摘要：在高掺量粉煤灰混凝土中掺加化学激发剂来提高粉煤灰的早期活性，与普通混凝土对比试验，得出了高掺量粉煤灰混凝土（粉煤灰掺量25%~35%）在拉、压物理力学性能、抗冻性能及抗冲磨性能等方面的技术指标均有提高，为今后大规模使用高掺量粉煤灰混凝土开辟了新的技术途径。
关键词：粉煤灰 化学激发 防渗性能 抗冻性能
1 引 言
混凝土是建筑工程中用量最大的建筑材料，而水泥作为混凝土的重要组成部分，在生产过程中会向大气中排放大量的CO2，造成环境污染、温室效应和全球变暖等不利影响。考虑到全球的可持续发展，迫切需要在混凝土工业中以辅助胶凝材料大比例替代水泥，强调建筑材料本身的生态化，高掺量粉煤灰混凝土成为很有潜力的一个开发研究方向。
目前，我国《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL/T5055-1996）中规定的粉煤灰取代水泥的最大限量抗冻融混凝土为25%，抗冲耐磨混凝土为10%。本文针对粉煤灰掺量为25%~35%的混凝土拉、压物理力学性能、抗冻性能及抗冲磨性能进行试验研究，发现在高掺量粉煤灰混凝土中添加高效引气减水剂和粉煤灰活性激发剂的方法能够改善其各项性能指标，研制出的高掺量粉煤灰混凝土各项性能均满足一般水工混凝土的要求。
2 试验用原材料及配合比
2.1原材料
试验用水泥为山水集团产P•O32.5级水泥；粉煤灰为邹县电厂Ⅰ级粉煤灰；细骨料为泰安中粗砂，细度模数3.10（中粗砂）；粗骨料为济南南部山区仲宫碎石，粒径5～20mm；高效引气减水剂采用山东省水利科学研究院技术开发部产SKY-1型外加剂，粉煤灰活性激发剂采用自制SKY-Z型。
2.2混凝土配合比
试验用混凝土配合比见表1。
表1试验配合比单方材料用量表（单位：kg/m3）
注：配合比设计强度等级C25，混凝土拌合物坍落度为0.5cm。
3 力学性能试验结果及分析
3.1高掺量粉煤灰混凝土的抗压强度
根据混凝土配合比制作尺寸100mm×100mm×100mm混凝土抗压强度试件，测试其抗压强度如表2。
（1）粉煤灰混凝土早期强度低，后期强度高
由表2可见粉煤灰混凝土的28天强度并非为最大值，在28天龄期以后，强度有显著增长。而普通混凝土28天强度基本可以达到其最大强度值，后期强度增长较缓慢。
（2）加入活性激发剂提高粉煤灰混凝土早期强度
由表2可见在粉煤灰掺量为35％的情况下，掺加自制SKY-Z型激发剂的混凝土1d、3d、7d、28d、90d抗压强度分别为未掺加激发剂混凝土抗压强度的193%、170%、110%、109%、103%，大大提高了混凝土的早期强度，且不影响混凝土后期强度的增长。
表2 混凝土抗压强度测试结果
（3）不同粉煤灰掺量下SKY-Z型激发剂早强效果均较好
由表2可见在胶凝材料总量不变的情况下，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗压强度会呈下降趋势，但相同掺量粉煤灰的混凝土再掺加活性激发剂后抗压强度均有提高。
3.2高掺量粉煤灰混凝土的劈拉、抗折强度
根据混凝土配合比制作试件标准养护28d，分别测其轴心抗压强度、劈拉强度和抗折强度，试验结果见表3。
表3 混凝土轴心抗压强度、劈拉和抗折强度测试结果
高掺量粉煤灰混凝土与普通混凝土抗压强度相当，但劈裂抗拉强度与扛折强度较普通混凝土有所提高，混凝土拉压比、折压比的提高说明混凝土在粉煤灰掺量为25%~35%范围内较普通混凝土有害孔有所减少，密实性提高。
从试验结果分析理论成因，混凝土中浆体与骨料间界面是最薄弱的环节，粉煤灰掺入混凝土后，粉煤灰与水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应形成C5S6H5，一方面促进界面附近水泥的水化过程，同时粉煤灰中玻璃体水化后形成水化硅酸钙与水泥石界面粘结力增强，提高了混凝土的抗拉、抗折强度。
4 耐久性能试验结果及分析
4.1高掺量粉煤灰混凝土的抗渗性能
根据混凝土配合比制作抗渗试件，标准养护28d，测试各组混凝土在1.2MPa水压力下恒定24h后的渗水高度，试验结果见表4。
由表4可以看出，掺入粉煤灰、高效引气减水剂能够显著提高混凝土的抗渗性能。掺加活性激发剂的高掺量粉煤灰混凝土表现出更好的28天抗渗性能，这是因为粉煤灰掺入混凝土后化学性能稳定的莫来石和石英主要起到微集料作用，改善硬化混凝土均匀性，充填、细化混凝土中的孔隙和毛细孔，增强硬化浆体的结构强度和抗渗透能力；而具有潜在化学活性的铝硅玻璃体在激发剂的作用下充分反应，优化了混凝土微观结构，提高了混凝土强度，进而提高混凝土的抗渗性能。
表4 混凝土相对抗渗性试验测试结果
4.2高掺量粉煤灰混凝土的抗冻融性能
根据混凝土配合比制作抗冻试件，标准养护28d，做混凝土快速冻融试验，试验结果见表5。
表5 快冻法试验测试结果
由表5可以看出混凝土的抗冻性能与是否掺加引气减水剂有关。编号为1的普通混凝土在100次冻融循环后相对动弹模数下降至23.0%，抗冻性能较差。这是由于掺用引气减水剂后，混凝土用水量减少，同时大量微小的气泡占据着混凝土的自由空间，切断了毛细管的通道，增加了混凝土的密实性和抗渗性，从而提高混凝土的抗冻性能。
由表5可以看出，粉煤灰掺量由25%增加至35%，混凝土抗冻等级呈下降趋势，这是由于：随着粉煤灰掺量的增加，在相同水胶比下，水泥浆体体积增大，降低了单位体积内的含气量，影响了混凝土的抗冻融性能；另外，随粉煤灰掺量的增加，水泥用量相对减少，而各组试件是在28d龄期时开始进行冻融循环试验的，此时粉煤灰对混凝土的活性效应尚未充分发挥，因此，粉煤灰掺量大的试件强度较低，抗冻性较差。
掺加SKY-Z型活性激发剂后，相同配合比的高掺量粉煤灰混凝土抗冻性能有了大幅提高，均能达到F200抗冻等级。粉煤灰活性激发剂的掺加能够改善混凝土的界面结构，增加混凝土的密实度，显著提高了粉煤灰混凝土的抗冻性能。
5 抗冲磨性能试验结果及分析
根据混凝土配合比制作规格直径为300mm，高为100mm的混凝土抗冲磨试件，标准养护28d和90d，依据《水工混凝土试验规程》DL/T5150-2001水下钢球法进行混凝土抗冲磨试验，试验结果见表6。
一般来说，混凝土的耐磨蚀性能与混凝土抗压强度有很大关系，采用比较硬的集料和比较低的水胶比可以提高混凝土的耐磨蚀性能。粉煤灰颗粒较细，人们通常认为将其加入混凝土会降低混凝土的耐磨蚀性能。
（1）粉煤灰掺量增加，混凝土抗冲磨性能下降
由表6可以看出，与普通混凝土相比，掺加粉煤灰后混凝土的抗冲磨性能有所下降。随着粉煤灰掺量的增加，表现为混凝土抗冲磨强度降低，磨损率变高，混凝土抗冲磨性能下降。这是由于粉煤灰的火山灰反应速度比较慢，相对于普通混凝土抗压强度较低，导致的混凝土的抗冲磨性能下降。
（2）激发剂改善高掺量粉煤灰混凝土抗冲磨性能
由表6可以看出，掺加活性激发剂后，粉煤灰掺量为25%的混凝土与普通混凝土的抗冲磨性能大致相同，但是随着粉煤灰掺量的增大，仍低于普通混凝土。普通混凝土的28d抗压强度为37.5MPa，而粉煤灰掺量为25%、30%、35%的混凝土28d抗压强度分别为43.9MPa、38.1MPa、37.1MPa，可以看出等强度的粉煤灰混凝土，其耐磨性是低于普通混凝土的。但与未掺加激发剂的粉煤灰混凝土相比较抗冲磨性能提高了约110%，可见激发剂能够提高高掺量粉煤灰混凝土的抗冲磨性能。
表6 水下钢球法试验测试结果
注：抗冲磨强度即单位面积上被磨损单位质量所需的时间，单位为h/(kg/m2)。
（3）高掺量粉煤灰混凝土抗冲磨性能随龄期延长而提高
由表6可以看出，90d龄期的高掺量粉煤灰混凝土抗冲磨性能与普通混凝土相比已没有明显差距，甚至略高于普通混凝土。如果考虑到Ca(OH)2的淋滤结晶功能，高掺量粉煤灰混凝土中因为Ca(OH)2的减少，将粉煤灰用于水工混凝土结构是有利于耐磨蚀性能提高的。
6 结语
（1）高掺量粉煤灰混凝土（粉煤灰掺量25%~35%）具有较高的后期强度，而普通混凝土后期强度增长则十分缓慢。
（2）高掺量粉煤灰混凝土（粉煤灰掺量25%~35%）具有优异的抗渗性能，掺加化学激发剂后抗冻融等级达到F200，能够满足一般水利工程混凝土结构抗冰冻的要求。
（3）高掺量粉煤灰混凝土（粉煤灰掺量25%~35%）90天龄期的抗冲磨性能与普通混凝土相当，并未出现因掺加粉煤灰而引起的抗冲磨性能大幅下降的现象。
鉴于高掺量粉煤灰混凝土水化时间长，后期性能大幅增长的特点，以90天龄期抗压强度和耐久性能作为高掺量粉煤灰混凝土的设计指标更为合理，可进一步减少胶凝材料用量，其经济效益和社会效益更加显著。
