定为0.5，具体试验方案见表4。

1.4  试验方法  

按照GB/T12959—2008《水泥水化热测定方法》中的直接法测试水化热；按照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试混凝土的工作性能；按照GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土的力学性能。

二、结果与讨论    

2.1水化热性能分析    

图2为胶凝材料水化放热和水化速率曲线。由图2（a）可知，单掺粉煤灰或单掺超细粉煤灰的水化热最高，随着UFA取代量的提高，水化放热量呈现出先减小后增大的趋势，当超细粉煤灰取代粉煤灰50%时其水化热最低，7d时，比单掺粉煤灰降低了258J/g，比单掺超细粉煤灰降低了292J/g；由图2（b）～（d）可知，第一放热峰出现在0～10min内，第二放热峰出现在600～1200min内，并且在掺入超细粉后，胶凝体系的第二放热峰出现了不同程度的降低与推迟，且当超细粉煤灰取代量为50%时，胶凝材料的水化放热速率更缓慢，放热量也最小，能有效减小混凝土因水化热较高导致的裂缝等混凝土危害，有利于混凝土的体积稳定性。

2.2  流动性分析    

图3是新拌混凝土的坍落度和扩展度。由图3可知，随着超细粉煤灰掺量的增加，拌合物的坍落度和扩展度明显大于单掺粉煤灰组。随着UFA取代量的提高，坍落度大致呈现出先增加后减少的趋势，说明当UFA掺量小于50%时，混凝土坍落度和扩展度受超细粉的填充效应、形态效应和分散效应主导，并随着UFA掺量的增加，比表面积效应占主导作用，此时UFA相比F具有更大的比表面积，其更加能够发挥它的形态效应，在新拌混凝土中分散集聚的水泥，减少了混凝土内在的摩擦力，而且能够与其他颗粒形成良好的级配，置换出混凝土内微小孔隙间的自由水，故而混凝土的坍落度逐渐提高。但当UFA的取代量超过50%时，由于小颗粒增加，比表面积变大，吸附的水泥颗粒更多，导致流动性降低。

 

2.3力学性能分析    

2.3.1抗压强度    

图4为不同养护时间下UFA取代不同质量分数的F后的抗压强度。由图4可知，相同掺量下混凝土的早期抗压强度较低，这是因为粉煤灰与超细粉煤灰的早期活性较低，主要起填充作用，随着养护时间的增长，粉煤灰和超细粉煤灰参与水化反应，其火山灰效应与颗粒效应开始发挥作用，所以混凝土后期抗压强度增长很快。同时可以看出，随着UFA取代量的提高，抗压强度随之增加，说明超细粉煤灰比粉煤灰在提升混凝土强度时更具有优势，且当养护龄期为28d时，UF的抗压强度比F高12.5%。这是因为超细粉煤灰的颗粒比粉煤灰颗粒更加细小，细小的颗粒能充分的填充在混凝土中，起到微集料效应从而提高整体强度，同时由于超细粉煤灰的颗粒具有极大的比表面积，超细粉煤灰中的活性成分就会随之更容易与水泥中的氢氧化钙发生反应，反应生成的胶凝物使结构内部粗细骨料之间粘结性变得更好，使混凝土整体结构变得更加密实，提高了混凝土整体强度。

 

2.3.2劈裂抗拉强度    

图5为养护龄期为28d时混凝土劈裂抗拉强度随UFA掺量的关系变化曲线。由图5可知，当水泥量一定时，单掺超细粉煤灰比单掺粉煤灰的抗拉强度提高了13%，这与抗压强度的变化规律相似，都是随着UFA掺量的增加，混凝土的28d劈裂抗拉强度随之增加，说明超细粉煤灰在混凝土中的抗拉性能优于粉煤灰。

随着超细粉煤灰含量的增加，颗粒越细球形颗粒含量越高，比表面积也会越大，可充分发挥其活性效应，与水泥中的水化产物氢氧化钙进行火山灰反应，生成的凝胶物质能紧密结合各骨料，提高结构内部黏结力从而加强了整体强度。而且随着超细粉煤灰含量的增加，其细小颗粒增加，能够填充还没有水化的水泥颗粒之间的空隙，产生致密势能，有效减少有害孔的比例，使结构的密实度更大， 有利于提高混凝土的强度。

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