不同种类粉煤灰对混凝土性能的影响

王伟，杨善顺，连亚明，陈贤锡

（厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027）

不同种类粉煤灰对混凝土性能的影响

王伟，杨善顺，连亚明，陈贤锡

（厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027）

在试配过程中发现不同颜色的粉煤灰对混凝土工作性影响较大，即采用两种不同颜色的粉煤灰拌制混凝土进行对比研究，包括工作性和抗压强度。试验结果表明，同强度等级同配合比条件下，黄色粉煤灰拌制的混凝土工作性更好；28d 抗压强度对比中，黄色粉煤灰拌制混凝土强度偏低。通过对两种颜色粉煤灰进行微观分析，包括 XRD、SEM、激光粒度分析和主要物质成分分析，解释了两种颜色粉煤灰对混凝土性能的影响机理。

粉煤灰；混凝土性能；XRD；SEM

0 引言

在当代混凝土中，活性矿物掺合料，尤其是粉煤灰的品质，直接影响到混凝土拌合物的施工性能、硬化后混凝土的力学性能以及混凝土结构件在长期使用中的耐久性能。因此，具有良好品质和稳定性的粉煤灰是确保混凝土实现高性能的重要前提[1-2]。

粉煤灰可以简单地解释为：“粉”就是很细的粉末；“煤”说明粉煤灰的来源是煤；“灰”则是经过燃烧后产生的灰烬。具体到我国，粉煤灰主要来自于燃煤电厂煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰。粉煤灰已经从一种工业废弃物转变为了不可或缺的新兴建材原料和化工产品的原料[3-4]。

粉煤灰的主要来源是以煤粉为燃料的火电厂和城市集中供热锅炉，由此可见，粉煤灰的性能与燃烧的煤粉密不可分。最直观的就是粉煤灰的颜色，常见的粉煤灰颜色在乳白色到灰黑色之间变化。为研究不同颜色的粉煤灰对混凝土性能的影响，笔者分别采用了两种颜色的粉煤灰进行对比研究，包括混凝土拌合物的和易性和抗压强度。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

试验选用福建红狮水泥股份有限公司的 P·O42.5R水泥，表观密度 3100kg/m3，28d 抗压强度 50.2MPa；三钢集团股份有限公司的 S95 级矿粉，表观密度2920kg/m3，28d 活性指数 102%；细集料为河砂，表观密度 2610kg/m3，细度模数 2.6；粗集料为普通碎石，表观密度 2670kg/m3，粒径 5～20mm（石 1）和16～31.5mm（石 2）两种；外加剂采用福建科之杰新材料有限公司的聚羧酸高性能减水剂，减水率 30%；试验用水为自来水，满足现行行业标准 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的要求。试验研究了厦门某公司生产的黄色和灰白色两种颜色的粉煤灰，如图 1 和图 2 所示。两种粉煤灰的部分技术指标如表 1 所示。

图 1 黄色粉煤灰

图 2 灰白色粉煤灰

表 1 粉煤灰技术指标

1.2 试验方法

粉煤灰的细度、需水量比按照 GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》进行试验；混凝土坍落度按照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；混凝土的力学性能按照 GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性试验能方标准》进行测试。

1.3 试验方案

为了充分研究两种颜色的粉煤灰对混凝土性能的影响，分别用两种粉煤灰配制了 C40、C45、C50 三个强度等级的混凝土，并进行试验，具体配合比见表 2。试验时保持配合比不变，仅仅更换两种不同颜色的粉煤灰进行对比。

表 2 强度等级 C40～C50 混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果及数据分析

2.1 试验结果

根据表 2 的混凝土配合比，进行了试拌，试拌结果如表 3 所示。从表 3 中看出，强度等级 C40，用黄色粉煤灰拌制的混凝土坍落度 200mm，灰白色粉煤灰拌制的混凝土坍落度 150mm，黄色粉煤灰拌制的混凝土工作性明显比灰白色粉煤灰拌制的混凝土工作性好；其余两个强度等级，黄色粉煤灰拌制的混凝土坍落度也明显大于灰白色粉煤灰拌制的混凝土坍落度。提高外加剂的掺量，使得两种颜色粉煤灰拌制的混凝土工作性相同，成型 (150×150×150)mm3标准立方体试块，标准养护，测得了 7d 和 28d 的抗压强度，如表 3 所示。

表 3 强度等级 C40～C50 混凝土试拌结果

由表 3 可以看出，达到相同工作性时，外加剂的掺量对比。从图 1 中可以看出，各强度等级中，采用黄色粉煤灰拌制的混凝土需要的外加剂掺量较小，C40 和C45 的混凝土外加剂掺量差值 0.05%，C50 的混凝土外加剂掺量差值达到 0.1%，为研究产生成这种差值的原因，分别检测了两种粉煤灰的需水量比。检测结果：黄色粉煤灰的需水量比为 91%，而灰白色粉煤灰的需水量比为 99%，进而从侧面佐证了混凝土试拌结果。

图 1 是两种颜色粉煤灰 7d 抗压强度对比，可以看出两种颜色的粉煤灰拌制的混凝土 7d 抗压强度相差无几。其中 C40 和 C50 两个强度等级，黄色粉煤灰拌制的混凝土比灰白色粉煤灰拌制混凝土 7d 抗压强度稍高；C45 强度等级，灰白色粉煤灰拌制的混凝土比黄色粉煤灰拌制混凝土 7d 抗压强度稍高。

图 2 是两种颜色粉煤灰 28d 抗压强度对比，可以看出两种颜色的粉煤灰拌制的混凝土 28d 抗压强度相差较大。3 个强度等级对比中，黄色粉煤灰拌制的混凝土比灰白色粉煤灰拌制的混凝土 28d 抗压强度低 5MPa 左右。两种颜色粉煤灰拌制的混凝土 28d 强度都能满足设计要求。

图 1 两种颜色粉煤灰 7d 抗压强度对比

图 2 两种颜色粉煤灰 28d 抗压强度对比

2.2 数据分析

图 3 是两种粉煤灰的 XRD 图像，f-1# 是黄色粉煤灰，f-2# 是灰白色粉煤灰。从图中可以看出，两种粉煤灰中都含有 Fe2O3，也就是意味着，粉煤灰呈现黄色并非因为含有 Fe2O3，而是其他原因。与黄色粉煤灰相比，灰白色粉煤灰中含有大量的莫来石。莫来石是一系列由铝硅酸盐组成的矿物统称，莫来石是 Al2O3-SiO2系中唯一稳定的二元化合物[6]。两种粉煤灰中都含有大量的石英和碳。

图 3 两种粉煤灰的 XRD 图像

表 4 主要物质成分 %

表 5 激光粒度分析 %

表 4 给出了两种粉煤灰主要物质成分。从表中可以看出，两种颜色的粉煤灰中 Fe2O3的含量在 15.5% 左右，直接证明粉煤灰显黄色，不是因为含有 Fe2O3；两种颜色的粉煤灰中 Al2O3的含量，黄色粉煤灰比灰白色粉煤灰低 7.23%；两种颜色的粉煤灰中 SiO2的含量，黄色粉煤灰比灰白色粉煤灰低 6.63% ；两种颜色的粉煤灰中 CaO 的含量，黄色粉煤灰比灰白色粉煤灰高4.63%，这正是粉煤灰显黄色的原因，从资料得知，高钙粉煤灰显黄色。

粉煤灰化学成分中含有大量活性 SiO2和 Al2O3，在潮湿的环境中与 Ca(OH)2等碱性物质发生化学反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，是硬化强度的主要来源[7-8]。分析认为：黄色粉煤灰 28d 抗压强度偏低，是因为黄色粉煤灰中 Al2O3和 SiO2含量相比灰白色粉煤灰偏低 14%。

从表 5 两种颜色粉煤灰激光粒度分析结果可以看出，黄色粉煤灰粒径小于 7.423µm 的颗粒体积含量占全部颗粒的 50%，灰白色粉煤灰粒径小于 17.564µm的颗粒体积含量占全部颗粒的 50%；黄色粉煤灰粒度＜3µm 含量占 28.844%，粒度＞65µm 含量占 0.049%，灰白色粉煤灰粒度＜3µm 含量占 11.956%，粒度＞65µm 含量占 6.659%，即黄色粉煤灰相对灰白色粉煤灰平均粒度要小。从资料得知：粉煤灰颗粒分布越偏向于细小颗粒，颗粒形状因子中圆度越大，则细小而密实的玻璃体含量越高，因而活性也越大，需水量就越小。解释了前面黄色粉煤灰需水量比较小的现象[9-10]。

图 4 分别给出了两种颜色粉煤灰的 SEM 图像。从图像中可以看出，两种粉煤灰都含有大量的球形玻璃微珠，都是质量良好的粉煤灰。通过对比发现，黄色粉煤灰微型玻璃微珠（＜3µm）含量更高，印证了激光粒度分析的测试结果。

3 结论

（1）黄色粉煤灰拌制混凝土和易性更好，但是28d 抗压强度相比灰白色粉煤灰降低 5MPa 左右。

（2）黄色粉煤灰中 Al2O3和 SiO2含量相比灰白色偏低 14%，是黄色粉煤灰抗压强度偏低的主要原因。

（3）粉煤灰显黄色，是因为 CaO 含量较高。

（4）黄色粉煤灰拌制混凝土和易性更好，是因为其平均粒度比灰白色粉煤灰小，微型玻璃微珠更多。

图 4 两种粉煤灰 SEM 图像

[1]温小非，吴庆，王波，等．粉煤灰替代细骨料的混凝土性能研究[J]．混凝土与水泥制品，2016(9): 19-23．

[2]孙家国，谷艳玲．基于矿渣微粉和粉煤灰再生混凝土配制的试验研究[J]．混凝土，2016(3): 110-113．

[3]陆小黑，刘焕成，王彩萍，等．机械活化对粉煤灰作为水泥混合材使用性能的影响[J]，粉煤灰综合利用，2013(6): 28-29．

[4]杨世锋，柴启辉，孙明权．胶凝材料对胶凝砂砾石材料抗压强度的影响[J]．人民黄河，2016, 38(7): 92-94.

[6]王子仪，王智，孙化强，等．脱硝对粉煤灰作为矿物掺合料性能的影响[J]．硅酸盐通报，2016,35(3): 884-890．

[7]李源，贾磊，马清波．粉煤灰、矿粉掺合料对低强度等级混凝土的强度及和易性的影响[J]．混凝土，2014, 10: 93-98．

[8]李旭光，陶珍东，杨鹤，等．粉煤灰粒度分布对水泥性能的影响[J]，徐州工程学院学报（自然科学版），2014, 29(1): 53-57．

[9]卞玉峰，徐振宁，罗翔．粉煤灰粒度分布对水泥性能的影响[J]．水泥工程，2013(6): 16-18．

[10]阎莉．减水剂、粉煤灰及水灰比对混凝土坍落度的影响[J]．城市建筑，2015(33): 234-234．

王伟（1988—），男，工程师，福建厦门，主要从事新型混凝土及建筑材料研究工作。

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