王述銀，郭文康，覃理利

粉煤灰品質(zhì)對碾壓混凝土性能的影響

王述銀a，b，郭文康a，b，覃理利a，b

（長江科學(xué)院，a.材料與結(jié)構(gòu)研究所；b.水利部水工程安全與病害防治技術(shù)研究中心，武漢 430010）

為解決某工程大壩碾壓混凝土Ⅰ級粉煤灰供應(yīng)不足的問題，探討了用Ⅱ級粉煤灰替代Ⅰ級粉煤灰的可能性。對數(shù)家Ⅰ級粉煤灰和Ⅱ級粉煤灰的物理化學(xué)品質(zhì)進行了試驗，同時通過混凝土性能試驗論證其使用效果，確定合適摻量和其它配合比參數(shù)。試驗比較了粉煤灰品質(zhì)對碾壓混凝土抗壓強度、抗拉強度、極限拉伸值、抗凍融性能、絕熱溫升、抗?jié)B等對其性能的影響，討論了粉煤灰品質(zhì)指標(biāo)影響混凝土各項性能的機理。在此基礎(chǔ)上提出了大壩混凝土合理使用粉煤灰的原則。

粉煤灰；碾壓混凝土；極限拉伸值；強度

1 研究背景

粉煤灰作為一種人工火山灰摻和料，在水工混凝土中的使用已有數(shù)十年歷史。早在20世紀30年代，美國建造胡佛壩時，為降低水泥混凝土的水化熱，就摻加了粉煤灰［1］，由于摻加粉煤灰可以有效降低混凝土的絕熱溫升和變形開裂，粉煤灰在大壩建設(shè)中的應(yīng)用越來越廣泛［2］。

近年來粉煤灰品質(zhì)不斷提高，特別是Ⅰ級粉煤灰的大量生產(chǎn)，粉煤灰也由過去一般作為混凝土填充料變?yōu)槿缃褡鳛楣δ苄圆牧?。粉煤灰的品質(zhì)對摻粉煤灰混凝土的性能有很大的影響，優(yōu)質(zhì)Ⅰ級粉煤灰由于其含碳量低、顆粒細、球形顆粒含量高，使其形態(tài)效應(yīng)、微骨料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)得以充分發(fā)揮，能起到固體減水劑的作用，一般可使混凝土用水量減少5%～15%［3］，與高性能減水劑配合使用，可大幅度降低混凝土的單位用水量，提高混凝土的抗裂性和耐久性。但由于近年來Ⅰ級粉煤灰供應(yīng)相對緊張、運輸距離長、且大壩碾壓混凝土對粉煤灰的需求量較大等原因，為保證某大壩的連續(xù)施工，研究中當(dāng)Ⅰ級粉煤灰供應(yīng)不足時，用Ⅱ級粉煤灰替代Ⅰ級粉煤灰的可行性。為確保粉煤灰供應(yīng)的質(zhì)量和數(shù)量，對數(shù)家Ⅰ粉煤灰和Ⅱ級粉煤灰的物理化學(xué)品質(zhì)進行試驗，同時通過混凝土性能試驗論證其效果，為確定合適摻量和其他配合比參數(shù)提供技術(shù)依據(jù)，提出大壩混凝土合理使用粉煤灰的原則。

2 試驗材料

試驗采用廣西柳州魚峰水泥股份有限公司生產(chǎn)的魚峰牌42.5中熱硅酸鹽水泥，經(jīng)品質(zhì)檢驗滿足國家相關(guān)標(biāo)準指標(biāo)要求。選用湖北陽邏、湖北漢川、四川宜賓、云南曲靖、河南首陽山、四川白馬等6家電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，貴州凱里、貴陽、廣西來賓、云南盤縣、云南曲靖、貴州安順、廣西田東、云南宣威等8家電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。人工石灰?guī)r砂細度模數(shù)為2.56，石粉含量為17.3%。粗骨料為石灰?guī)r加工而成。

3 粉煤灰品質(zhì)

6家電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰和8家電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰按國家標(biāo)準進行了檢驗，品質(zhì)檢驗結(jié)果列于表1和表2。

檢驗結(jié)果表明，6家電廠的Ⅰ級粉煤灰，均達到Ⅰ級粉煤灰的技術(shù)要求，其主要指標(biāo)需水量比為87%～93%，燒失量為3.82%～1.45%，品質(zhì)指標(biāo)變化范圍較大。比較6種Ⅰ級粉煤灰的抗壓強度比、需水量比、細度、燒失量大小的可知：漢川Ⅰ級粉煤灰的抗壓強度比最高，首陽山Ⅰ級粉煤灰的需水量比最小，漢川Ⅰ級粉煤灰的細度最小，首陽山Ⅰ級粉煤灰的燒失量最低。

8家電廠的Ⅱ級粉煤灰經(jīng)檢測均達到標(biāo)準中有關(guān)品質(zhì)要求。比較8種Ⅱ級粉煤灰的抗壓強度比、需水量比、細度、燒失量大小可知：田東粉煤灰的抗壓強度比最高，安順粉煤灰的需水量比最小，安順粉煤灰的細度最小，宣威粉煤灰的燒失量最低。

4 摻不同品質(zhì)粉煤灰的碾壓混凝土性能

采用某工程設(shè)計指標(biāo)為C9025W6F100壩體內(nèi)部三級配碾壓混凝土配合比，分別摻不同品質(zhì)粉煤灰進行碾壓混凝土性能對比試驗，試驗內(nèi)容主要包括：抗壓強度、極限拉伸值、抗?jié)B性、抗凍性、絕熱溫升等。

4.1 碾壓混凝土配合比

摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土性能試驗配合比見表3。摻Ⅱ級粉煤灰的碾壓混凝土配合比，參考摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土配合比中的膠凝材料用量、粉煤灰摻量、砂率、骨料級配等參數(shù)，根據(jù)Ⅱ級粉煤灰活性指數(shù)的不同，為保證28d齡期配制強度達到設(shè)計指標(biāo)，適當(dāng)減少粉煤灰摻量，重新計算混凝土配合比，進行試拌，試驗參數(shù)列于表4。

表1 Ⅰ級粉煤灰品質(zhì)檢驗結(jié)果Table 1 Quality test results for grade-Ⅰfly ash

表2 Ⅱ級粉煤灰品質(zhì)檢驗結(jié)果Table 2 Quality test results for grade-Ⅱfly ash

表3 碾壓混凝土試驗配合比Table 3 Proportioning of RCC m ixtures

表4 8種Ⅱ級粉煤灰的大壩碾壓混凝土試驗配合比Table 4 Proportioning of RCC m ixtures w ith grade-Ⅱfly ashes

由于不同電廠粉煤灰的需水量比有較大的差異，試驗過程中對單位用水量及引氣劑摻量進行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以使新拌碾壓混凝土VC值達到3～7 s，含氣量達到3%～4%的設(shè)計要求。

4.2 摻不同品質(zhì)粉煤灰碾壓混凝土的性能

對6種摻Ⅰ級粉煤灰和8種摻Ⅱ級粉煤灰的碾壓混凝土的VC值、含氣量等新拌混凝土拌和物性能及抗壓強度、軸拉強度、極限拉伸值等力學(xué)性能試驗結(jié)果分別列于表5、表6。

4.2.1 抗壓強度

從表5中試驗結(jié)果可看出，6組摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土28 d，90 d齡期抗壓強度均達到設(shè)計要求。摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土28 d齡期平均抗壓強度已分別達到或接近其90 d齡期設(shè)計強度等級，90 d齡期碾壓混凝土平均抗壓強度均達到設(shè)計要求，且有較大的富裕。

從表6試驗結(jié)果可知，摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土配合比的28 d齡期抗壓強度除凱里稍低外，其余均達到設(shè)計要求；90 d齡期抗壓強度均滿足設(shè)計要求。摻Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土的抗壓強度增長率平均值見圖1。從圖1可知，摻Ⅱ級粉煤灰的碾壓混凝土90 d齡期抗壓強度增長率為146%。摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土的強度增長率與摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土相差不大，其中摻Ⅱ級粉煤灰90d齡期抗壓強度增長率稍大于Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土。摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土的各齡期抗壓強度均低于摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土。

圖1 摻不同品質(zhì)粉煤灰碾壓混凝土強度增長率試驗結(jié)果Fig.1 The compressive strength grow th rates of RCC w ith fly ashes of different qualities

4.2.2 軸拉強度

對表5、表6中摻Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土，分別取2個齡期（28 d，90 d）的12組和18組數(shù)據(jù)，分析軸拉強度（Rp）與抗壓強度（Rc）的關(guān)系，得到相互之間的回歸關(guān)系式，見圖2。分別取摻Ⅰ級粉煤灰的6組數(shù)據(jù)和摻Ⅱ級粉煤灰的8組數(shù)據(jù)的平均值，計算軸拉強度與抗壓強度的比值，得到摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土28 d，90 d齡期的拉壓比分別為0.10和0.09，摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土28 d，90 d齡期的拉壓比分別為0.11和0.10。由此可知摻Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土各齡期拉壓比相當(dāng)。

表5 摻Ⅰ級粉煤灰的碾壓混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果Table 5 Test results ofmechanical properties of RCC w ith grade-Ⅰfly ash

表6 摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土力學(xué)性能試驗結(jié)果Table 6 Test results ofmechanical properties of RCC w ith grade-Ⅱfly ash

圖2 摻不同粉煤灰碾壓混凝土軸拉強度與抗壓強度之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between axial tensile strength and com pressive strength of RCC w ith fly ashes of different qualities

經(jīng)計算摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土28 d和90 d齡期軸拉強度分別為3.08和4.09，摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土28 d和90 d齡期的軸拉強度分別為2.78和3.50?？梢钥闯觯瑩舰蚣壏勖夯夷雺夯炷粮鼾g期的軸拉強度和90 d齡期軸拉強度增長率均低于摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土。

4.2.3 極限拉伸值

從表5、表6的試驗結(jié)果可知，摻不同品質(zhì)粉煤灰碾壓混凝土的90 d齡期極限拉伸值均達到設(shè)計指標(biāo)要求。對表5、表6中摻Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土，分別取2個齡期（28 d，90 d）的12組和18組數(shù)據(jù)，分析極限拉伸值（εp）與軸拉強度（Rp）的關(guān)系，得到相互之間的回歸關(guān)系式，見圖3，并計算摻Ⅰ級粉煤灰6組數(shù)據(jù)和摻Ⅱ級粉煤灰8組數(shù)據(jù)的平均值和增長率，摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土28 d和90 d齡期的極限拉伸值平均值分別為0.87×10－4和1.02×10－4，增長率分別為100%和118%；摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土28 d和90 d齡期的極限拉伸值平均值分別為0.86×10－4和0.96×10－4，增長率分別為100%和112%。

圖3 摻量不同品質(zhì)粉煤灰碾壓混凝土極限拉伸值與軸拉強度之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between u ltimate tensile strain and axial tensile strength of RCC w ith fly ashes of different qualities

摻不同粉煤灰碾壓混凝土28 d齡期的極限拉伸值增長率基本相同，摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土90 d齡期的極限拉伸值和增長率均稍低于摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土。不同品質(zhì)粉煤灰碾壓混凝土的極限拉伸均值與軸拉強度均能較好的符合線性關(guān)系，但摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土的波動性稍大于摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土。

4.2.4 耐久性能

對摻6種Ⅰ級灰和8種Ⅱ級灰的碾壓混凝土試樣進行了90 d齡期的抗凍性能、抗?jié)B性能試驗，試驗結(jié)果分別列于表7、表8。

表7 摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土抗凍、抗?jié)B性能試驗結(jié)果Table 7 Anti-freeze and anti-permeability performances of RCC w ith grade-Ⅰfly ashes

表8 摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土抗凍、抗?jié)B性能試驗結(jié)果Table 8 Anti-freeze and anti-permeability performances of RCC w ith grade-Ⅱfly ashes

從表7可知，6組摻Ⅰ級灰碾壓混凝土經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失在0～1.2%之間，相對動彈模量在83.1%～89.3%之間；8組摻Ⅱ級灰碾壓混凝土，經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率為0.2%～5.0%，相對動彈模量為69.7%～87.3%；在保證含氣量滿足設(shè)計要求的情況下，摻Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土均達到抗凍等級的設(shè)計要求。經(jīng)過相同凍融循環(huán)次數(shù)后，摻Ⅱ級粉煤灰較摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土的質(zhì)量損失率增大。

14組摻Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土的抗?jié)B等級均滿足W6設(shè)計要求。其中摻Ⅰ級粉煤灰的碾壓混凝土的滲水高度集中在1.5～4.0 cm，摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土的滲水高度集中在0.5～1.2 cm。

4.2.5 絕熱溫升

混凝土絕熱溫升值是指在絕熱條件下，由水泥的水化熱引起的溫度升高值。為了驗證不同品質(zhì)粉煤灰摻量對混凝土絕熱溫升的影響，摻Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土的水泥用量均為86 kg／m3。試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 摻不同品質(zhì)粉煤灰碾壓混凝土的絕熱溫升Fig.4 The adiabatic temperature rises of RCC with fly ashes of different qualities

比較絕熱溫升試驗結(jié)果可知，不同品質(zhì)的粉煤灰對碾壓混凝土的早期絕熱溫升有一定的影響，一般活性高的粉煤灰，混凝土早期的絕熱溫升高。但從圖4可知，摻Ⅱ級粉煤灰混凝土的早期絕熱溫升反而高于摻Ⅰ級粉煤灰混凝土，原因是摻用不同外加劑的影響。Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土摻加的是浙江龍游生產(chǎn)的ZB－1Rcc15高溫型緩凝高效減水劑，初凝時間較長，影響了水泥的水化放熱過程，導(dǎo)致早期絕熱溫升較低；摻Ⅱ級粉煤灰混凝土摻加了江蘇博特生產(chǎn)的JM－Ⅱ常溫型緩凝高效減水劑，初凝時間較短，早期水化放熱速率較快，導(dǎo)致早期絕熱溫升較高。粉煤灰品質(zhì)對碾壓混凝土最終絕熱溫升影響較小，因此，最終絕熱溫升主要取決于膠凝材料的用量。

4.2.6 粉煤灰品質(zhì)指標(biāo)對碾壓混凝土性能的影響

從表1、表2粉煤灰品質(zhì)檢驗結(jié)果可知Ⅱ級粉煤灰的細度、需水量比、燒失量等參數(shù)均大于Ⅰ級粉煤灰。用水量是影響混凝土結(jié)構(gòu)和性能的最敏感因素之一，粉煤灰的需水量比在客觀上反應(yīng)了粉煤灰對混凝土單位用水量的影響。粉煤灰的細度對混凝土性能有著重要的影響［4］，細度越細，火山灰反應(yīng)越快，對混凝土強度的貢獻越大，能改善孔結(jié)構(gòu)，減少干縮變形。燒失量是指粉煤灰中未燃燒完全的碳，較大的燒失量將增加粉煤灰的需水量比，對引氣劑有較強的吸附能力，影響混凝土抗凍性能。

圖5分析了5種不同細度（F）和需水量比（Rw）的Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰對碾壓混凝土抗壓強度比（Rf）的影響，從圖中可以看出，細度和需水量比與抗壓強度比呈對數(shù)函數(shù)遞減趨勢關(guān)系；細度越細，混凝土的抗壓強度比越高；同樣，需水量比越小，混凝土的抗壓強度比越高。受細度、需水量比、燒失量、SO3含量等粉煤灰品質(zhì)參數(shù)值的綜合影響，摻Ⅱ級粉煤灰的碾壓混凝土的抗壓強度、軸拉強度、極限拉伸值均低于摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土，且抗凍性能也相對較差。

圖5 粉煤灰細度和需水量比對混凝土抗壓強度比的影響Fig.5 The influence of fly ash’s fineness and water demand ratio on compressive strength ratio

5 碾壓混凝土合理使用粉煤灰的原則

在碾壓混凝土配合比設(shè)計時，為了確保工程質(zhì)量，對摻粉煤灰碾壓混凝土各性能參數(shù)值留有一定的富裕。由試驗結(jié)果可知：摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土各齡期性能參數(shù)均有一定程度的富裕；摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土各齡期性能參數(shù)基本能達到設(shè)計要求，部分參數(shù)值稍有富裕。摻粉煤灰碾壓混凝土的性能主要受粉煤灰的細度、需水量比、燒失量的影響，試驗選擇的Ⅱ級粉煤灰的細度、需水量比、燒失量均較小，對混凝土性能的影響也相對較小。

因此，為保證碾壓混凝土力學(xué)性能、耐久性能良好，應(yīng)優(yōu)先使用Ⅰ級粉煤灰，當(dāng)Ⅰ級粉煤灰供應(yīng)不足時，可選擇部分物理化學(xué)品質(zhì)優(yōu)良，且性能穩(wěn)定的Ⅱ級粉煤灰。建議選擇細度≤20%、需水量比≤100%、燒失量≤5%，且其他參數(shù)值達到國家標(biāo)準要求的Ⅱ級粉煤灰。

6 結(jié) 論

摻Ⅰ級粉煤灰碾壓混凝土28 d齡期平均抗壓強度已分別達到或接近其90 d齡期設(shè)計強度等級；摻Ⅱ級粉煤灰碾壓混凝土28 d抗壓強度基本能達到設(shè)計要求；摻Ⅰ級、Ⅱ級90 d齡期的抗壓強度、軸拉強度、極限拉伸值、抗凍性、抗?jié)B性和絕熱溫升均能達到設(shè)計要求，且有較大的富裕。

粉煤灰品質(zhì)中的參數(shù)值對碾壓混凝土各項性能變化有著重要影響。細度和需水量比與抗壓強度比呈對數(shù)函數(shù)遞減趨勢關(guān)系。細度越細，需水量比越低，燒失量越低則碾壓混凝土的抗壓強度、軸拉強度、極限拉伸值越高，碾壓混凝土的抗凍性能也越好。

與摻Ⅰ級粉煤灰相比，受粉煤灰細度、需水量比、燒失量等品質(zhì)參數(shù)值的影響，摻Ⅱ級粉煤灰的碾壓混凝土的抗壓強度、軸拉強度、極限拉伸值略低，抗凍性能稍差，抗?jié)B性能相當(dāng)。摻Ⅰ級粉煤灰和摻Ⅱ級粉煤灰對碾壓混凝土的絕熱溫升沒有明顯影響。

大壩碾壓混凝土應(yīng)優(yōu)先使用Ⅰ級粉煤灰，在Ⅰ級粉煤灰供應(yīng)不足時可選擇物理化學(xué)品質(zhì)優(yōu)良，細度≤20%、需水量比≤100%、燒失量≤5%，其他參數(shù)值達到國家標(biāo)準要求且性能穩(wěn)定的Ⅱ級粉煤灰。

［1］ 楊華全，李文偉.水工混凝土研究與應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2005：34－92.（YANG Huaquan，LI Wen-wei.Hydraulic Concrete Research and Application［M］.Beijing：China Water Power Press，2005：34－92.（in Chinese））

［2］ GAO Pei-wei，WU Sheng-xing，LIN Ping-hua，et al.Effect of Fly Ash on Deformation of Roller-Compacted Concrete［J］.ACI Materials Journal，2006，103（5）：336－339.

［3］ American Concrete Institute.ACI 3R－87.Use of Fly Ash in Concrete［R］.ACIManual of Concrete Practice，Part 1：Materials and General Properties of Concrete.Michigan：ACI，1994：29－31.

［4］ 張承志.商品混凝土［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：37－58.（ZHANG Cheng-zhi.Commercial Readymixed Concrete［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2006：37－58.（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

The Influence of Fly Ash Quality on RCC Performance

WANG Shu-yin1，2，GUOWen-kang1，2，QIN Li-li1，2
（1.Material and Engineering Structure Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Research Center ofWater Engineering Safety and Disaster Prevention of MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

In order to address the shortage of Grade-Ⅰfly ash for roller compacted concrete（RCC）dam，the possibility of replacing Grade-Ⅰfly ash with Grade-Ⅱfly ash was explored.The physical and chemical properties of Grade-Ⅰand Grade-Ⅱfly ashes provided by several power plantswere tested.Their performanceswere demonstrated and the proper dosage and othermix ratioswere determined.The influences of various fly ashes on the compressive strength，tensile strength，ultimate tensile values，anti-freeze-thaw performance，the adiabatic temperature rise，impermeability and other properties of RCC were analyzed and compared.Themechanism of fly ash affecting the concrete propertieswere discussed.The principle of the rational use of fly ash for dam concrete was put forward.

fly ash；roller compacted concrete；ultimate tensile value；strength

TU528.36

A

1001－5485（2012）12－0088－06

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.018 2012，29（12）：88－93

2011－11－22；

2012－01－05

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（200901066）

王述銀（1963－），男，湖南湘鄉(xiāng)人，教授級高級工程師，主要從事水工建筑材料的研究，（電話）027－82926355（電子信箱）nick6176＠sina.com。

郭文康（1986－），男，湖南郴州人，碩士研究生，主要從事水工建筑材料的研究，（電話）18684734955（電子信箱）guowenkang86＠163.com。