Ⅱ级粉煤灰掺量对混凝土放热性能和抗压强度影响的试验研究

刘晓龙，罗翥，田波，侯子义

(1.交通运输部公路科学研究院道路结构与材料交通行业重点实验室，北京100088;2.河北工业大学土木工程学院，天津300401)

Ⅱ级粉煤灰掺量对混凝土放热性能和抗压强度影响的试验研究

刘晓龙1，2，罗翥1，田波1，侯子义2

(1.交通运输部公路科学研究院道路结构与材料交通行业重点实验室，北京100088;2.河北工业大学土木工程学院，天津300401)

通过室内试验研究C30和C60两种混凝土的热峰时间、温峰时间、热峰值和最大温升随Ⅱ级粉煤灰掺量的变化规律。结果表明:两种混凝土的温峰时间均随粉煤灰掺量增加而呈延迟趋势，最大温升均随粉煤灰掺量增加而呈降低趋势，粉煤灰对C30混凝土的温升降低效应要强于C60;粉煤灰掺量对混凝土的抗压强度尤其是早期强度有较大影响，在粉煤灰掺量＜40%时，混凝土的后期强度降低较小。此外，从理论上探讨了Ⅱ级粉煤灰对混凝土放热性能及强度的影响机理。

Ⅱ级粉煤灰 水泥混凝土 放热性能 抗压强度

对大体积混凝土而言，混凝土的水化放热性能一直备受重视。近年来，考虑到环境保护、控制成本、提高耐久性以及降低混凝土温升，混凝土生产中加入了各种矿物掺合料，其中以粉煤灰应用最为广泛，而Ⅱ级粉煤灰的使用量又是最大的。在国内外均已出现粉煤灰掺量达到胶凝材料总量50%的大体积混凝土工程实例［1］，粉煤灰已成为控温大体积混凝土不可或缺的原材料。

Ⅱ级粉煤灰的掺加对混凝土水化放热能力的影响可以通过混凝土水化放热温升仪进行测量。本文通过试验测试了Ⅱ级粉煤灰掺量对C30和C60混凝土的水化放热及中心温升的影响，测定了粉煤灰在不同掺量下7，28，56 d的抗压强度，并从理论上探讨了Ⅱ级粉煤灰对混凝土放热性能及强度的影响机理。

1 试验

1.1 原材料

水泥为北京金隅P.O42.5水泥;粉煤灰为内蒙古某发电厂Ⅱ级粉煤灰;减水剂为天津SiKa萘系高效减水剂，减水率25%;砂为北京西田阳砂场中砂，细度模数2.7;碎石为北京门头沟5～31.5 mm连续级配石灰岩碎石。

水泥和粉煤灰的化学组成见表1。

表1 水泥和粉煤灰化学组成%

1.2 试验配合比

混凝土配合比见表2。其中，减水剂的掺量保证各组混凝土坍落度控制在60～100 mm，括号内数字为粉煤灰等质量取代水泥的百分率。

表2 混凝土配合比kg/m3

1.3试验仪器

ToniCAL7336型混凝土水化放热温升仪(图1)为德制电脑控制热流计量器，可测量混凝土试件的水化放热量，并可通过插入混凝土内部的PT100型温度传感器测量试件中心的温升。可测得的数据有放热速率峰值出现时间(以下简称热峰时间)，温度峰值出现时间(以下简称温峰时间)、放热速率峰值(以下简称热峰值)以及温度上升的最大值(以下简称最大温升)。其试验桶为直径150 mm高300 mm的特制钢桶，试验时将试验桶放入上层试验箱内。结合工程实际及规范要求，本次试验选择25℃。

图1 ToniCAL7336型混凝土水化放热温升仪

1.4 试验方法

将控制好温度的混凝土拌合好后装入试验桶安放在试验仪器中，设置好温度传感器，开始试验。混凝土放热量及中心温升等数据实时显示在电脑终端。试验持续时间为24 h。拌合测量温升试件的同时成型3组100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，24 h后拆模放入标准养护室内养护，测试其7，28，56 d抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 C30混凝土

2.1.1 热峰时间、温峰时间、热峰值、最大温升

由图2可以看出:①在粉煤灰掺量为0～40%时，热峰时间和温峰时间均随掺量增加而延迟出现。其中掺量为0～10%时，热峰时间和温峰时间延迟幅度较小，掺量在10%～20%时热峰时间和温峰时间延迟幅度较大。②在掺量为0～50%时，热峰值和最大温升均随着粉煤灰掺量的增加而呈降低的趋势。

2.1.2 不同掺量粉煤灰混凝土各龄期的抗压强度

由表3可以看出，粉煤灰的加入会降低C30混凝土的抗压强度。当粉煤灰的掺量在40%以内时，混凝土的中后期(28，56 d)强度降低较小，早期强度(7 d)降低较明显;而粉煤灰的掺量在40%以上时，混凝土的中后期强度降低也较大，但是比早期降低得小。

图2 C30混凝土水化放热性能随粉煤灰掺量的变化规律

表3 C30混凝土各龄期抗压强度MPa

2.2 C60混凝土

2.2.1 热峰时间、温峰时间、热峰值、最大温升

由图3可以看出:①在0～50%的掺量范围内，热峰时间和温峰时间均随粉煤灰掺量的增加而增大，即呈现延迟趋势。②粉煤灰掺量为0～50%时，热峰值和最大温升均随粉煤灰掺量的增加而降低。粉煤灰掺量为50%时，热峰值和最大温升相对于粉煤灰掺量为40%时改变不明显。粉煤灰掺量为0～20%时热峰值和最大温升降速较快。

2.2.2 不同掺量粉煤灰混凝土各龄期的抗压强度

由表4可以看出，粉煤灰的加入会降低C60混凝土的抗压强度。当粉煤灰的掺量在40%以内时，混凝土的中后期强度降低较小(当粉煤灰掺量为30%时，混凝土的56 d强度甚至超过了基准组混凝土强度)，早期强度降低较明显;当粉煤灰的掺量在40%以上时，混凝土的中后期强度降低较大，但是降低幅度比早期小。

图3 C60混凝土水化放热性能随粉煤灰掺量的变化规律

表4 C60混凝土各龄期抗压强度MPa

2.3 温升降低率

温升降低率(TR)可反映粉煤灰对混凝土放热的温升降低效应。其计算公式为

式中:TRi为粉煤灰掺量为i时的温升降低率;T0为基准混凝土的最大温升;Ti为粉煤灰掺量为i时混凝土的最大温升。

C30和C60两种混凝土的温升降低率见图4。由图可见:在0～50%的掺量范围内，两种混凝土的温升降低率均随粉煤灰掺量的增加而增大;C30混凝土的温升降低率大于C60混凝土，表明粉煤灰对C30混凝土的温升降低效应要强于C60混凝土。

图4 两种混凝土的温升降低率

2.4 机理分析

2.4.1 放热性能分析

无论是C30混凝土还是C60混凝土，随着粉煤灰掺量的增加，热峰时间和温峰时间均呈滞后的趋势，热峰值和最大温升均呈降低的趋势，这表明粉煤灰对混凝土的放热性能总体上呈现延缓和降低的趋势。研究表明，粉煤灰对水泥和粉煤灰组成的胶凝体系的水化反应具有促进和延缓的双重作用，但是总体上表现为延缓作用。粉煤灰对胶凝体系的延缓作用主要是由于两个原因:①因物理作用细小的粉煤灰颗粒黏附在水泥颗粒表面，而粉煤灰中的玻璃微珠性能稳定，在水化初期反应缓慢［2］;②粉煤灰延迟了钙矾石的分解，过多的钙矾石覆盖在水泥颗粒表面，阻碍了其水化反应的进行。这两种因素都会导致水泥的水化热降低，体现在混凝土上就是对其放热性能产生延缓和降低的作用［3］。

粉煤灰对C30混凝土的温升降低效应强于C60混凝土的原因是:在水泥用量大和水灰比低的情况下，C60混凝土比C30混凝土有更大的温升［4］，而且粉煤灰比水泥有更强的温度敏感性，温度升高时其水化进程明显加快［5］，从而放出更多的热量使得C60组的温升降低比C30组的小。

2.4.2 强度分析

粉煤灰对混凝土强度的影响主要是其微集料效应和火山灰效应。当粉煤灰的掺量在40%以内时，粉煤灰的微集料效应对混凝土强度影响较大。主要体现在三个方面:①粉煤灰中的玻璃微珠成分本身就具有很高的强度［6］;②微集料效应明显增强了硬化浆体结构的强度;③粉煤灰微粒在水泥浆体中分散良好，改善了浆体的均匀性，很好地填充了硬化浆体中的孔隙。这就使得粉煤灰掺量在40%以内时，混凝土的强度，特别是中后期强度和基准混凝土相差不大。而当粉煤灰的掺量＞40%时，粉煤灰的火山灰效应对混凝土强度的影响起主要作用，而火山灰反应缓慢，造成了混凝土早期强度的大幅度降低［7］。

3 结论

1)无论是C30混凝土还是C60混凝土，粉煤灰的掺入均会延迟其热峰时间和温峰时间，降低其热峰值和最大温升。总体来说，粉煤灰对C30混凝土的温升降低效应要强于C60混凝土。

2)无论是C30混凝土还是C60混凝土，粉煤灰的掺入均会降低其早期抗压强度。在掺量＜40%时，混凝土的后期强度降低较小。

3)粉煤灰对水泥混凝土的放热性能产生延缓和降低的作用，同时因其自身的温度敏感性会导致粉煤灰对C30混凝土的温升降低效应强于C60混凝土。粉煤灰的微集料效应和火山灰效应是影响粉煤灰混凝土强度的根本原因。

［1］徐刚.大体积混凝土基础施工裂缝控制研究［D］.天津:天津大学，2007.

［2］马保国.Ⅱ级粉煤灰对混凝土早期抗裂性能影响的试验研究［J］.新型建筑材料，2007(12):1-4.

［3］王冲.粉煤灰与矿渣的早期火山灰反应放热行为及其机理［J］.硅酸盐学报，2012，40(7):1050-1058.

［4］韩建国，张闰，郝卫增.水胶比和粉煤灰对混凝土绝热温升的影响［J］.混凝土，2009(10):10-12.

［5］汪冬冬.粉煤灰和矿渣粉的温度敏感性研究［J］.粉煤灰，2008(3):14-17.

［6］王强，阎培渝.变温条件下粉煤灰对混凝土抗压强度的影响［J］.混凝土，2008(3):1-3.

［7］吴建华.高强高性能大掺量粉煤灰混凝土研究［D］.重庆:重庆大学，2004.

Experimental study on influence of gradeⅡfly ash amount on heat-releasing performance and compression strength of concrete

LIU Xiaolong1，2，LUO Zhu1，TIAN Bo1，Hou Ziyi2
(1.Research Institute of Highway Ministry of Transport，Key Laboratory of Road Structure and Material，Ministry of Communications，Beijing 100088，China;2.Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

T he paper looks into two types of concrete-C30 and C60，and carries out indoor experimental study on gradeⅡfly ash amount and its influence on the thermal spike，its corresponding time，maximum temperature surge and the temperature spike time of both specimens.T he results indicate that the increase of gradeⅡfly ash amount tends to put off the corresponding time for the occurrence of temperature spike，and at the same time lowers the maximum temperature surge.It needs to be mentioned that C30 specimen is more sensitive to ash's influence on temperature surge.In regard to compressive strength，gradeⅡfly ash amount stands as an influential factor at the beginning of the experiment，which as it reaches 40%tends to decline afterwards.T he paper explores the influence of gradeⅡfly ash amount to the heat-releasing performance and compressive strength of concrete in theory and discusses the mechanism behind.

GradeⅡfly ash;Cement concrete;Heat-releasing performance;Compressive strength

TU528.45

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.42

1003-1995(2015)05-0166-04

(责任审编葛全红)

2014-10-20;

2015-03-13

交通运输部建设科技项目(201231879210)

刘晓龙(1988—)，男，河北正定人，硕士。