粉煤灰影响系数值选取的相关因素研究

绿色混凝土可以节约资源和能源，是今后发展的必然趋势。作为预拌混凝土生产企业，在混凝土生产时，应更多地利用工矿废料，减少水泥和其他相关资源的用量，同时提高混凝土的耐久性能。粉煤灰是现代混凝土最常用的工业废料，混凝土中掺加粉煤灰可改善混凝土的和易性，降低混凝土水化热，并且有提高混凝土的抗渗、抗腐蚀能力，减少碱－集料反应等诸多优点。但由于各种因素影响，粉煤灰用量还受到一些限制，比如，施工方对粉煤灰使用的认知程度，为赶工期要求混凝土早强而限制粉煤灰掺量等因素制约了大掺量粉煤灰混凝土的工程应用。本文结合《混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）中对粉煤灰影响系数的规定，对比了不同胶凝材料用量和不同掺量条件下，粉煤灰活性指数的变化规律，为粉煤灰影响系数的合理选取提供参考。通过统计60d粉煤灰活性指数，为大掺量粉煤灰混凝土的配合比设计提供依据。

2011版《混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）对混凝土水胶比的计算公式做了修改，其中f_b为胶凝材料28d胶砂抗压强度，可实测。但由于各个配合比掺合料的比例差异较大，如果f_b取实测值，那么大部分配合比都需要测定胶凝材料28d胶砂抗压强度，这样就会出现试验工作量大，试验周期长等问题。因此，一般都通过测定水泥胶砂强度并考虑掺合料影响系数的方法来确定f_b值。规范列出粉煤灰和矿粉影响系数选用表，该表中掺合料影响系数的变化主要考虑了掺合料活性及在胶材中比例的影响。由于矿粉本身活性较高，矿粉影响系数随掺量的变化不大，而粉煤灰的活性较低，粉煤灰影响系数随掺量的变化较大。根据以往对掺合料的使用情况，掺合料在混凝土中发挥的强度效应，除了与掺合料本身活性和掺加比例有关外，还与胶凝材料总量有关，尤其是活性较低的粉煤灰在混凝土中的活性不但与掺量相关，而且与胶凝材料的总量也有很大相关性。因此，在针对不同强度等级混凝土的配合比设计时，即使粉煤灰的掺量相同，粉煤灰影响系数也应选取不同的数值。需要通过试验，统计出不同胶凝材料用量条件下粉煤灰的活性指数，进一步确定粉煤灰影响系数的选取范围，以更贴近实际使用情况。指导本公司配合比设计计算。

1　试验方案及原材料

1.1　试验方案

选取不同胶凝材料用量的混凝土配合比，按普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081的规定制作混凝土试件，测试标准养护下的抗压强度，分析在不同胶凝材料用量条件下，粉煤灰掺量对混凝土强度的影响规律，统计粉煤灰的活性指数，并通过试验数据分析粉煤灰影响系数的选取范围。

试验时，相同胶凝材料用量的配合比均固定水胶比，通过调整外加剂用量和砂率使混凝土的出机性能基本保持一致的基础上进行对比试验。依据胶凝材料用量所对应的混凝土强度等级，结合该强度等级混凝土生产时的性能要求，设定在该胶凝材料用量条件下混凝土的出机性能。试验时，相同胶凝材料用量混凝土出机性能基本保持一致，制作混凝土试件，测定混凝土各龄期强度。

1.2　试验用原材料

（1）水泥　北京金隅建材集团北京水泥厂生产的P.O42.5，水泥技术指标见表1。

 

（2）细骨料　天然河砂，细度模数2.8，含泥量2.5%。

（3）粗骨料　结合实际生产情况，粗骨料为涿州产碎石和密云产尾矿废石，5～25mm粒径，连续级配。两种粗骨料的具体技术指标见表2。

 

（4）外加剂　北京冶建JG-2H系列聚羧酸型高性能减水剂，具体技术指标见表3。

 

（5）粉煤灰　河北三河和众粉煤灰厂生产的Ⅱ级粉煤灰，具体指标见表4。

 

2.1　试验配合比设计原则

2.1.1　胶凝材料用量　

结合本公司常用强度等级混凝土的胶凝材料用量，选取胶凝材料量为300kg/m³，360kg/m³，420kg/m³，480kg/m³，540kg/m³共5档进行试验。

2.1.2　粉煤灰取代量　

按照规范要求，结合实际使用情况，确定粉煤灰取代量分为10％、20％、30％、40％、50％共五档。考虑到胶凝材料用量较低时粉煤灰掺量一般较高，胶凝材料总量为300kg时粉煤灰取代量改为20％、30％、40％、50％、60％五档，舍去粉煤灰取代量为10％，增加60％的试验内容。

2.1.3　砂率及外加剂用量调整　

由于粉煤灰在混凝土中可以改善混凝土的和易性，并能够起到一定的减水作用，配合比设计时根据混凝土出机状态适当调整了配合比的砂率和外加剂的用量，以保证混凝土的水胶比不变，出机状态基本一致。

2.2　试验用配合比

不同胶材用量时的配合比见表5、6、7、8、9。

 

3　试验结果及分析

3.1　混凝土出机和易性

混凝土中掺加粉煤灰后，由于粉煤灰的“滚珠轴承”作用，明显改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的流动性。当固定混凝土水胶比，并保持混凝土出机坍落度一致时，可大幅减少外加剂的用量，体现出混凝土的减水作用，同时，混凝土的粘聚性和可塑性也有明显改善。当粉煤灰掺量达到50%时，混凝土出现发散，粉煤灰明显上浮的现象。

3.2　混凝土强度试验结果

用以上配合比试配，制作混凝土试件，在标准养护条件下，测定混凝土3d、7d、28d、60d强度，根据试验结果，计算出在不同的胶凝材料总量条件下，不同掺量粉煤灰的活性指数。为了保证试验结果的准确性，以上试验重复三次，取三次试验结果的平均值，以消除试验误差。

试验结果列表10、11、12、13、14如下：因3d、7d数据对实际应用的指导意义不大，因此未列入统计表中。

 

3.3　试验结果分析

3.3.1　随着龄期的增长，粉煤灰的活性指数随之增长。当粉煤灰掺量达到30%以上时，60d龄期的粉煤灰活性指数比28d龄期的粉煤灰活性指数增长0.05以上。具体试验结果统计见表15。

 

3.3.2　当混凝土的胶凝材料用量360kg以上，粉煤灰掺量为10％时，粉煤灰的活性指数接近甚至超过1.0，在进行配合比计算时，粉煤灰影响系数可以按照1.0或接近1.0来计算。

3.3.3　粉煤灰活性指数随胶凝材料用量的增加而增大，但并不是线性关系，当胶凝材料用量较大时，粉煤灰活性指数的增长幅度变小，规律性变差，因此，当胶凝材料用量达到约400kg以上时，各个掺量均可按照统一的粉煤灰影响系数进行配合比计算，而胶凝材料用量较少时，则需要根据情况调整粉煤灰影响系数的取值。试验结果如图1所示。

 

3.3.4　粉煤灰活性指数的变化幅度随粉煤灰掺量的增加而增大。当粉煤灰掺量增加时，粉煤灰影响系数的取值范围应相应加大，根据试验结果，当粉煤灰掺量为10％时，所有胶凝材料用量配合比的粉煤灰活性指数基本接近1.0，当粉煤灰掺量达到40％时，300kg胶凝材料用量配合比的28d粉煤灰活性指数为0.58，540kg胶凝材料用量配合比的28d粉煤灰活性指数为0.84，两者相差0.26，因此，在进行配合比计算时，粉煤灰影响系数的取值应根据胶凝材料的用量设定范围，以更接近实际情况，比如，当粉煤灰掺量为10%时，规范给定的粉煤灰影响系数的取值范围为0.85～0.95，在配合比设计计算时，粉煤灰影响系数可以固定取0.95。而当粉煤灰掺量增加时，粉煤灰影响系数的取值范围应当相应加大，特别是大掺量粉煤灰混凝土配合比设计时，因胶凝材料用量不同，粉煤灰影响系数的取值可以超出规范给出的0.1的取值范围。

 

3.3.5　粉煤灰活性指数随掺量增加而减小

当胶凝材料用量增加时，其减小的幅度收窄。如图2所示，分别列出了胶凝材料用量为360kg、420kg、480kg、540kg配合比的粉煤灰活性指数曲线，并回归曲线的斜率进行比较。可以看出，当胶凝材料用量较小时，粉煤灰活性指数的变化幅度较大，计算配合比时，必须要根据粉煤灰掺量调整粉煤灰影响系数。当胶凝材料用量较大时，可以在一定范围内对粉煤灰影响系数取一个固定值，以简化配合比计算。

 

4　结论与建议

（1）由于混凝土中其它原材料性能和粉煤灰本身品质的活性，粉煤灰活性指数可能会有一些差异，从而影响粉煤灰影响系数的取值，需要通过试验进行验证。

（2）当混凝土的胶凝材料用量较高，而粉煤灰掺量只有10％左右时，粉煤灰的活性指数较高，在进行配合比计算时，粉煤灰影响系数可以按照1.0或接近1.0来取值。

（3）当粉煤灰掺量较高时，考虑胶凝材料总量的影响，粉煤灰影响系数的取值可以突破规范给定的建议值范围，但必须通过试验确定。

（4）粉煤灰的活性指数60d比28d提高0.05以上，按60天龄期评定强度的混凝土，在进行混凝土配合比计算时，可以提高粉煤灰影响系数的取值，尽可能多使用粉煤灰。

（5）当胶凝材料用量较低时，粉煤灰活性指数变化幅度较大，配合比计算时，需要更注重粉煤灰影响系数的准确性。胶凝材料用量较高时，粉煤灰活性指数变化幅度较小，配合比计算时，可以相对固定粉煤灰影响系数，简化配合比计算时的参数取值。同时也说明提高粉煤灰的掺量对高强度等级混凝土的强度影响相对较小，配合比设计时可以提高粉煤灰的掺量，达到绿色混凝土生产的目标。（来源：《粉煤灰综合利用》2018.03）