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摘要：粉煤灰混凝土（HVFAC）虽然具有绿色节能优势，但由于早期强度偏低、凝结硬化慢等问题而受到业界的质疑。以同时优化粉煤灰和水泥的粒度，较粗粉煤灰和较细水泥相互混入的思路，经过试验表明，同时增大水泥的比表面积和减小粉煤灰的比表面积，可制备早龄期性能符合要求的 HVFAC。
关键词：颗粒尺寸；大掺量粉煤灰混凝土（HVFAC）；抗压强度；
HVFAC作为绿色、可持续的混凝土材料，与普通混凝土相比，HVFAC 以大掺量的粉煤灰取代水泥，直接目的是既节约了水泥又优化了混凝土的性能，间接目的则是既能节约能源又能减少CO2，等温室气体的排放。然而，由于大多数粉煤灰（尤其是占市场份额较大的低品质粉煤灰）的水硬性差、早期水化活性低，随着粉煤灰掺量的增大，混凝土通常表现出凝结硬化慢、早龄期强度偏低的缺陷，难以满足现代工程结构施工速度快、建设周期短的要求。为改善HVFAC的早期性能，通常采用添加外加剂（如促凝剂、石灰石微粉）、选用高早强水泥、降低水胶比等技术措施。这些技术措施在发挥作用的同时，也在一定程度上增加了混凝土的生产成本、降低了水泥的实际节约率及诱发了其他副作用。以比表面积大的“粗”粉煤灰混入比表面积小的“细”水泥，得到早期强度提高且后期性能不受影响的优化HVFAC胶凝材料体系。在这一思路的指导下，以砂浆为对象，通过试验手段定量分析了这一HVFAC早期性能优化方案的可行性和有效性。
一、试验
（一）原材料和配合比
1.原材料
制备砂浆的胶凝材料主要水泥和粉煤灰（FA），两者的主要化学成分及物理性质详见表1，其中比表面积为未经磨细或分选之前的初始测定值。砂（S）采用中国ISO标准砂，拌合水（W）为当地市政管网中的自来水。用于改善拌合物流动性的高效减水剂（SP）由某特种建材供应商提供，系聚竣酸盐超塑化剂，固含量为42%。
为了较充分地把握粉煤灰掺量和粉煤灰与水泥粒度组合对HVFAC早期性能的影响，设定主要试验参数为粉煤灰的掺量、粉煤灰的粒度和水泥的粒度。为量化粉煤灰和水泥粒度的影响起见，以比表面积（）衡量之。如表2所示，分别设置了4个参数水平的粉煤灰和水泥比表面积，较原始水泥（代号为OPC）颗粒更细的水泥样品（代号为OPC1-OPC4）通过二次球磨得到；较原始粉煤灰（FA）颗粒更粗的粉煤灰样品（代号为FA1-FA4）通过分选得到。本研究旨在评价“粗”粉煤灰混入“细”水泥产生的效应，表2同时给出了水泥的D90（粗端粒度指标）和粉煤灰的D10（细端粒度指标）（D90、D10。分别表示累计粒度分布数为90%，10%所对应的颗粒公称粒径）。
2.砂浆的配合比
本研究共考察了14种砂浆，它们的编号和配合比如表3所示。所有配合比的胶凝材料、水和标准砂的体积分数均保持相同，分别为25%，22%，53%。考虑到水泥和粉煤灰的密度不同，相对于未掺粉煤灰的配合比（代号为OFA-0PC），粉煤灰的掺量（）均按等体积原则替代水泥，掺量分为35%、50%、65%三个水平。代号为50OFA-OPC的砂浆相当于胶凝材料未进行粒度优化的大掺量粉煤灰砂浆，旨在与优化后的情况形成对比。鉴于按全参数、全水平设置试验，涉及的配合比（4×4×3=48个）和工作量太大，故按正交设计方法进行减量化处理。优选得到的配合比详见表3中除OFA-OPC和5OFA-OPC（均可视为基准配合比）之外的 12个配合比。高效减水剂的剂量根据砂浆等稠度的原则予以确定，稠度（设定为 50ｍｍ±10ｍｍ）以不影响试件成型为宜。
（二）试验内容及方法
1.抗压强度
参照JGJ 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》规定的方法测试砂浆的抗压强度，测定龄期依次为1，3，7，28，90ｄ。立方体砂浆试件成型后即在表面依次覆盖塑料薄膜和湿布，24ｈ后脱模立即进行试验（1ｄ 龄期情况）或浸于饱和石灰水中养护至规定龄期再测试。所有试验均在温度为（20±１）℃、相对湿度（RH）为（60±5）%的环境中进行。
2.拟绝热温升
以规格为φ50ｍｍ×100ｍｍ的圆柱体试件为对象，实时监测起初 3ｄ龄期内砂浆准绝热条件下的温度演变特性。具体步骤如下：砂浆搅拌后立即装入圆柱形塑料试模内并插捣密实，将试模连同砂浆一并置于泡沫塑料保温盒内以防止热量散失，之后将热电偶的探测端插入浆体中心位置，连接端与数据采集仪相连，盖严保温顶盖将试件完全密封，即可对其进行内部温度实时监测，同时监测养护环境温度。
3.凝结时间
按照JGJ 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法》规定的方法，测量部分砂浆（OFA-0PC，50FA-OPC，35 FAI-0PC3）的凝结时间（包括初、终凝时间），期间应采取有效措施防止砂浆内部水分的逸散。
二、结果和讨论
（一）抗压强度特性
各配合比的砂浆90d内的抗压强度发展特性如图1所示，考虑到粉煤灰掺量是本文所考察的3个参数（即粉煤灰掺量、粉煤灰细度和水泥细度）中对强度影响最显著的参数，同时便于数据呈现更清晰直观，图1分别给出了粉煤灰掺量为35%，50%，65%的砂浆抗压强度随龄期的发展规律。为了更清晰地反映早龄期的强度发展速率，横坐标以时间对数表示。当粉煤灰掺量为35%时，粉煤灰砂浆各龄期的强度与基准砂浆接近或相当。当粉煤灰掺量增大至50%或65%时，粉煤灰砂浆各龄期的强度均较基准砂浆出现大幅度降低。
其次，式（1）中对应粉煤灰比表面积（或细度）的系数b随龄期增大而增大，表明粉煤灰的粒度分布对后期强度的影响大于早龄期。就回归分析结果而言，粉煤灰粒度对1，3，7d强度的影响可忽略不计，反之对28，90d强度的影响则较大。就本研究范围而言，“粗”粉煤灰颗粒不如“细”粉煤灰颗粒易参与二次水化反应，要提高HVFAC的后期强度，须适当细化粉煤灰的粒度。
与粉煤灰粒度对强度影响的规律正好相反，水泥的粒度分布主要影响掺粉煤灰砂浆的早期强度，而对28，90d强度的影响可忽略不计。随着水泥颗粒的细化，早龄期水化速率加快，从而使混凝土的凝结硬化速率加快，早期强度得以提高。对于后期而言，粗颗粒水泥也有充分时间完成水化，因此水泥粒度对后期强度影响不明显。
基于上述分析，以“细”水泥和“粗”粉煤灰的配置方式改善HVFAC的早期特性是可行的。式（1）所示的回归多项式也具有多重用途，如可用于优化HVFAC配合比设计时估算水泥的合理比表面积，亦可用于在已知强度目标的前提下预估粉煤灰的体积掺量。
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图4 砂浆的抗压强度与准绝热温升的关系
凝结时间的测试结果表明：相对于不掺粉煤灰的基准砂浆（0FA-0PC，初、终凝时间分别为168min和214min），胶凝材料粒度经优化的砂浆的凝结时间（如35FA1-0PC3，初、终凝时间分别为227min和267min）还是有一定程度的滞后。然而，相对于胶凝材料粒度未优化的砂浆（即50FA-0PC，初、终凝时间分别为258min和318min），胶凝材料粒度经优化的砂浆的凝结时间还是有较大程度的缩短。由此可见：对HVFAC的胶凝体系的粒度加以整体优化，既可以提高早期强度，又能一定程度上缩短凝结时间。
三、结束语
水泥的比表面积主要影响砂浆的早期强度，粉煤灰的比表面积则主要影响砂浆的后期强度。与水泥和粉煤灰的比表面积相比，粉煤灰掺量对砂浆强度的影响最为显著。掺粉煤灰砂浆的抗压强度与其准绝热条件下的温升峰值近似呈现为线性关系。粉煤灰掺量越高，准绝热温升值越小。水泥的比表面积越大，温升值越大。胶凝材料经粒度优化后，砂浆的凝结时间有较大幅度的缩短。
论文作者:李剑
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/24
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