低品質(zhì)粉煤灰在結(jié)構(gòu)混凝土中應(yīng)用的研究進(jìn)展

王卓琳 施鐘毅 李向民1， 許清風(fēng)1，

(1．上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200032;2．上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，上海200032)

1 引言

粉煤灰在混凝土中應(yīng)用可以減少環(huán)境污染、增加固體廢棄物利用，其研究從20世紀(jì)30年代即已開(kāi)始。由于粉煤灰具有特殊的活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，在混凝土中應(yīng)用可以減少水泥用量、降低水化熱、降低泌水率、減少干縮、增加后期強(qiáng)度、提高抗?jié)B性與抗腐蝕性等。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2005)［1］將粉煤灰劃分為 I、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)等級(jí)。低品質(zhì)粉煤灰通常是指除了I級(jí)和Ⅱ級(jí)以外的粉煤灰。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50146—2014)［2］除對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土有專門限定外，規(guī)定其他混凝土宜摻用I級(jí)、Ⅱ級(jí)粉煤灰，摻用Ⅲ級(jí)粉煤灰時(shí)應(yīng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)論證。目前我國(guó)電廠排灰能達(dá)到I級(jí)、Ⅱ級(jí)指標(biāo)的數(shù)量十分有限，符合I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰僅占排灰量的約5%，現(xiàn)有分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致電廠排放的大部分粉煤灰不能用于結(jié)構(gòu)混凝土，甚至水工混凝土［3］。粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用是其利用的主要途徑，如能充分利用低品質(zhì)粉煤灰拌制結(jié)構(gòu)混凝土并適當(dāng)增加其摻量，可對(duì)我國(guó)固體廢棄物的資源化利用起到重要作用。

2 國(guó)內(nèi)外粉煤灰品質(zhì)劃分對(duì)比

粉煤灰的品質(zhì)與煤的品種、燃燒情況、爐型、除灰方式、環(huán)保措施等諸多因素有關(guān)，各國(guó)粉煤灰應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多結(jié)合當(dāng)?shù)胤勖夯业纳a(chǎn)條件和產(chǎn)灰質(zhì)量進(jìn)行制訂。表1列出了不同國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中粉煤灰品質(zhì)劃分的各項(xiàng)具體指標(biāo)。由表1可知，各國(guó)對(duì)粉煤灰品質(zhì)評(píng)價(jià)的內(nèi)容基本相同，影響粉煤灰品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)有燒失量、細(xì)度、需水量比、強(qiáng)度活性指數(shù)、SiO2含量等。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)從細(xì)度、燒失量和需水量比三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行灰質(zhì)判斷，若有一項(xiàng)指標(biāo)不合格，就做灰質(zhì)降級(jí)處理。

表1 不同國(guó)家規(guī)范中粉煤灰主要品質(zhì)指標(biāo)的比較Table 1 Comparison of the quality classification index of fly ash in different national standards

雖然根據(jù)表1所示的單因子特征劃分粉煤灰品質(zhì)等級(jí)更易于操作，但不能根據(jù)粉煤灰的具體情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，往往由于個(gè)別指標(biāo)的微小差異，導(dǎo)致粉煤灰被劃分為低品質(zhì)灰，限制了其應(yīng)用范圍。為此，很多國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始采用組合因子品質(zhì)特征對(duì)粉煤灰進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)采用細(xì)度乘以燒失量作為復(fù)合因子，并規(guī)定該復(fù)合因子值不能大于225，且建立了需水量比(%)與該復(fù)合因子的回歸方程［9］;英國(guó)采用細(xì)度乘以燒失量復(fù)合因子判斷粉煤灰的減水能力，并據(jù)此將粉煤灰的減水性能劃分為若干等級(jí)［9］;我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)采用粉煤灰復(fù)合因子平方根及品質(zhì)當(dāng)量 Q 進(jìn)行灰質(zhì)評(píng)價(jià)［9－10］，見(jiàn)式(1)、式(2)。

品質(zhì)當(dāng)量

3 低品質(zhì)粉煤灰制備結(jié)構(gòu)混凝土的研究

3．1 粉煤灰的品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

混凝土中摻入粉煤灰主要有三種應(yīng)用方式［3］:①在早期強(qiáng)度要求很低，長(zhǎng)期強(qiáng)度在25～35 MPa的大體積水工混凝土中，大摻量替代水泥;②在結(jié)構(gòu)混凝土里較少量地替代水泥(10%～25%);③在強(qiáng)度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。從表1可以看出，以活性材料作為混凝土摻合料的美國(guó)F類、C類粉煤灰，英國(guó)Ⅱ類粉煤灰以及日本的各等級(jí)灰，其品質(zhì)都相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)Ⅱ級(jí)灰及以上;國(guó)產(chǎn)的Ⅲ級(jí)灰在國(guó)外已經(jīng)屬于等外灰。由于國(guó)外粉煤灰品質(zhì)普遍高于國(guó)內(nèi)，因此對(duì)低品質(zhì)粉煤灰的研究并不充分。國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)低品質(zhì)粉煤灰的應(yīng)用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其在混凝土中可以部分替代細(xì)骨料，發(fā)揮微集料效應(yīng)，改善混凝土性能，緩解天然砂缺少危機(jī)［11－12］;還可用于制備干拌砂漿粉［13］、生產(chǎn)粉煤灰蒸壓磚［14］等。本文主要關(guān)注低品質(zhì)粉煤灰制備結(jié)構(gòu)混凝土的材料力學(xué)性能、耐久性能及構(gòu)件的受力性能，同時(shí)采用復(fù)合因子對(duì)已有試驗(yàn)研究中所采用的低品質(zhì)粉煤灰進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，分析粉煤灰品質(zhì)對(duì)其制備結(jié)構(gòu)混凝土性能的影響。

表2列出了低品質(zhì)粉煤灰試驗(yàn)研究中所采用粉煤灰的各項(xiàng)指標(biāo)，并根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算了粉煤灰的品質(zhì)當(dāng)量。可以看出，各文獻(xiàn)采用的Ⅱ級(jí)灰及Ⅲ級(jí)灰的品質(zhì)當(dāng)量數(shù)值比較接近，活性成分總含量也非常接近;Ⅱ級(jí)灰與Ⅲ級(jí)灰的差別主要體現(xiàn)在細(xì)度上，燒失量和需水量比的差別較小。已有研究對(duì)比了Ⅱ級(jí)灰與Ⅲ級(jí)灰制備的結(jié)構(gòu)混凝土的各項(xiàng)性能，都得到了二者差別不大的結(jié)論。

表2 現(xiàn)有試驗(yàn)研究中低品質(zhì)粉煤灰的品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)Table 2 Comprehensive evaluation of low quality fly ash used in the existing experimental research

3．2 力學(xué)性能

林旭健等［15－16］選取了Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)灰分別制備了不同摻量(20% ～50%)、不同強(qiáng)度(C30～C50)的混凝土，其 7 d、28 d、60 d、90 d 抗壓強(qiáng)度結(jié)果表明，Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)粉煤灰配制的混凝土各齡期強(qiáng)度相差不大。鐘福金［17］制備了Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、等外灰三種粉煤灰混凝土，水膠比0．33～0．49，粉煤灰摻量為19．8% ～23．6%。其中，Ⅲ級(jí)灰僅細(xì)度和需水量比達(dá)不到Ⅱ級(jí)灰標(biāo)準(zhǔn)，等外灰僅細(xì)度和需水量比達(dá)不到Ⅲ級(jí)灰標(biāo)準(zhǔn)。其3 d、7 d、28 d、60 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果表明，Ⅲ級(jí)灰混凝土強(qiáng)度比Ⅱ級(jí)灰混凝土平均下降2．5% ～7．5%;等外灰混凝土強(qiáng)度比Ⅲ級(jí)灰混凝土強(qiáng)度平均下降5%～10%。本文作者制備了20%摻量的Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)灰混凝土［22］，Ⅲ級(jí)灰混凝土各齡期(7 d、28 d、90 d、180 d)的軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別較Ⅱ級(jí)灰混凝土低約10%和3%。一般認(rèn)為，粉煤灰混凝土強(qiáng)度在28d后到6個(gè)月期間增長(zhǎng)幅度較大，粉煤灰摻量越大，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)越明顯［16］。從上述研究中可以發(fā)現(xiàn)，低品質(zhì)粉煤灰混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)呈現(xiàn)同樣趨勢(shì);90 d齡期以內(nèi)的普通混凝土、Ⅱ級(jí)灰混凝土、低品質(zhì)灰混凝土三者強(qiáng)度差別不大;齡期更長(zhǎng)的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

3．3 耐久性能

林旭健等［15］對(duì)I級(jí)、Ⅲ級(jí)灰配制的中、高摻量粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能及抗鋼筋銹蝕性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)表明，Ⅲ級(jí)粉煤灰混凝土抗氯離子滲透性能總體上與I級(jí)粉煤灰混凝土無(wú)明顯差別;摻粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能總體上明顯高于同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土。混凝土中鋼筋快速銹蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，Ⅲ級(jí)灰混凝土的鋼筋失重率與I級(jí)灰混凝土相差不到1%。冷發(fā)光等［18］用Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)灰配制了C25～C60五種強(qiáng)度等級(jí)、25%和45%摻量的混凝土，對(duì)其抗凍融、抗碳化、抗氯離子滲透、收縮和早期開(kāi)裂等性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，Ⅱ級(jí)灰與Ⅲ級(jí)灰混凝土耐久性能比較接近。宋少民等［19］配制了超細(xì)石灰石粉與低品質(zhì)粉煤灰復(fù)摻的混凝土，研究其抗氯離子滲透性、抗凍性及抗硫酸鹽侵蝕性。粉煤灰摻量分別為8%、12%、20%、40%，復(fù)摻總比例為40%。結(jié)果表明，隨著粉煤灰替代量的減少，混凝土氯離子滲透系數(shù)略有增大，對(duì)混凝土抗凍性沒(méi)有明顯影響;摻入適量石粉后，混凝土抗硫酸鹽性能受影響不明顯，但石粉摻量過(guò)大時(shí)會(huì)降低混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。本文作者通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了不摻粉煤灰和摻20%的Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)粉煤灰對(duì)混凝土碳化深度的影響［23］，發(fā)現(xiàn)摻粉煤灰的混凝土碳化深度略大于普通混凝土，Ⅱ級(jí)灰與Ⅲ級(jí)灰混凝土的碳化深度差別不大。上述各項(xiàng)研究表明，低水膠比情況下(0．31～0．40)，適當(dāng)摻量的低品質(zhì)粉煤灰混凝土在耐久性方面表現(xiàn)良好。已有研究多采用試驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)，且大部分耐久性試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)間為28 d養(yǎng)護(hù)齡期，并不能完全真實(shí)反映低品質(zhì)粉煤灰混凝土應(yīng)用于結(jié)構(gòu)中后的耐久性能。

3．4 構(gòu)件受力性能

劉發(fā)水［20］針對(duì)公路水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層的要求，設(shè)計(jì)了彎拉強(qiáng)度不小于4．5 MPa的Ⅲ級(jí)粉煤灰混凝土，所采用的Ⅲ級(jí)灰僅細(xì)度指標(biāo)不能達(dá)到Ⅱ級(jí)灰的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件進(jìn)行了三分點(diǎn)加載的彎曲疲勞試驗(yàn)。結(jié)果表明，低品質(zhì)粉煤灰混凝土的彎曲疲勞壽命具有很大的離散性，且與普通混凝土相比疲勞壽命有所降低，疲勞壽命數(shù)值符合雙參數(shù)Weibull分布。林旭健等［21］進(jìn)行了4根Ⅲ級(jí)粉煤灰混凝土簡(jiǎn)支梁和2根普通混凝土簡(jiǎn)支梁(150 mm×300 mm×3 000 mm)的受彎試驗(yàn)，結(jié)果表明，低品質(zhì)粉煤灰混凝土和普通混凝土梁初裂荷載相近、裂縫開(kāi)展及寬度相近、破壞形態(tài)相似，其抗彎性能沒(méi)有明顯區(qū)別;彎剪段箍筋應(yīng)變發(fā)展相似，抗剪性能無(wú)明顯區(qū)別。粉煤灰混凝土梁仍然符合平截面假定，與鋼筋共同工作性能良好。

4 低品質(zhì)粉煤灰在結(jié)構(gòu)混凝土中應(yīng)用的問(wèn)題

已有研究表明，經(jīng)過(guò)合理的品質(zhì)指標(biāo)選擇以及配合比設(shè)計(jì)后，低品質(zhì)粉煤灰完全可以用于結(jié)構(gòu)混凝土的生產(chǎn)。在低水膠比情況下，通過(guò)摻加高效減水劑，低品質(zhì)粉煤灰也能明顯發(fā)揮其活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)，配制出較高強(qiáng)度的混凝土。已經(jīng)有實(shí)際工程采用Ⅲ級(jí)粉煤灰配置C60混凝土并用于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層澆筑［24］。為了進(jìn)一步促進(jìn)低品質(zhì)粉煤灰在結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用，還應(yīng)解決以下問(wèn)題:

4．1 完善粉煤灰品質(zhì)評(píng)價(jià)方法

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)用單因子水平評(píng)價(jià)灰質(zhì)，細(xì)度、需水量比、燒失量若有一項(xiàng)指標(biāo)不合格，粉煤灰品質(zhì)就降級(jí)處理。許多粉煤灰僅因細(xì)度指標(biāo)略超過(guò)25%上限，就被評(píng)為Ⅲ級(jí)灰。此外，粉煤灰的細(xì)度和燒失量直接影響需水量比，相對(duì)于細(xì)度(≤45%)和燒失量(≤15%)要求較為寬松而言，Ⅲ級(jí)灰對(duì)需水量比(≤115%)的要求顯得較為嚴(yán)格［25］。因此，現(xiàn)行灰質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國(guó)粉煤灰總體品質(zhì)狀況的適用性有待提高，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)絕大多數(shù)粉煤灰被評(píng)判為低品質(zhì)灰，不能用于結(jié)構(gòu)混凝土，使得粉煤灰有效利用率大大下降。建議將現(xiàn)有單因子評(píng)價(jià)改為復(fù)合因子和復(fù)合摻量綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)方法應(yīng)能準(zhǔn)確反映粉煤灰在混凝土中的作用。同時(shí)可針對(duì)低品質(zhì)粉煤灰活性低、需水量大的缺點(diǎn)，進(jìn)行活化技術(shù)或激發(fā)技術(shù)的研發(fā)。

4．2 改變混凝土傳統(tǒng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度方法

現(xiàn)有各類研究對(duì)混凝土耐久性的評(píng)價(jià)，都是以28 d齡期快速老化試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)的。低水膠比情況下，低品質(zhì)粉煤灰混凝土耐久性表現(xiàn)較好。但在高水膠比條件下，粉煤灰混凝土的水化延緩，現(xiàn)有研究結(jié)果都反映粉煤灰使混凝土耐久性下降，特別是抗碳化和耐磨耗［3］。此外，粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度通常較低，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，甚至?xí)^(guò)不摻粉煤灰的混凝土?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和研究仍以28 d強(qiáng)度及耐久性試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)粉煤灰混凝土在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行限制依據(jù)不足。應(yīng)考慮低品質(zhì)粉煤灰混凝土強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展規(guī)律，合理確定其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，并以拌和試驗(yàn)結(jié)果確定粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用范圍和合理?yè)搅?，以和易性、力學(xué)性能、耐久性等是否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定和施工要求為準(zhǔn)。

4．3 完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)粉煤灰在結(jié)構(gòu)混凝土中的應(yīng)用摻量和品質(zhì)都有較為嚴(yán)格的限制。Ⅲ級(jí)粉煤灰主要用于無(wú)筋混凝土，對(duì)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30及以上的無(wú)筋粉煤灰混凝土，宜采用I級(jí)、Ⅱ級(jí)粉煤灰［2］。結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土中粉煤灰摻量一般不超過(guò)膠凝材料的20% ～25%，保護(hù)層厚度不足5 cm時(shí)還應(yīng)減小摻量?，F(xiàn)有的配合比設(shè)計(jì)將粉煤灰視作火山灰質(zhì)材料，作為膠凝材料的一部分替代水泥摻入混凝土。因此進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)總是將不摻粉煤灰的混凝土作為基準(zhǔn)，再逐漸增大粉煤灰摻量的比例，這樣通常導(dǎo)致早期強(qiáng)度降低，而后期強(qiáng)度超過(guò)普通混凝土［3］。目前在低品質(zhì)粉煤灰配制結(jié)構(gòu)混凝土方面還缺少指導(dǎo)意見(jiàn)和設(shè)計(jì)方法。需要積極開(kāi)展低品質(zhì)粉煤灰混凝土構(gòu)件及結(jié)構(gòu)層次的試驗(yàn)研究，掌握低品質(zhì)粉煤灰混凝土與普通鋼筋以及高強(qiáng)鋼筋的協(xié)同工作性能，掌握低品質(zhì)粉煤灰鋼筋混凝土構(gòu)件的耐久性能和長(zhǎng)期性能，制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

5 結(jié)語(yǔ)

已有研究結(jié)果表明，低品質(zhì)粉煤灰經(jīng)過(guò)合理的品質(zhì)指標(biāo)選擇和配合比設(shè)計(jì)后可用于結(jié)構(gòu)混凝土，其各項(xiàng)力學(xué)性能及耐久性能等與Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土相差不大。建議在進(jìn)一步研究基礎(chǔ)上，通過(guò)粉煤灰品質(zhì)的復(fù)合因子評(píng)價(jià)方法、考慮齡期影響的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法等，綜合考慮粉煤灰的品質(zhì)差異以及結(jié)構(gòu)使用的環(huán)境要求、粉煤灰混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度、構(gòu)件早期養(yǎng)護(hù)等影響因素，以促進(jìn)低品質(zhì)粉煤灰在結(jié)構(gòu)混凝土中的推廣應(yīng)用。

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