大掺量粉煤灰混凝土早期抗压强度及凝结时间的影响因素研究
大掺量粉煤灰混凝土早期抗压强度及凝结时间的影响因素研究
粉煤灰作为火力发电厂的主要副产物之一，其利用率一直不高。如果能在混凝土中合理使用，不仅取代了大量水泥，而且能使粉煤灰变废为宝，符合国家绿色发展的理念。本文通过考察不同因素对大掺量粉煤灰混凝土早期抗压强度及凝结时间的影响，探讨各影响因素对混凝土早期抗压强度及凝结时间变化规律。
粉煤灰作为火力发电厂的主要副产物之一，其利用率一直不高，据相关统计，我国在2009年全年的粉煤灰排放量超过3.7亿t其中超过一半粉煤灰因得不到有效利用成为环境负荷，因此如何对粉煤灰进行综合利用被广泛关注。粉煤灰作为火山灰质材料，如果能在混凝土中合理使用，不仅取代了大量水泥，而且能使粉煤灰变废为宝，符合国家绿色发展的理念。
水灰比低且粉煤灰取代混凝土中水泥含量超过一半，通常被称为大掺量粉煤灰混凝土，目前大掺量粉煤灰混凝土已经应用于道路工程、大体积混凝土工程及桥梁下部结构等领域，相关研究显示，用粉煤灰取代混凝土中的部分水泥，能有效降低生产成本，一定程度上改善混凝土的相关性能，同时也有利于生态环境等积极作用，因此文中通过考察不同因素对大掺量粉煤灰混凝土早期抗压强度及凝结时间的影响，探讨各影响因素对混凝土早期抗压强度及凝结时间变化规律。
试验材料、仪器及方案
- 试验材料
本次测试采用水泥采用某水泥厂生产的硅酸盐水泥（PII52.5），电厂提供粉煤灰（二级粉煤灰）与石灰石，根据相关标准选择聚羧酸系减水剂（减水率25%～40%），砂子是未经处理中粒度河砂，石子粒径为5～20mm。试验材料化学组成见表1。
样品制备模具、混凝土养护设备、长臂振动台等，采用DYE-2000型压力测试仪对粉煤灰混凝土抗压强度进行测试。粉煤灰混凝土模具尺寸为100100100mm，具体测试方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。本次研究主要考察煤灰、石灰石粉、减水剂含量及养护温度对大掺量粉煤灰混凝土早期力学性能和凝结时间的影响。试验中粉煤灰掺量分别设为25%、45%、65%；石灰石掺量0、6.5%、8.5%；减水剂掺量分别为0.9%、1.1%、1.3%；养护温度设置为室温45、65℃。具体试验方案见表2。
结果与讨论
- 粉煤灰惨量对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度和凝结时间的影响
选择粉煤灰掺量分别为25%、45%、65%，在28d时，其混凝土对应的抗压强度分别为44.96、44.17和15.13MPa。掺量为25%时，比掺量为45%、65%的抗压强度分别高出0.79、29.83MPa，说明随着粉煤灰掺量提高，超过45%后，其早期抗压强度迅速下降，主要原因可能是早期的粉煤灰水化参与度低，未形成明显的水化产物具有密切关系，可解释为混凝土中的粉煤灰降低孔隙，提高混凝土中蒸气压，同时细颗粒能降低水分降低蒸发的效率，具体如图1所示。
由表3可看出，混凝土的凝结时间随着粉煤灰掺量的增加而延长，需要指出当粉煤灰超过一定比例，凝结时间延长越明显。这与粉煤灰的空间结构与粒径有密切关系，其空间结构与较细的粒径都不利于水分的蒸发，从而导致混凝土的凝结时间变长。
- 石灰石粉惨量对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度和凝结时间的影响
固定粉煤灰掺量为45%，石灰石粉选择掺量分别为0、6.5%、8.5%，在3d时，其混凝土对应的抗压强度分别为22.70、5.7和5.3MPa，掺量为28时，对应的抗压强度分别为41.17、29.90和28.60MPa，说明在随着石灰石掺量的提高，对早期的抗压强度中具有明显不利的影响，具体如图2所示。
从表4可知，石灰石粉取代部分的水泥，可有效缩短终凝时间，掺量为6.5%、8.5%比掺量为0时的终凝时间分别缩短20、25min；对于初凝时间，则与终凝时间相反，掺量为6.5%、8.5%比掺量为0时的终凝时间分别延长65和75min，因此对于石灰石粉掺量的比例需要根据对初凝时间与终凝时间的要求进行综合考量。
- 减水剂对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度和凝结时间的影响
减水剂的添加量对大掺量粉煤灰混凝土的抗压强度具有明显的相关性，具体表现为，在3d时，添加量为1.1%与1.3%时，混凝土的抗压强度相差不大，分别为22.7MPa与21.4MPa，当减水剂添加量为0.9%，其抗压强度为16.7MPa；28d时，减水剂添加量为0.9%、1.3%时，两者对应的抗压强度基本相同，均为32MPa左右。说明在粉煤灰固定的情况下，减水剂添加量在1.1%附近，混凝土抗压强度具有一个较优值。
从表5可知，无论初凝时间还是终凝时间，减水剂添加量为1.3%均为最长，分别为160和950min，减水剂添加量为0.9%时，其初凝时间与终凝时间均最短，分别为90和745min，这种表现主要跟减水剂的性质有关，减水剂具有分散作用，高效减水剂分散作用越明显，当减水剂的添加量不断上升，其在大掺量粉煤灰混凝土中分散作用也不断提高，最终体现为减缓混凝土的硬化。
- 养护温度对大掺量粉煤灰混凝土抗压强度和凝结时间的影响
从图4可知，当考察时间为14d时，不同养护温度随着时间推移，其对应的抗压强度均呈现逐渐上升的趋势，14～28d时，养护温度为室温、45℃，抗压强度依旧保持缓慢上升的趋势，而养护温度为65℃时，所对应的抗压强度则明显下降，相比14d时，抗压强度下降了14.45MPa，同时可观察到在混凝土表面出现明显裂缝，这主要跟高温导致混凝土毛细孔、胶凝孔的水分被迅速蒸发，毛细吸附力显著提升有关。
从表6可知，养护温度越高，对初凝时间与终凝时间均有积极作用，能有效缩短初凝时间与终凝时间，当养护温度从室温提高到45℃，初凝时间缩短了15min，终凝时间缩短了265min。主要原因是温度的提高，有效改善分子反应活性，能更快发生水化形成C-S-H凝胶，从而加速混凝土的硬化。
结论及展望
（1）随着粉煤灰掺量提高，超过45%后，其早期抗压强度迅速下降，同时粉煤灰凝结时间延长明显，这可能与混凝土中粉煤灰降低孔隙，提高混凝土中蒸气压，同时细颗粒能降低水分蒸发效率有紧密关系。
（2）石灰石粉掺量分别考察0、6.5%、8.5%，其抗压强度均随时间推移逐渐上升，但同时期掺量越高，其抗压强度越低，说明在随着石灰石掺量的提高，对早期的抗压强度中具有明显不利影响。石灰石粉取代部分水泥，可有效缩短终凝时间，但延长初凝时间，因此对于石灰石粉掺量的比例需要根据对初凝时间与终凝时间的要求进行综合考量。
（3）减水剂的添加量对大掺量粉煤灰混凝土的抗压强度具有明显的相关，具体表现在减水剂添加量在1.1%附近，混凝土抗压强度具有一个较优值。随减水剂添加均能延长初凝时间与终凝时间，表现主要跟减水剂的性质有关，减水剂具有分散作用，高效减水剂分散作用越明显，最终体现为减缓混凝土的硬化。
（4）14d内，养护温度对应的抗压强度均呈现逐渐上升的趋势，14～28d时，养护温度为65℃对应的抗压强度则明显下降，且出现明显细缝。养护温度越高，对初凝时间与终凝时间均有积极作用，能有效缩短初凝时间与终凝时间，要原因是温度的提高，有效改善分子反应活性，能更快发生水化形成C-S-H凝胶，从而加速混凝土的硬化。
文中研究了粉煤灰掺量、石灰石粉掺量、减水剂的添加量及养护温度对大掺量混凝土早期性能的影响，但在对多因素耦合及长期的影响未进行考察，这是未来开展研究的重点及方向。