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摘 要：在混凝土中掺入适量的粉煤灰不仅可以保证混凝土的强度、耐久性还可以显著改善混凝土的外观质量，降低工程造价，具有循环利用废物和节约水泥的双重作用，有广阔的发展空间和应用前景。本试验就不同掺量下粉煤灰的强度进行研究。
关键词：粉煤灰；混凝土强度；试验研究
Abstract： in the concrete mixed with appropriate amount of fly ash can not only ensure the concrete strength and durability can also significantly improve concrete appearance quality， reduce cost， so it has dual functions of the recycle of waste and saving cement， a broad space for development and application prospect. The strength of fly ash with different content of fly ash was studied in this experiment.
粉煤灰配合商品混凝土可以改善混凝土性能，粉煤灰在商品混凝土中的廣泛使用，带来了可观的经济效益和环保效益，特别是在高速路发展上应用广泛。很多省份都在高速公路上修建了大量的水泥混凝土路面，掺入粉煤灰能改善路面水泥混凝土的性能，提高路面施工质量。因此，研究粉煤灰掺量对混凝土性能的影响具有一定的现实意义。
一、试验设计方法
随着掺入混凝土中组分的增加，要对各组分的各种可能取值均进行试验以得到较佳的方案，势必使试验工作量大大增加。如何把试验安排和数据处理两者紧密结合起来，既要考虑减少试验次数，又要提供丰富的试验数据，还能得到全面、正确的结论，这就需要一种科学的方法。正交设计就是这样一种科学地安排试验方案和分析试验结果的好方法。
正交设计有如下优点：有规律地减少试验次数，做有代表性的部分试验，并能在错综复杂的试验中对结果作出科学的分析，有时即使不减少试验次数，也可以把问题分析的更清楚。
本研究采用正交设计的方法，为了达到试验目的，选取影响粉煤灰混凝土强度的三种基本因素：
A——粉煤灰掺量（%）；
B——水胶比；
C——胶凝材料掺量（当基准混凝土时，为水泥掺量）（Kg/m3）
根据试验研究的主次及目的对各因素的水平选取合适的值，因素A（粉煤灰掺量）选取四个不同的水平，分别为0、30%、40%和50%；因素B（水胶比）选取两个不同的水平，分别为0.45和0.53；因素C（胶凝材料掺量）选取两个不同的水平，分别为360kg/m3，和400kg/m3，结果见表1所示：
由于各因素的水平数目不相等，因此，需要用混合水平正交表安排试验。采用对口的正交表为L8（41×24），各种材料的配比用量如表2所示：
二、试验结果
试验操作过程按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压和抗折强度试验，测得7d和28d的试件强度的试验结果如表3所示。
从表3看出第1组的抗压强度及抗折强度都是最高的，因其是基准混凝土，没有掺加粉煤灰，故强度是最高的；考虑粉煤灰混凝土则第7组的强度最高，从上表中可得到粉煤灰混凝土的最优组合为A2B1C1，即粉煤灰掺量为30%，水胶比为0.45，胶凝材料掺量为360kg/m3。
由下表可知，在水胶比和胶凝材料掺量都相同的情况下，加入50%的粉煤灰混凝土与基准混凝土相比：当水胶比为0.45，胶凝材料掺量为400kg/m3时，7d、28d的抗压强度降低52.7%、41.2%，抗折强度降低55.4%、36.5%；当水胶比为0.53，胶凝材料掺量为360kg/m3时，7d、28d的抗压强度降低61.2%、46.1%，抗折强度降低59%、42.5%。
1、水泥掺量对轻骨料混凝土抗压强度的影响
在胶凝材料总量一定的情况下，一定范围内随着水泥用量的增加各龄期混凝土试件的抗压强度逐渐增大，当水泥掺量为胶凝材料的80%的时候，3、7、14、21d各龄期的抗压强度值与100%水泥掺量时相比相差不大，并部分高于100%水泥掺量的强度值，而28d的强度值与100%水泥掺量时相比降低一些，这是因为粉煤灰的掺入减少了水泥的用量，而粉煤灰的活性在28d的时候还没有充分发挥出来。当水泥掺量分别为胶凝材料的40%、55%、70%时28d混凝土的抗压强度值分别为32.11、39.05、43.79MPa提高幅度分别为22%、12%，而当水泥掺量为胶凝材料的70%、80%、85%时，28d的抗压强度值分别为43.79、44、44.63MPa、提高幅度分别为0.4%、1.4%，当水泥用量超过胶凝材料的70%时增加水泥用量对混凝土的抗压强度值提高很少，几乎没有提高。水泥掺量为40%时，混凝土28d的抗压试验照片中轻骨料的破坏形式中可以看出轻骨料已经被完全剪切破坏掉，并最终导致混凝土结构的整体破坏，所以天然轻骨料不宜做成强度更高的混凝土。因此在胶凝材料总量一定的情况下，不能够单纯的依靠增加水泥用量来提高混凝土的强度，从轻骨料自身的特点考虑，要提高混凝土的抗压强度应该采用强度高的骨料，或者加入各种纤维等来提高骨料自身抵抗破坏的能力。比较水泥掺量为70%和80%时各龄期的抗压强度，70%时3、7、14、21、28d的强度值分别为23.04、27.16、37.05、39.47、43.79MPa，80%时3、7、14、21、28d的强度值分别为30.51、32.42、41.89、44、45.26MPa，后者比前者分别提高了32.4%、19.4%、13.1%、11.5%、3.4%，因此确定本试验水泥掺量为胶凝材料的80%时为水泥的最佳掺量。 2、龄期对混凝土抗压强度的影响
随着粉煤灰掺量的增加，3、7d的混凝土抗压强度呈现出明显的线性下降趋势，28d的混凝土抗压强度呈现出二次函数形式下降趋势。这是因为在早龄期由于粉煤灰的微集料效应，對水泥的早期强度有一定的提高，但是粉煤灰的火山灰效应还没有表现出来，故强度提高不大，呈现出线性下降趋势。粉煤灰取代部分水泥后，有效水泥含量减少，直接导致水泥中熟料矿物的比例减少，有效水灰比增大，降低了水泥的水化速度，水化产物颗粒之间的连接松散，故早期强度较低。在混凝土28d龄期的时候，由于粉煤灰的火山灰反应的进行以及粉煤灰的微集料效应及水化效应的共同作用，使得浆体的结构趋于致密，水化产物之间纵横交错，相互之间连接紧密，粉煤灰适当的掺量对28d混凝土抗压强度的影响较小，故呈现出二次函数下降趋势。
3、粉煤灰掺量对混凝土拌合物均匀性的影响
轻骨料混凝土不同于普通的碎石混凝土，因为轻骨料的密度小于水泥浆体的密度，在拌和振捣过程中易产生轻骨料大量上浮导致混凝土拌合物的严重不均匀。而粉煤灰的密度小于水泥的密度，故粉煤灰的掺入可以降低胶凝材料的密度，减少轻骨料与胶凝材料的密度值之差，降低了因振捣过程中骨料的上浮导致的混凝土不均匀性，使轻骨料混凝土的拌合物更加均匀。随着粉煤灰掺量的增加，拌合物的黏聚性增大，在一定程度上也阻碍了轻骨料的上浮运动趋势，为混凝土拌合物的均匀性提供了保证。
由以上分析可知，掺加50%的粉煤灰后，基准混凝土的强度有所降低，且7d的抗压及抗折强度的降低率比28d的要高很多，这样的结果与粉煤灰的性质密切相关，因粉煤灰颗粒为致密玻璃体，早期水化极慢，故一般早期强度会显著降低，且掺量越大，强度下降愈显著；而后期随着熟料水化的碱性激发作用，粉煤灰颗粒表面会逐步侵蚀破坏，从而加速其发生二次水化，强度又逐步增长，因此后期强度提高。此外粉煤灰的形貌效应也使结构更加致密，对强度也是有利的。
三、结论
1.对于粉煤灰混凝土的抗压强度和抗折强度，无论养护的时间是7d还是28d，因素的影响顺序都是：粉煤灰掺量——水胶比——胶凝材料掺量。
2.粉煤灰的掺量对7d和28d的抗压强度和抗折强度影响规律基本一致，强度随粉煤灰掺量的增大而降低。其中早期强度降低的幅度要大些，后期强度的降低幅度相对于早期明显减少，这主要是由于粉煤灰本身特性的影响。
3.不同的胶凝材料掺量对粉煤灰混凝土强度的影响规律为：粉煤灰混凝土的强度随胶凝材料掺量的增加而提高。
4.水胶比的不同对粉煤灰混凝土强度的影响规律为：随着水胶比的降低，粉煤灰混凝土的强度得到提高。一般情况下，水胶比对混凝土的影响也为主要因素，本试验表明粉煤灰的影响要大于水胶比的影响，这主要有两方面原因：一是本试验的水胶比选取的比较高，没有加其它的外加剂；二是粉煤灰掺量的选取是从0到50%，并且粉煤灰的特性是早期的水化作用比较慢，早期强度低。
参考文献
[1]崔巩.粉煤灰对混凝土早期强度影响初探[J]。四川理工学院学报，2011，21（2）：15-17.
[2]袁晓露，李北星。粉煤灰混凝土的抗冻性能及机理分析[J]。混凝土，2012（12）：7-10.
关键词：粉煤灰；混凝土强度；试验研究
Abstract： in the concrete mixed with appropriate amount of fly ash can not only ensure the concrete strength and durability can also significantly improve concrete appearance quality， reduce cost， so it has dual functions of the recycle of waste and saving cement， a broad space for development and application prospect. The strength of fly ash with different content of fly ash was studied in this experiment.
粉煤灰配合商品混凝土可以改善混凝土性能，粉煤灰在商品混凝土中的廣泛使用，带来了可观的经济效益和环保效益，特别是在高速路发展上应用广泛。很多省份都在高速公路上修建了大量的水泥混凝土路面，掺入粉煤灰能改善路面水泥混凝土的性能，提高路面施工质量。因此，研究粉煤灰掺量对混凝土性能的影响具有一定的现实意义。
一、试验设计方法
随着掺入混凝土中组分的增加，要对各组分的各种可能取值均进行试验以得到较佳的方案，势必使试验工作量大大增加。如何把试验安排和数据处理两者紧密结合起来，既要考虑减少试验次数，又要提供丰富的试验数据，还能得到全面、正确的结论，这就需要一种科学的方法。正交设计就是这样一种科学地安排试验方案和分析试验结果的好方法。
正交设计有如下优点：有规律地减少试验次数，做有代表性的部分试验，并能在错综复杂的试验中对结果作出科学的分析，有时即使不减少试验次数，也可以把问题分析的更清楚。
本研究采用正交设计的方法，为了达到试验目的，选取影响粉煤灰混凝土强度的三种基本因素：
A——粉煤灰掺量（%）；
B——水胶比；
C——胶凝材料掺量（当基准混凝土时，为水泥掺量）（Kg/m3）
根据试验研究的主次及目的对各因素的水平选取合适的值，因素A（粉煤灰掺量）选取四个不同的水平，分别为0、30%、40%和50%；因素B（水胶比）选取两个不同的水平，分别为0.45和0.53；因素C（胶凝材料掺量）选取两个不同的水平，分别为360kg/m3，和400kg/m3，结果见表1所示：
由于各因素的水平数目不相等，因此，需要用混合水平正交表安排试验。采用对口的正交表为L8（41×24），各种材料的配比用量如表2所示：
二、试验结果
试验操作过程按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压和抗折强度试验，测得7d和28d的试件强度的试验结果如表3所示。
从表3看出第1组的抗压强度及抗折强度都是最高的，因其是基准混凝土，没有掺加粉煤灰，故强度是最高的；考虑粉煤灰混凝土则第7组的强度最高，从上表中可得到粉煤灰混凝土的最优组合为A2B1C1，即粉煤灰掺量为30%，水胶比为0.45，胶凝材料掺量为360kg/m3。
由下表可知，在水胶比和胶凝材料掺量都相同的情况下，加入50%的粉煤灰混凝土与基准混凝土相比：当水胶比为0.45，胶凝材料掺量为400kg/m3时，7d、28d的抗压强度降低52.7%、41.2%，抗折强度降低55.4%、36.5%；当水胶比为0.53，胶凝材料掺量为360kg/m3时，7d、28d的抗压强度降低61.2%、46.1%，抗折强度降低59%、42.5%。
1、水泥掺量对轻骨料混凝土抗压强度的影响
在胶凝材料总量一定的情况下，一定范围内随着水泥用量的增加各龄期混凝土试件的抗压强度逐渐增大，当水泥掺量为胶凝材料的80%的时候，3、7、14、21d各龄期的抗压强度值与100%水泥掺量时相比相差不大，并部分高于100%水泥掺量的强度值，而28d的强度值与100%水泥掺量时相比降低一些，这是因为粉煤灰的掺入减少了水泥的用量，而粉煤灰的活性在28d的时候还没有充分发挥出来。当水泥掺量分别为胶凝材料的40%、55%、70%时28d混凝土的抗压强度值分别为32.11、39.05、43.79MPa提高幅度分别为22%、12%，而当水泥掺量为胶凝材料的70%、80%、85%时，28d的抗压强度值分别为43.79、44、44.63MPa、提高幅度分别为0.4%、1.4%，当水泥用量超过胶凝材料的70%时增加水泥用量对混凝土的抗压强度值提高很少，几乎没有提高。水泥掺量为40%时，混凝土28d的抗压试验照片中轻骨料的破坏形式中可以看出轻骨料已经被完全剪切破坏掉，并最终导致混凝土结构的整体破坏，所以天然轻骨料不宜做成强度更高的混凝土。因此在胶凝材料总量一定的情况下，不能够单纯的依靠增加水泥用量来提高混凝土的强度，从轻骨料自身的特点考虑，要提高混凝土的抗压强度应该采用强度高的骨料，或者加入各种纤维等来提高骨料自身抵抗破坏的能力。比较水泥掺量为70%和80%时各龄期的抗压强度，70%时3、7、14、21、28d的强度值分别为23.04、27.16、37.05、39.47、43.79MPa，80%时3、7、14、21、28d的强度值分别为30.51、32.42、41.89、44、45.26MPa，后者比前者分别提高了32.4%、19.4%、13.1%、11.5%、3.4%，因此确定本试验水泥掺量为胶凝材料的80%时为水泥的最佳掺量。 2、龄期对混凝土抗压强度的影响
随着粉煤灰掺量的增加，3、7d的混凝土抗压强度呈现出明显的线性下降趋势，28d的混凝土抗压强度呈现出二次函数形式下降趋势。这是因为在早龄期由于粉煤灰的微集料效应，對水泥的早期强度有一定的提高，但是粉煤灰的火山灰效应还没有表现出来，故强度提高不大，呈现出线性下降趋势。粉煤灰取代部分水泥后，有效水泥含量减少，直接导致水泥中熟料矿物的比例减少，有效水灰比增大，降低了水泥的水化速度，水化产物颗粒之间的连接松散，故早期强度较低。在混凝土28d龄期的时候，由于粉煤灰的火山灰反应的进行以及粉煤灰的微集料效应及水化效应的共同作用，使得浆体的结构趋于致密，水化产物之间纵横交错，相互之间连接紧密，粉煤灰适当的掺量对28d混凝土抗压强度的影响较小，故呈现出二次函数下降趋势。
3、粉煤灰掺量对混凝土拌合物均匀性的影响
轻骨料混凝土不同于普通的碎石混凝土，因为轻骨料的密度小于水泥浆体的密度，在拌和振捣过程中易产生轻骨料大量上浮导致混凝土拌合物的严重不均匀。而粉煤灰的密度小于水泥的密度，故粉煤灰的掺入可以降低胶凝材料的密度，减少轻骨料与胶凝材料的密度值之差，降低了因振捣过程中骨料的上浮导致的混凝土不均匀性，使轻骨料混凝土的拌合物更加均匀。随着粉煤灰掺量的增加，拌合物的黏聚性增大，在一定程度上也阻碍了轻骨料的上浮运动趋势，为混凝土拌合物的均匀性提供了保证。
由以上分析可知，掺加50%的粉煤灰后，基准混凝土的强度有所降低，且7d的抗压及抗折强度的降低率比28d的要高很多，这样的结果与粉煤灰的性质密切相关，因粉煤灰颗粒为致密玻璃体，早期水化极慢，故一般早期强度会显著降低，且掺量越大，强度下降愈显著；而后期随着熟料水化的碱性激发作用，粉煤灰颗粒表面会逐步侵蚀破坏，从而加速其发生二次水化，强度又逐步增长，因此后期强度提高。此外粉煤灰的形貌效应也使结构更加致密，对强度也是有利的。
三、结论
1.对于粉煤灰混凝土的抗压强度和抗折强度，无论养护的时间是7d还是28d，因素的影响顺序都是：粉煤灰掺量——水胶比——胶凝材料掺量。
2.粉煤灰的掺量对7d和28d的抗压强度和抗折强度影响规律基本一致，强度随粉煤灰掺量的增大而降低。其中早期强度降低的幅度要大些，后期强度的降低幅度相对于早期明显减少，这主要是由于粉煤灰本身特性的影响。
3.不同的胶凝材料掺量对粉煤灰混凝土强度的影响规律为：粉煤灰混凝土的强度随胶凝材料掺量的增加而提高。
4.水胶比的不同对粉煤灰混凝土强度的影响规律为：随着水胶比的降低，粉煤灰混凝土的强度得到提高。一般情况下，水胶比对混凝土的影响也为主要因素，本试验表明粉煤灰的影响要大于水胶比的影响，这主要有两方面原因：一是本试验的水胶比选取的比较高，没有加其它的外加剂；二是粉煤灰掺量的选取是从0到50%，并且粉煤灰的特性是早期的水化作用比较慢，早期强度低。
参考文献
[1]崔巩.粉煤灰对混凝土早期强度影响初探[J]。四川理工学院学报，2011，21（2）：15-17.
[2]袁晓露，李北星。粉煤灰混凝土的抗冻性能及机理分析[J]。混凝土，2012（12）：7-10.