第一篇：粉煤灰在混凝土中的研究綜述

粉煤灰在混凝土中的研究綜述

一、引言

早在2000多年前的古羅馬時期，人類就用火山灰與石灰混合作為膠凝材料，建造了許多雄偉的建筑物，例如萬神殿，其直徑為44m的半球形穹頂就使用了12000噸這種膠凝材料和凝灰巖輕骨料拌合而成的混凝土；還有聞名于世的圓形劇場等，這些建筑現在仍然安然無恙，2000年還有報道意大利人正在翻修圓形劇場，準備在那里面舉行盛大的演出。今天在混凝土中摻用的粉煤灰，也是一種火山灰材料，大量的實踐證明：摻用粉煤灰的混凝土，其長期性能得到大幅度的改善，對延長結構物的使用壽命有重要意義。

二、粉煤灰的有關信息

粉煤灰是從煤粉爐排出的煙氣中收集到的細顆粒粉末，是工業“三廢”之一，目前，我國年排放粉煤灰約11000萬噸，利用率為42%，主要應用在建材、建工、筑路、回填方面。隨著工業的發展，粉煤灰排放量將逐年增加，合理地推廣和應用粉煤灰不僅能節約土地和能源，而且能保護和治理環境。粉煤灰作為一種人工 火山灰質材料，在混凝土中作為摻和料，可以改善性能，節約水泥，提高工程質量和降低成本，為了更好地應用粉煤灰混凝土，現將粉煤灰混凝土的性能及應用試驗研究成果綜述如下。

三、粉煤灰在混凝土中產生的效應

（一）和易性效應。混凝土和易性主要受漿體的體積、水灰比、配合比設計、骨料的級配、形狀、孔隙率等因素影響，其中粉煤灰是影響混凝土和易性的重要因素。由于粉煤灰在混凝土中特性之一是增大漿體的體積（相同質量粉煤灰的體積要比水泥約大30%）。如果我們在混凝土中較好的利用粉煤灰特性，用粉煤灰取代等重量的水泥（根據強度要求按重量比大于1：1用粉煤灰取代水泥時，又稱超量取代），多加的粉煤灰增大了細屑含量，因此增大了漿體－-骨料比。大量的漿體填充了骨料間的孔隙，包裹并潤滑了骨料顆粒，從而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。粉煤灰的骨料顆粒可以減少漿體－-骨料間的界面磨擦，在骨料的接觸點起滾珠軸承效果，從而改善了混凝土的和易性。

（二）泌水效應。粉煤灰的摻入可以補償細骨料中的細屑不足，中斷砂漿基體中泌水渠道的連續性。同時，粉煤灰作為水泥的取代材料在同樣的稠度下，會使混凝土的用水量有不同程度的降低。因而，摻用粉煤灰對防止混凝土的泌水是有利的。

（三）拌和物引氣作用效應。混凝土的空氣含量一般在３％以內，與水泥的細度、骨料形狀、級配以及震搗密實的程度等有關。當混凝土中摻入粉煤灰時，由于細屑組分的影響會使混凝土的空氣含量減少１％左右。對燒失量超過６％的粉煤灰，由于碳顆粒在冷卻過程中變成了封閉的玻璃態，因而防止了對引氣劑的吸附，保持了混凝土拌和物的原有含氣量。

（四）凝結時間效應。摻粉煤灰的混凝土雖然初凝、終凝一般都能滿足規范要求，但由于受其摻量、細度、化學成分等因素影響，混凝土會出現凝結時間延長，導致出現緩凝現象。然而，與水泥性能、用水量、環境溫度、濕度等因素相比，粉

煤灰對混凝土凝結時間的影響是極小的。

（五）抗壓強度效應。混凝土的抗壓強度主要取決于水灰比，對摻與不摻粉煤灰的混凝土，如果二者的早期強度相同，則粉煤灰混凝土的后期強度將高于不摻的，粉煤灰對混凝土有三重影響：減少用水量、增大膠結料含量和通過長期火山灰反應提高強度。

當原材料和環境條件一定時，摻粉煤灰混凝土的強度增長主要決定于粉煤灰的火山灰效應，即粉煤灰中玻璃態的活性氧化硅、氧化鋁與混凝土的水泥漿體中的Ca(OH)2作用生成堿度較小的二次水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣。一些研究認為：粉煤灰在混凝土中，當Ca(OH)2薄膜覆蓋在粉煤灰顆粒表面上時，就開始發生火山灰效應。但由于在Ca(OH)2薄膜與粉煤灰顆粒之間存在著水解層，鈣離子要通過水解層與粉煤灰的活性成分反應，反應產物在層內逐漸聚集，水解層未被火山灰反應產物充滿到某種程度時，不會使強度有較大增長。隨著水解層被反應產物充滿，粉煤灰顆粒和水泥水化產物之間逐步形成牢固聯系，從而導致混凝土強度、不透水性和耐磨性的增長，這就是摻粉煤灰的混凝土早齡期強度較低，后齡期強度增長較多的主要原因。

（六）水化熱效應。混凝土中水泥的水化反應是放熱反應。在混凝土中摻入粉煤灰可以降低水化熱，原因是減少了水泥的用量。水化放熱的多少和速度取決于水泥的物理、化學性能和摻入粉煤灰的量。

由于近年來大型、超大型混凝土結構的建造，構件斷面尺寸相應增大；混凝土設計強度等級提高，使所用水泥等級提高，單位用量增大；又由于實行水泥新標準后，使早強礦物硅酸三鈣含量提高，粉磨細度加大，這些因素的疊加，導致混凝土硬化過程溫升明顯加劇，溫峰升高。在達到溫峰后的降溫期間，混凝土產生溫度收縮（也稱熱收縮）引起彈性拉應力；另一方面混凝土的水灰比（水膠比）降低，早期水化加快，混凝土的彈性模量隨強度提高而增大，進一步加劇彈性拉應力增長。這是導致近些年來許多結構物在施工期間，模板剛拆除時就發現大量裂縫的原因。這種硬化混凝土早期出現的裂縫往往深而長，為了防止可見裂縫的出現，通常采取外包保溫的方法，以減少內外溫差，因而被認為是有效措施得到迅速推廣。但卻忽略了，由于外保溫阻礙了混凝土水化熱的散發，進一步加劇體內的溫升，使混凝土體內溫度繼續升高，水泥水化加速，早期強度發展更加迅速，因此也更容易出現裂縫，只是由于鋼筋的約束和對應力的分散作用，使少量寬而長的可見裂縫轉化為大量分散的不可見裂縫，它們將為侵蝕性介質提供通道，影響結構的使用功能。

與純水泥混凝土一樣，摻粉煤灰的混凝土由于水泥的水化隨本體溫度升高而加快，強度發展也因此加快。這使得粉煤灰混凝土，包括大摻量粉煤灰混凝土的強度發展在低水膠比的條件下，很快通過最初的緩慢凝結與硬化期，強度的發展迅速加快。有研究資料表明摻適當比例的粉煤灰后，不僅溫升可以降低，使混凝土因溫度收縮和開裂的危險減少，同時由于溫升相同，其抗壓強度在3d之前就超過了不摻粉煤灰類混凝土。

（七）凍融耐久性效應。當粉煤灰質量較差、粗顆粒多、含碳量高時，都會對混凝土抗凍融性有不利影響。質量差的粉煤灰隨摻量的增加，其抗凍融耐久性劇烈降低。但當摻用質量較好的粉煤灰同時適當降低水灰比，則可以收到改善抗凍融耐久性的效果。試驗資料表明，摻粉煤灰的混凝土水灰比在0.50以下，粉煤灰摻量在30%以內，混凝土抗凍融耐久性降低較少。此外，摻粉煤灰的混凝土只要抗壓強度與含氣量與不摻粉煤灰的混凝土相同，即在等強度、等含氣量條件下，摻粉煤灰混凝土與不摻粉煤灰混凝土具有相等的抗凍融耐久性。關鍵在于混凝土引氣后硬化混凝土中存在均勻分布的微氣孔，這些微氣孔在混凝土受凍時可容納水結冰時所增大的部分體積。使混凝土免于因冰脹作用而破壞。

（八）炭化和鋼筋阻銹效應。通過長期研究和工程實踐，尤其是近年來的工程調研資料表明，防止摻粉煤灰混凝土炭化，首要因素是確保粉煤灰混凝土的密實度。密實度差的不摻粉煤灰的混凝土同樣有碳化問題。研究和調查結果表明，當用礦渣水泥摻15%粉煤灰，普通水泥摻20%粉煤灰，硅酸鹽水泥摻25%粉煤灰時，采用超量取代法設計混凝土配合比，滿足等稠度和等強度的要求時，摻粉煤灰的混凝土抗碳化性能、鋼筋銹蝕性能與不摻粉煤灰混凝土相比均明顯增大。

過去曾有人提出，粉煤灰含硫是否會使粉煤灰混凝土中的鋼筋銹蝕加重問題，國內外一些學者認為：

1、只要混凝土里面的石灰不被溶出，保持堿性環境，鋼筋周圍就能保持一層氫氧化鐵保護膜，阻止與氧氣滲入到鋼筋表面，保護鋼筋不致銹蝕。混凝土中摻用的粉煤灰實質上沒有改變這種堿性環境。

2、混凝土中摻用的粉煤灰，因產生火山灰-石灰反應而提高了混凝土的抗滲性。火山灰凝膠還可以減少混凝土中的石灰溶出量。

（九）粉煤灰與堿-骨料反應產生的效應。堿-骨料反應是骨料中的活性氧化硅和水泥中的堿發生反應生水化硅酸鈣凝膠體，體積增大，導致混凝土的膨脹和開裂。當向混凝土中摻入粉煤灰后，粉煤灰和水泥中的堿反應，能夠防止這種過度的膨脹。可見，粉煤灰對抑制混凝土中的堿-骨料反應是有利的。

四、大摻量粉煤灰混凝土的概述

（一）大摻量粉煤灰混凝土定義 將粉煤灰看著一個獨立組分，而不是水泥的替代品，以工程設計與施工及環境的要求為基準，而不是以不摻粉煤灰的混凝土為基準，進行混凝土設計、生產、澆筑和養護。

（二）、粉煤灰在混凝土中的適用環境和作用

1、水膠比：當采用合適的材料與良好的水膠比時。以水泥用量為300-350kg/m3，水灰比0.45-0.55范圍，可以制備出28天抗壓強度為35-40MPa(即目前最常用的C30

級)，在大多數環境條件下呈現足夠低的滲透性和良好耐久性的混凝土。如果膠凝材料再少、W/C再大，則會出現孔隙率大、抗滲性不良等問題。

2、溫度：摻有大量粉煤灰的混凝土，不僅溫度收縮因溫度升降可以明顯減小，而且粉煤灰的初期水化緩慢，可以使低水膠比混凝土開始硬化時的實際水灰比增大，使水泥以及膨脹劑具有良好的水化環境。同時，與純水泥混凝土一樣，摻粉煤灰的混凝土由于水泥的水化隨本體溫度的升高而加快，因此強度發展也要加快。大摻量粉煤灰混凝土的強度發展在低水膠比的條件下，很快通過最初的緩慢凝結與硬化期，強度的發展迅速加快。試驗表明：與實際結構物澆筑的硅酸鹽水泥混凝土相比，摻30%粉煤灰后，不僅溫升可以降低近10度，使溫度收縮和開裂的危險減小，同時由于溫升的作用，其抗壓強度在3天前早已超過了硅酸鹽水泥混凝土。

3、濕度：與普通水泥混凝土不同，摻粉煤灰混凝土，尤其是大摻量粉煤灰混凝土的水灰比足夠大，即混凝土體內有充足的水分供水泥與粉煤灰水化，所以對這種混凝土的養護，需要有別于普通混凝土：不要濕養護，尤其不要早期澆水或浸水，否則會使表層混凝土的水灰比增大，對強度和抗滲透、耐磨耗等性能帶來十分不利的影響。大摻量粉煤灰混凝土需要在澆搗后及時覆蓋，避免其因水化較緩慢，向外界蒸發水分的時間較長、蒸發量也大，造成表面疏松、強度和抗滲透性下降。

4、稠度：粉煤灰混凝土，尤其是大摻量粉煤灰混凝土的外觀十分粘稠，使其在運輸和澆筑過程不易離析，對改善均勻性有明顯好處。由于粉煤灰的滾珠效應，摻粉煤灰混凝土有較大的有效振搗半徑，易于振搗密實。

通過以上分析得出：較低的水膠比、較高的溫度，以及及時地覆蓋而不是濕養護，是粉煤灰在混凝土中的適用環境。要獲得這樣的環境，必須采用大摻量粉煤灰混凝土。大摻量粉煤灰混凝土的抗裂性能優異無可懷疑，但現行規范的摻量限制不利于發揮粉煤灰的作用。

（三）、現行規范摻量的限制

一定范圍里，是混凝土的水膠比，而不是粉煤灰的摻量決定使用效果。目前許多規范中規定的鋼筋混凝土中粉煤灰摻量限制(例如25%以內)，對配制中低強度的混凝土來說，恰恰是最不利于發揮粉煤灰作用的粉煤灰范圍。因為粉煤灰水化緩慢，生成物少，粉煤灰混凝土適宜的水膠比在0.4以下；普通混凝土常用的0.5左右水灰比條件下摻10-20%粉煤灰，即使同時摻有高效減水劑，一般水膠比仍需維持在0.4以上。但是如果繼續增大粉煤灰摻量，由于粉煤灰表觀密度約只有水泥的2/3，拌合物漿體含量的增大就可以產生降低水膠比的作用。

（四）、大摻量粉煤灰混凝土的局限性

1、煤灰-水泥-化學外加劑的相容性，表現為混凝土水膠比能否有效地降低，一般說來，當水膠比只能在0.4以上時，在中等強度混凝土中使用的效果就可能成問題；

2、大摻量粉煤灰混凝土的水泥用量少，由于起激發作用的氫氧化鈣含量減少，使粉煤灰的水化條件劣化，所以在不同條件下存在一最佳粉煤灰摻量，并非越大越好；

3、摻粉煤灰混凝土比普通混凝土對溫度更為敏感，在氣溫較低時制備的摻粉煤灰混凝土，強度發展較為緩慢。

（五）、使用大摻量粉煤灰混凝土注意問題

1、配制混凝土的骨料級配良好，以減小空隙率，利于水膠比降低，保證使用效果；

2、必須采用強制式攪拌機拌合大摻量粉煤灰混凝土；

3、混凝土澆筑后，要及時噴灑養護劑或覆蓋外露表面，但無需噴霧或澆水養護；

4、氣溫過低時，要采用保溫養護措施，使混凝土硬化和強度發展滿足施工要求。

五、粉煤灰在混凝土中的可持續發展

混凝土材料是當今用量最大、用途最廣泛的建筑材料，據統計，每年全世界的耗用量接近100億噸。如此巨大的用量，伴隨著生產、使用過程帶來礦石資源、能源的消耗，以及對大氣和環境造成的污染，引起全世界業內人士的關注。

我國的水泥產量多年來居世界首位，占三分之一以上。同時我國粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于發展基礎設施建設的需要，有關部門仍在計劃投資建設更多的水泥廠。過去在混凝土里摻入粉煤灰，是為了節約水泥、降低工程材料費用，今天對混凝土摻入粉煤灰的認識、應該提高到保護環境、保護資源、使混凝土材料可長期的持續應用于基礎設施建設中的高度上來認識。

大摻量粉煤灰混凝土不僅可以改善混凝土的各項性能、延長混凝土結構的使用壽命，同時可以大幅度減小耗費能源多、污染環境嚴重的硅酸鹽水泥用量，因此也是一種綠色混凝土。從這個角度出發，推廣大摻量粉煤灰混凝土在我國土木建筑工程中的應用，是一件利國利民有顯著效益的事業，必定有著強大的生命力，有著廣闊的發展前景。(完)

研究人：賀倫

韓云

顏可維

組數：五組

第二篇：粉煤灰在混凝土中的應用

三、粉煤灰在混凝土中的作用

了解混凝土的微結構的特性及其對性能的影響后，就可以更好地認識粉煤灰在混凝土中的作用。粉煤灰的主要作用可以包括以下幾方面：

1）填充骨料顆粒的空隙并包裹它們形成潤滑層，由于粉煤灰的容重（表觀密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好（質量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密實，在水泥用量較少的混凝土里尤其顯著。

2）對水泥顆粒起物理分散作用，使其分布得更均勻。當混凝土水膠比較低時，水化緩慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化得更充分。

3）粉煤灰和富集在骨料顆粒周圍的氫氧化鈣結晶發生火山灰反應，不僅生成具有膠凝性質的產物（與水泥中硅酸鹽的水化產物相同），而且加強了薄弱的過渡區，對改善混凝土的各項性能有顯著作用。

4）粉煤灰延緩了水化速度，減小混凝土因水化熱引起的溫升，對防止混凝土產生溫度裂縫十分有利。

下面對粉煤灰在混凝土中的作用及其機理做一些具體地分析。

長期以來，國內外在混凝土中常摻有一定量粉煤灰，但作為水泥的替代材料，絕大多數情況下是以如下三種方式應用的：在早期強度要求很低，長期強度大約在25~35MPa的大體積水工混凝土中，大摻量地替代水泥使用；在結構混凝土里較少量地替代水泥（10~25%）；在強度要求很低的回填或道路基層里大量摻用。

對于粉煤灰的作用機理和應用技術，多年來進行了大量的研究工作，取得了不少進展，這些進展對粉煤灰在混凝土中的應用起了一定的推動作用。如摻用的方法從等量替代水泥，發展到超摻法、代砂法以及與化學外加劑同時使用的雙摻法。對于粉煤灰的作用機理，從主要是火山灰質材料特性的作用（消耗了水泥水化時生成薄弱的，而且往往富集在過渡區的氫氧化鈣片狀結晶，由于水化緩慢，只在后期才生成少量C-S-H凝膠，填充于水泥水化生成物的間隙，使其更加密實），逐步發展到分析它還具有形態效應、填充效應和微集料效應等。但無論哪一方面的研究成果，似乎都改變不了這樣一個事實：在混凝土中摻粉煤灰要降低混凝土的強度，包括28天齡期以后一段時間里的強度，其他性能當然也相應受到不同程度的影響，而且這些影響要隨著摻量的增大而加劇。這個事實始終禁錮著粉煤灰在混凝土中，尤其是結構混凝土中的摻量，而且似乎形成了這樣一種成見：摻用粉煤灰是以犧牲結構混凝土的品質為代價的。

事實上，如前所述，由于高效減水劑的應用，使混凝土的水膠比可以大幅度降低，從而使摻用粉煤灰的效果大為改善，使大摻量粉煤灰混凝土的性能能夠大幅度地提高。

1）水膠比的影響 水膠比的上述變化為什么影響這么大呢？在高水膠比的水泥漿里，水泥顆粒被水分隔開（水所占體積約為水泥的兩倍），水化環境優異，可以迅速地生成表面積增大1000倍的水化物，有良好地填充漿體內空隙的能力。粉煤灰雖然從顆粒形狀來說，易于堆積得較為密實，但是它水化緩慢，生成的凝膠量少，難以填充密實顆粒周圍的空隙，所以摻粉煤灰水泥漿的強度和其他性能總是隨摻量增大（水泥用量減少）呈下降趨勢（當然在早齡期就更加顯著）。

在低水膠比的水泥漿里情況就不一樣了。不摻粉煤灰時，高活性的水泥因水化環境較差，即缺水而不能充分水化，所以隨水灰比下降，未水化水泥的內芯增大，生成產物量下降，但由于顆粒間的距離減小，要填充的空隙也同時減小，因此混凝土強度得到迅速提高。這種情況下用粉煤灰代替部分水泥，在低水膠比條件下（例如0.3左右），水泥的水化條件相對改善，因為粉煤灰水化緩慢，使混凝土實際的“水灰比”增大，水泥的水化因而加快，這種作用機理隨著粉煤灰的摻量增大愈加明顯（例如摻量為50%左右，初期實際水灰比則接近0.6），水泥水化程度的改善，則有利于粉煤灰作用的發揮，然而與此同時，需要粉煤灰水化產物填充的空隙已經大大減小，所以其水化能力差的弱點在低水膠比條件下被掩蓋，而它降低溫升等其它優點則依然起著有利于混凝土性能的作用。以上所述低水膠比下粉煤灰作用的變化，我們可以用一個“動態堆積”的概念來認識，這是相對于長期以來沿用的靜態堆積而言的。即通常在選擇原材料和配合比時，是以各種原材料在加水之前的堆積盡量密實為依據的，但是當加水攪拌后，特別是在低水膠比條件下，如何通過粉狀顆粒水化的交叉進行，使初始水膠比盡量降低，混凝土單位用水量盡量減少，配制出的混凝土在密實成型的前提下，經過水化硬化過程，形成的微結構應該是更為密實的。上述大摻量粉煤灰混凝土的例子中，每方混凝土的用水量僅100kg左右，要比目前配制普通混凝土少幾十公斤，就是明顯的證據。有人曾進行過低水灰比（水膠比）摻/不摻粉煤灰凈漿的結合水測定試驗[6]：摻有30%粉煤灰，水膠比為0.24的凈漿，要比水灰比為0.24的純水泥漿在28d時的結合水還多，證實上述摻粉煤灰后改善了水泥在低水灰比條件下水化程度的說法。因此低水膠比條件下，大摻量粉煤灰混凝土的強度發展與空白混凝土接近，而后期仍有一定幅度的增長，在一定范圍內隨摻量變化的影響不大。當然，粉煤灰代替水泥用量大了，由于起激發作用的氫氧化鈣含量減少，使粉煤灰的水化條件劣化，所以在不同條件下存在一最佳粉煤灰摻量，并不是越大越好。

2）溫度的影響 眾所周知，溫度升高時水泥水化的速率會顯著加快。研究表明：與20℃相比，30℃時硅酸鹽水泥的水化速率要加快一倍。由于近些年來大型、超大型混凝土結構物的建造，構件斷面尺寸相應增大；混凝設計土強度等級的提高，使所用水泥標號提高、單位用量增大；又由于水泥生產技術的進展，使其所含水化迅速的早強礦物硅酸三鈣含量提高、粉磨細度加大，這些因素的疊加，導致混凝土硬化時產生的溫升明顯加劇，溫峰升高。舉一個典型的例子：97年北京一棟建筑物底層斷面為1.6m×1.6m的柱子，模板采用9層膠合板材料，施工季節為夏季，混凝土澆筑后柱芯的溫峰達到110℃。

在達到溫峰后的降溫期間，混凝土產生溫度收縮（也稱熱收縮）引起彈性拉應力；另一方面，混凝土水膠比的降低，又會使因水泥水化產生的自身收縮增大，同樣產生彈性拉應力；而混凝土的水灰比（水膠比）降低，早期水化加快，混凝土的彈性模量隨強度的提高而增大，進一步加劇了彈性拉應力增長；與此同時，混凝土的粘彈性，即對于彈性拉應力的松弛作用卻顯著地減小，這一切，都導致近些年來許多結構物在施工期間，模板剛拆除或以后不久就發現表面大量裂縫。除了凝固前的塑性裂縫以外，硬化混凝土早期出現的裂縫往往深而長（實際上不可見裂縫的長度和深度，要遠比可見裂縫大得多）。為了防止可見裂縫的出現，目前常采取外包保溫措施，以減小內外溫差，這種做法被認為是有效措施而迅速地得到推廣。但是沒有注意到：由于外保溫阻礙了混凝土水化熱的散發，加劇了體內的溫升，混凝土體溫度升高，使水泥水化加速，早期強度發展更加迅速，因此也更容易出現裂縫，只是由于鋼筋的約束和對應力的分散作用，使少量寬而長的可見裂縫轉變為大量分散的不可見裂縫，它們將為侵蝕性介質提供通道，影響結構混凝土的耐久性。同時較大的彈性拉應力還可能引起鋼筋達到屈服點而滑移，從而可能影響結構的使用功能。

與水泥相比，粉煤灰受溫度影響更為顯著，即溫度升高時它的水化明顯加快。所以當混凝土澆注時環境溫度與混凝土體溫度較高時，對純水泥混凝土來說，由于溫升帶來不利的影響，而對摻粉煤灰混凝土來說，則不僅溫升下降，減小了混凝土因溫度開裂的危險，同時由于加快火山灰反應，還提高了28天強度。舉一個很有意思的例子：德國在修建一條新鐵路時，其隧道襯砌曾嚴重地開裂，當時要求混凝土10h強度不低于12MPa；后來修改了規定：以隔熱的立方模型澆注的試件12h最高強度為6MPa；如果超過了，就要增加粉煤灰的摻量來更多地代替水泥。

以上說明：由于混凝土技術的進展，使混凝土可以在比較低的水膠比條件下制備，這就使粉煤灰在混凝土中的作用出現顯著地變化。而近些年來水泥活性增大、混凝土設計等級提高促使水泥用量增大，以及構件斷面尺寸加大，在混凝土體溫度上升的前提下，進一步促進了粉煤灰在混凝土中作用的發揮，以至可以說：粉煤灰在許多情況下可以起到水泥所起不到的作用，成為優質混凝土必不可少的組分之一。

3）室內試驗與現場澆注 長期以來，人們對于混凝土強度——其質量控制主要指標（通常也就是唯一指標）的評價，一直是根據在實驗室里制備的小試件（由于骨料最大粒徑的減小，試件尺寸從200×200×200mm減小到現在的100×100×100mm），經規定齡期的標準養護（20±3℃；RH≥90%），然后在試驗機上破型得到的數據進行。Idorn[7]在91年曾擬文指出：在特定實驗室條件下取樣制備試件進行試驗作為控制質量的方法，而不去開發以物理化學為科學依據的控制方法，是不合乎當今時代的錯誤。

試驗室制備的試件與工程中澆筑構件的實際情況存在著明顯的差異：

1）制備試件時的成型條件與工程實際振搗密實的情況不相符，因此不能反映實際結構物中混凝土的振實程度（孔隙率）、沉降程度（離析、泌水）等；

2）試件養護時的溫、濕度與實際構件的情況不同，而這種差異隨著現代工程結構斷面尺寸明顯增大、施工中忽視養護的情況使反差更加劇。如前所述，混凝土構件體內的溫升及其對

3）室內試驗與現場澆注 室內試驗結果要反映工程施工中混凝土澆筑的實際情況。

長期以來，人們對于混凝土強度——其質量控制主要指標（通常也就是唯一指標）的評價，一直是根據在實驗室里制備的小試件（由于骨料最大粒徑的減小，試件尺寸從200×200×200mm減小到現在的100×100×100mm），經規定齡期的標準養護（20±3℃；RH≥90%），然后在試驗機上破型得到的數據進行。Idorn[6]在91年曾擬文指出：在特定實驗室條件下取樣制備試件進行試驗作為控制質量的方法，而不去開發以物理化學為科學依據的控制方法，是不合乎當今時代的錯誤。

試驗室制備的試件與工程中澆筑構件的實際情況存在著明顯的差異：

1）制備試件時的成型條件與工程實際振搗密實的情況不相符，因此不能反映實際結構物中混凝土的振實程度（孔隙率）、沉降程度（離析、泌水）等；

2）試件養護時的溫、濕度與實際構件的情況不同，而這種差異隨著現代工程結構斷面尺寸明顯增大、施工中忽視養護的情況使反差更加劇。如前所述，混凝土構件體內的溫升及其對混凝土水化過程的不利影響、隨后降溫時的變形以及產生的內應力，小試件是反映不出來的，更無法反映上述普通混凝土與大摻量粉煤灰混凝土在溫升影響下的反差（純水泥混凝土后期強度比小試件偏低，而大摻量粉煤灰混凝土強度發展加速和提高）。

3）自由變形的試件和受配筋及其他條件約束的實際構件，在現代結構配筋曰益密集、混凝土水膠比明顯降低的情況下，對結構混凝土性能產生的影響差異加大：試件在初齡期自身收縮增大時，強度會呈提高趨勢；而實際結構中混凝土早期強度提高（彈性模量增大）、自身收縮加劇時，則因變形受約束，引起很大的拉應力從而導致開裂，強度與耐久性降低。

以上說明：室內試驗結果難以完全反映工程施工中混凝土澆筑的實際情況。正是從這個角度出發，許多國家從事混凝土技術研究時，越來越重視足尺試驗（與實際結構物尺寸相同或者成比例縮小）和對于實際結構物的現場檢測。如上所述，其結果正和小試件的相反。對于大摻量粉煤灰混凝土，或者從更廣泛的意義上來說，在混凝土技術領域里的研究方面，我們與先進國家的差距，可能更突出地反映在這些問題上（當然還有其他方面的，例如配制混凝土時所用骨料的變異性大，因此試驗結果的重現性差；室內試驗混凝土的攪拌、成型和養護條件有待改善等等），而不是如有些人誤認為的：因為國內粉煤灰、水泥、外加劑等原材料的質量存在著很大差距，因此得不出類似結果。

四、大摻量粉煤灰混凝土

既然粉煤灰在混凝土中的作用如此重要，為什么粉煤灰混凝土，主要是大摻量粉煤灰混凝土長時間得不到推廣呢？在這里提出一個新的看法：目前許多規范中規定的鋼筋混凝土中的摻量限制（例如25%），對配制中低強度的混凝土來說，恰恰是最不利于發揮粉煤灰作用的摻量。換句話說，粉煤灰必須用大摻量，才能發揮良好的效果。這是為什么呢？

如上所述，摻用粉煤灰要想取得良好效果，水膠比必須低，而中低強度混凝土的水泥用量通常在350kg/m3以下。這種條件下，即使摻用再好的減水劑，水灰比（水膠比）也只能在0.50左右。因為再減小時，漿體體積就滿足不了填充骨料空隙并形成足夠厚度潤滑層的需要。當摻加粉煤灰時，由于它比水泥輕，等重量替代水泥時可以增大膠凝材料的體積，所以可以使混凝土的水膠比降低。但是當其摻量較小時（如規定的25%以內），增大膠凝材料的體積有限，降低水膠比的作用也就有限。前面談到的加拿大CANMET進行的大摻量粉煤灰混凝土性能之所以優異，正是因為它在膠凝材料用量為350kg/m3的條件下，粉煤灰占到57%以上，從而將水膠比降低到0.30左右獲得的結果。我們重復了它的膠凝材料比例進行試驗，因此也得到了類似的效果。

大摻量粉煤灰混凝土不僅強度發展效果良好，而且各種耐久性能也十分優異。由于能夠明顯降低水化溫升，也大大減小了混凝土早期出現開裂的危險，可以說是一種適用于除了早期強度要求非常高以外，能夠滿足各種工程條件，尤其是侵蝕性嚴酷環境要求的高性能混凝土。例如公路路面板、橋面板就是這樣一類結構，不僅工作環境嚴酷，而且需要耐磨性良好。大摻量粉煤灰混凝土的后期強度增長幅度大，恰好滿足了這樣的要求——強度和耐磨性隨著時間不斷增長。但是目前的耐磨性試驗不適宜于判斷這種混凝土的耐磨性，因為通常就在28天齡期進行快速試驗——用鋼球在試件上快速旋轉產生的磨耗量來評價。這也說明：推廣新材料、新技術需要伴隨試驗評價方法的改進。

當然，任何事物都有它的兩面性，大摻量粉煤灰混凝土也存在局限性。其中，粉煤灰—水泥—化學外加劑之間的相容性，表現為混凝土水膠比能否有效地降低，使粉煤灰能充分發揮作用，自然是應用這種混凝土首先要檢驗的問題。一般來說，當水膠比只能在0.40以上時，在中等強度要求的混凝土中使用的效果就可能成問題了。其次，由于大摻量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度減少，因此對于水泥質量的穩定性和粉煤灰品質的穩定性就比較高，當兩者的質量產生波動時，會給使用效果帶來明顯的影響。不過大摻量粉煤灰混凝土的水膠比較低這一特性，也有減小混凝土性能波動的益處。同時，從拌合物的工作度檢驗中，操作人員比較易于獲得粉煤灰質量發生了波動的信息，便于及時采取措施減小或避免損失。此外，工程所在地附近一定半徑范圍里，有可以適用的粉煤灰來源也十分重要，過長的運輸距離不僅使粉煤灰使用費用增加，也給及時滿足工程對粉煤灰貨源的需求帶來困難。

另外，在使用大摻量粉煤灰混凝土時，需要注意以下施工條件和事項：

1）配制混凝土的骨料級配良好，以減小空隙率，利于水膠比降低，保證使用效果；

2）必須采用強制性攪拌機拌合這種混凝土，以保證其均勻性，由于它比較粘稠，在出機口、罐車進料口、入泵口以及攤鋪過程要采取相應措施；

3）混凝土坍落度應控制比普通混凝土減小（不影響泵送與震搗）；澆注后，要及早噴灑養護劑或覆蓋外露表面，但一般情況下無需噴霧或澆水養護；

4）氣溫過低時，要采用保溫養護措施，且適當延緩拆模時間，使混凝土硬化和強度發展滿足施工需要。

五、混凝土材料的可持續發展

混凝土材料是當今用量最大、用途最廣泛的建筑材料，據統計，每年全世界的耗用量接近100億噸。如此巨大的用量，伴隨著生產、使用過程帶來礦石資源、能源的消耗，以及對大氣和環境造成的污染，已引起全世界業內的關注。

我國的水泥產量多年來居世界首位，占1/3以上。同時我國粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于發展基礎設施建設的需要，有關部門仍在計劃投資建設更多水泥廠。過去在混凝土里摻用粉煤灰，是為了節約水泥、降低工程材料費用，今天對混凝土摻用粉煤灰的認識，應該提高到保護環境、保護資源，使混凝土材料可長久地持續應用于基礎設施建設中的高度上來認識。

大摻量粉煤灰混凝土不僅可以改善混凝土的各項性能，延長混凝土結構的使用壽命，同時可以大幅度減小耗費能源多、污染環境嚴重的硅酸鹽水泥用量，因此也是一種綠色混凝土。從這個角度出發，推廣大摻量粉煤灰混凝土在我國土木建筑工程中的應用，是一件于國于民有顯著效益的事業，必定有強大的生命力，有廣闊的發展前景。

第三篇：粉煤灰在建筑材料中的應用

粉煤灰在建筑材料中的應用

摘 要：當前，隨著我國社會經濟與電力行業的不斷發展，粉煤灰的排放量也日益增加。從傳統的角度而言，粉煤灰屬于燃煤排放的主要固體廢棄物，其不僅不具備任何利用價值，更是會對環境造成嚴重影響。但是，隨著我國科學技術的不斷發展，粉煤灰逐漸在建材、農業等領域中得到廣泛的應用。文章即主要針對粉煤灰在建筑材料中的應用做了具體探討。

關鍵詞：粉煤灰；建筑材料；應用

粉煤灰作為發電、工業生產的主要廢棄物，若是未能夠對其進行有效處理，必然會導致生態環境的破壞，威脅人們的身體健康。因此，如何有效處理粉煤灰，成為了社會關注的一大焦點問題。近些年，通過粉煤灰生產相應的節能環保建筑材料產品，成為了國家大力扶持的產業。粉煤灰概述

1.1 粉煤灰

粉煤灰主要是一種混合體，其主要構成物包括結晶體、玻璃體以及少量的未燃碳。粉煤灰中存在的主要氧化物如下所示：TiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2，其中，最主要的成分為SiO2，其所占比例約為43%～56%；其次則是Al2O3，其所占比例約為20%～35%；再次，則是Fe2O3，所占比例約為4%～10%。一般來說，粉煤灰的密度是2～2.3kg/m3，松散干容重是550～800kg/m3，細度是2700～3500cm2/g，孔隙率是60～75%，而燃煤種類、方式、燃燒溫度的不同，均會對其物理性能產生一定的影響。

1.2 粉煤灰的綜合利用

隨著我國經濟的不斷發展，資源危機問題日益突出，人們越來越重視“廢棄物”的利用，粉煤灰即是在此背景下，被廣泛應用于冶金、建材、交通、化工等等多個領域中。其中，在建筑領域中，粉煤灰主要具有高活性、表面積小、內部存在大量球形或微球狀顆粒、能夠提高混凝土凝結性能等優點。粉煤灰在建筑材料中的應用分析

在建材領域中，粉煤灰的利用方法與途徑十分多樣，下文對此進行了具體論述。

2.1 粉煤灰在混凝土中的應用

對于混凝土而言，粉煤灰是一種十分優質的活性摻和料。一方面，粉煤灰自身質量輕、化學性質穩定，價格低廉，具有很好的經濟效益；另一方面，粉煤灰的使用可以有效降低黏土、水泥等材料的使用量，從而降低混凝土使用成本。

在混凝土中摻入適量的粉煤灰，主要可以改善混凝土和易性，增強其抗彎、抗壓、抗蝕、抗滲性能，其具體效應主要表現在以下幾個方面：第一，取代效應。粉煤灰作為一種摻合料加入到混凝土中，能夠起到取代部分水泥的作用，從而減少水泥熟料的量。而水泥熟料的使用量有效減少后，混凝土的耐蝕性、耐熱性等均可得到一定提高，同時其水熱化的降低，可以起到降低混凝土施工裂縫發生率的作用。第二，火山灰效應。混凝土中粉煤灰的火山灰效應主要表現在以下幾個方面：一是實現了混凝土水化物氫氧化鈣的消耗，從而降低混凝土水化熱；二是二次水化的產物，能夠充分填充在混凝土的毛細孔當中，從而起到細化孔隙、提高混凝土密實性的效果。值得注意的是，二次水化的產物還可以有效縫合混凝土前期出現的裂縫，提高混凝土施工質量。第三，形態效應。形態效應主要指的是粉煤灰顆粒外貌形態效應，其主要包括表面狀態、形狀、以及粒度分布等。一般情況下，若是粉煤灰粒度適宜，表面致密光滑，則粉煤灰減水性良好；若是粉煤灰粒度比較細，表面致密光滑的玻璃釉狀物質被破壞，則粉煤灰的活性高，水化反應快。

2.2 粉煤灰在墻體材料中的應用

當前，不少新型建筑材料中均應用了粉煤灰，例如：蒸壓粉煤灰磚即為我國當前重點推廣應用的節能環保墻體材料。蒸壓粉煤灰磚的原材主要是粉煤灰和石灰，根據實際情況，也可以加入適當的骨料、石膏。一方面，蒸壓粉煤灰磚具有重量輕、隔熱保溫效果好的優點，有利于建筑節能；另一方面，蒸壓粉煤灰磚強度高、抗滲透能力強，其單塊抗壓強度可達16.0MPa，因此可以廣泛代替實心粘土磚，起到節約能源、保護環境的作用。

2.3 粉煤灰在建筑玻璃材料中的應用

2.3.1 泡沫玻璃。泡沫玻璃的主要是在各種的礦物廢渣中加入一定的發泡劑、助熔劑等等，將其混合倒入特定模具，通過預熱、熔融、發泡以及冷卻等一系列工序后所得到的多孔玻璃材料。當前，利用粉煤灰和碎玻璃所制成的泡沫玻璃具有質量輕、強度高、保溫性能的優點。同時，由于此種泡沫玻璃實現了粉煤灰的再次利用，具有顯著的社會、生態效益。此外，由于泡沫玻璃的形狀可以根據不同的工程需要而定，因此其適用性極為廣泛。

2.3.2 粉煤灰微晶玻璃。粉煤灰微晶玻璃主要是將粉煤灰進行晶化熱處理（可加或不加晶核劑），從而使得其由單一玻璃轉變為微晶相與玻璃相均勻分布的復合材料。當前，粉煤灰微晶玻璃常用的制作工藝主要由以下三種：燒結法、熔融法以及壓延法。粉煤灰微晶玻璃與天然石材相比，其強度、硬度更高、耐磨性好、化學穩定性好，因此十分適用于建筑內墻、地面、柱石以及外墻的裝飾施工。做好粉煤灰應用的有效措施

3.1 轉變思想觀念

在傳統的觀念中，粉煤灰僅僅是電力生產的廢物，其不僅沒有任何的利用價值，還會對自然環境造成一定的污染。因此，若是想要實現粉煤灰在建筑材料中的有效利用，必須擺脫此種觀念，充分認識到粉煤灰的價值所在，只要采取一定的技術手段，即可將其轉變為再生的資源，為我國節能建筑、生態建筑的發展添磚加瓦。

3.2 出臺優惠政策

對于我國而言，促進粉煤灰廣泛應用，有利于促進我國建筑節能的不斷發展，獲得良好的生態、經濟、社會效益。因此，國家必須出臺鼓勵性及懲罰性的政策，規范建筑領域中對于粉煤灰的使用，從而實現其價值的充分發揮。特別是通過相應的所得稅、增值稅等優惠政策的利用，可以有效調動建材企業、施工企業對于粉煤灰的應用積極性，從而使得其能夠主動調整自身建材使用結構，更為廣泛地應用新型環保材料。

3.3 推動技術進步

對于我國相關部門及建筑企業而言，其必須充分認識到當前我國對于粉煤灰的利用依舊處于一個較低的水平，與發達國家的差距較遠。針對此種情況，我國應積極借鑒、吸收國外先進產品技術，加大粉煤灰利用的研究力度，從而有效提高粉煤灰的利用效率，使其在建筑行業中發揮出更大的作用。結語

綜上所述，粉煤灰的有效利用不僅實現了經濟效益的提高，更是有效保護了環境，避免粉煤灰的隨意排放導致河流、空氣的污染。其中，將粉煤灰應用于建筑材料中，不失為一個有效的措施。但是，當前我國的粉煤灰利用效率依舊較低，國家必須通過政策鼓勵，推動技術進步，已獲得更多的、實用的新型建筑材料。

參考文獻

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第四篇：粉煤灰混凝土小型空心砌塊生產工藝

粉煤灰混凝土小型空心砌塊生產工藝

生產粉煤灰混凝土小型空心砌塊，是將粉煤灰、水泥、砂石等主要原材料按比摻配，均勻混合，用加有適量減水劑的水適度濕化，經坯料制備，擠出成型，養護而成。采用空心砌塊成型機生產，工藝簡單，易操作，成本低，產品性能良好。

粉煤灰顆粒微細，一般粒徑為0.3mm左右，相當于水泥的細度。粉煤灰量大面廣，是一種利用價值很高的“再生資源”，是生產節能型綠色建材的好材料。

用粉煤灰、水泥、砂石、適量的增塑劑和水，生產混凝土小型空心砌塊，具有諸多工藝功能。①含活性SiO2，具有火山灰作用和潛在水硬性。能水化生成水化硅酸鈣凝膠，可減少水泥用量；②能提高以水泥為膠凝材料的制品后期強度，控制堿———骨料反應；③降低水化熱，減少受熱體積和干燥干縮；④減少泌水和離析現象，改善和易性，增強產品抗壓、抗折、抗拉強度。提高砌體工程質量；⑤砌塊強度達到MU10以上，能增強砌體的結構力；⑥粉煤灰容重小，可減輕砌塊的重量。

利用粉煤灰生產混凝土小型空心砌塊，具有一舉多得的優越性。①可節約資源，降低能耗，減少運輸量，減輕建筑業的物化勞動，節約砌體粘結料；②生產工藝簡單，不需大量機械設備，不需窯爐，不燒煤，不用粘土，可節能源、耕地；③粉煤灰來源廣，使用方便，省工節能，可降低產品成本，提高經濟效益；④可變廢為寶，消除污染，保護環境；⑤用小型空心砌塊砌筑的墻體，具有隔熱、保溫、防噪功能。粉煤灰混凝土小型空心砌塊是一種環保型綠色建材，發展前景廣闊。根據多年建材生產的經驗，就粉煤灰混凝土小型空心砌塊生產工藝談幾點淺見。原材料的選擇

粉煤灰的技術指標，應符合生產工藝的要求。實踐證明，原材料是產品質量的根本保證，優質材料是產品優質的基礎。生產優質粉煤灰混凝土小型空心砌塊，必須選用顆粒微細的粉煤灰、清水細砂、清水小卵石(粒徑小于10mm)、優質水泥、高效減水劑和纖維素。

1.1 粉煤灰的選擇

粉煤灰是火電廠鍋爐排出的廢渣，其排出方式有干排、濕排、混排和分排。不論哪種方式排出的粉煤灰，均可用于生產混凝土小型空心砌塊。粉煤灰顆粒越細越利提高產品的性能。

1.1.1 粉煤灰的物理性能

粉煤灰為多孔結構，對水的吸附能力大，含水分30%的粉煤灰仍呈松散狀態。其物理性能因原煤產地(種類)和電廠鍋爐效率的高低而異，差別較大。

1.2 集料的選擇

生產混凝土小型空心砌塊，須摻配相應比例的膠凝材料和骨料。

1.2.1 膠凝材料的選擇視資源條件選用42.5級以上的普通硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥或硅鎂水泥。

1.2.2 骨料的選擇

骨料在砌塊中起著骨架作用，既增強了砌塊的強度，又減少了砌塊的收縮裂縫。選擇骨料應控制粒徑，一般采用10mm以下細度的清水卵石、清水細砂，有條件時可采用10mm細度的磚瓦碎屑或礦渣代替卵石，也可用煤矸石粉或硅灰代替細砂，便能與水泥一道發揮更好的活化作用。

第五篇：粉煤灰混凝土強度統計特性的試驗研究_何淅淅.

第44卷增刊2011年 土木工程學報

CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL Vol．442011 粉煤灰混凝土強度統計特性的試驗研究 何淅淅 鄭學成 林社勇

（北京建筑工程學院北京100044）

摘要：分3批共計24組統計試驗考察粉煤灰摻量、試件尺寸以及纖維、骨料性質對混凝土強度統計特性的影響。100mm邊長19組，150mm邊長5組。試驗齡期分別為其中包括立方抗壓強度19組，立方體劈裂抗拉強度5組，28d、56d、90d、200d和365d；骨料類型包括頁巖兩組，普通碎石骨料22組；摻有聚丙烯纖維的共4組。分析表明，齡期增長可以明顯降低混凝土強度的離散性；粉煤灰和試件尺寸對混凝土強度離散性的影響沒有明顯的趨向性。在3組中有2組表現為尺寸越大強度越高的特性；尺寸對劈裂抗拉強度尺寸對統計平均立方抗壓強度影響的試驗中，強度越低的特點。針對24組統計試驗數據，進行正態概率分布以統計平均值影響的試驗結果均表現出尺寸越大，Weibull分布與試驗強度頻率圖的右尾端擬合較差。及Weibull概率分布假設檢驗。概率分布假設檢驗結果表明，關鍵詞：粉煤灰混凝土；尺寸效應；強度；概率分布；離散系數中圖分類號：TU528．2 文獻標識碼：A 131X（2011）S1-0059-07文章編號：1000-Theexperimentalstudiesonthestatisticalcharacteristicsofflyashconcretestrength HeXixi ZhengXuecheng LinSheyong（BeijingInstituteofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044，China）Abstract：Inthispaper，24teamstatisticaltestswithdifferentconcretespecimensizes（100mm，150mm），differentages（28d，56d，90d，200dand365d），differentaggregates（shaleandordinarygravelaggregate）andvariableadmixtures（withandwithoutpolypropylenefiber）in3groupsweretestedtoanalyzetheinfluenceofflyashcontent，specimensizeandcharacteristicsoffiber，aggregateonstrengthoftheconcrete，includingcompressivestrengthandsplittensilestrength．Resultsshowedthat，longagecansignificantlyreducethegrowthofthediscretenatureofconcretestrengthwhileflyashvolumeandspecimensizehaslittleimpactonthediscretenatureofconcretestrength．Firstly，twosetsinthreeshowsthepositiveeffectsofsizeonthestatisticalaveragecubecompressivestrength．Secondly，theinfluenceofsizeonthestatisticalaveragesplittensilestrengthisnegative．Intheend，statisticaltestdataof24groupswereusedtoverifythenormalprobabilitydistributionassumptionandtheWeibullprobabilitydistributionofhypothesis．AnalysesonthefittingbetweenWeibulldistributioncurveandfrequencyplotsoftheconcretestrengthshowthat，thetailofrightsideisnotgood．Keywords：flyashconcrete；sizeeffect；strength；probabilitydistribution；dispersioncoefficientE-mail：hexixi@bucea．edu．cn 位，故混凝土強度的統計特性分析一直是分析混凝土

尺寸效應的重要手段之一。課題組歷時多年，多批次對當代混凝土的強度統計特性進行了試驗研究，本文為其中3個批次統計試驗的結果。

考慮到正態概率分布對隨機變量的通用性以及在分析混凝土尺寸效應中Weibull理論具有的普遍意義，本文采用這兩種概率統計分布與混凝土強度試驗值進行比較。正態分布概率密度函數為：（1）

σ式中：σ、μ分別取修正樣本標準差（以下簡稱標準差）和樣本試驗平均值。Weibull概率密度函數采用雙 f（x）= －1 x－2 σ 引言

混凝土是半脆性材料，其力學性質具有較大的隨

機性，對其統計特性的認識關系到結構的安全度。脆在性材料的力學性質存在尺寸效應已得到大家公認，當今尺寸效應理論的兩大流派中，雖然斷裂能量型尺寸效應理論逐漸被大家確認，但就混凝土基本強度指 Weibull統計型尺寸效應理論仍然具有主導地標而言，基金項目：北京市自然科學基金（8052008）作者簡介：何淅淅，碩士，教授01-30收稿日期：2011-·60·土木工程學報2011年 參數數學模型： f（x）=

mm－1－（emxβ

xmβ（2）

試驗概況及主要結果見表2。各組實測概率與正

態分布和Weibull分布的比較見圖2，圖2表明累積概率（cdf）試驗值與理論正態分布和Weibull分布曲線均擬合較好。表2 Table2 第一批fcu統計試驗基本情況Overviewofthefirsttestsgroupforfcu 一10053 二1005339．601．920．05 三1005327．201．190．04 四1005338．452．360．06 五1005330．661．040．03 六1005042．672．000．

05 式中：m為形狀參數，也是材料的Weibull模量，其值 在m的一般范圍，可以近與樣本離散系數Cov有關，似取 ［1］ ： m≈

1．23Cov（3）

組別立方體邊長（mm）樣本個數n 式（2）中β為尺度參數，也即材料特征應力，可根據樣本平均值x由下式計算： β= x Γ（1+1/m）

（4）

實測fcu平均值（MPa）42．98fcu標準差（MPa）fcu離散系數Cov 2．060．05 式中：伽馬函數Γ（1+1/m）隨m的變化見圖1。從圖1可以看出，在m大于1時，Γ（1+1/m）隨m加大趨近1；在m＜20時，計算參數β時若忽略Γ（1+1/m）而近似取樣本平均值x會產生較大誤差

。圖1 Fig．1 伽馬函數Γ（1+1/m）隨m的變化

TherelationshipbetweenfunctionΓ（1+1/m）andm 1 1．1 統計試驗概況及主要結果 第一批立方抗壓強度統計試驗

標準養護齡期28d。試立方試件邊長取100mm，圖2 第一批試驗fcu的累積概率分布實測值與理論值比較

Comparisonofmeasuredvaluesofcumulative Fig．2 驗共6組，混凝土配合比見表1。水泥采用PO42．5 級。其中，二、四組摻II級粉煤灰；

五、六組采用粒徑為5～20mm的900級碎石型頁巖骨料（表中標注*者），其他組均采用粒徑為5～25mm的普通碎石骨料。

表1Table1 參數

組別水灰比水膠比 W/C一二三四五六

0．3170．4520．4430．4530．4680．320 W/B0．3170．3170．4430．3170．4680．320 水泥粉煤灰***540 145170 probabilityandcumulativeprobabilitydistributionfunction ofnormaldistributioninthefirstgroupforfcu 第一批統計試驗的混凝土配合比Theconcretemixratioofthefirstgroup 配合比（kg/m3）砂***692 粗骨料***4658*647* 水***3178173 6．0減水劑

圖3為fcu試驗頻率直方圖與兩種理論概率密度

曲線的比較。對比可以看出Weibull分布具有非對稱性，其眾值偏右，而試驗實測直方圖也沒有全部表現出正態分布的對稱性。圖

2、圖3均表現出，在累積概率cdf接近1時或概率密度函數pdf曲線的右端，Weibull曲線收斂較早。通過采用χ法對正態分布和Weibull分布假設進行檢驗，發現在混凝土強度數值大的區域（即概率密

度曲線pdf的右尾區域），由于累積概率cdf過快收斂

于1，而導致χ值迅速增大超過接收臨界值。在置信6組數據中有4組不接受Weibull分布水平取0．01時，第44卷增刊何淅淅等·粉煤灰混凝土強度統計特性的試驗研究·61

·

圖3Fig．3 第一批試驗fcu概率密度實測值與理論值比較Comparisonofmeasuredvaluesandtheoreticalvaluesofprobabilitydensitydistribution inthefirstgroupforfcu 6假設。正態分布曲線的對稱性則避免了這一問題，組試驗檢驗結果有5組得到正態分布假設成立的結論（見表3）。如取置信水平為0．05，6組數據中有5組不接受Weibull分布假設，而正態分布適用結論不變。

表3Table3 第一批試驗fcu的概率分布假設檢驗（χ法）Hypothesistestingofprobabilitydistributioninthefirstgroupforfcu（χ2way）組別

分布檢驗置信水平χ2檢驗臨界值正態分布檢驗Weibull分布檢驗 一0．0120．1接受拒絕

二0．0116．8接受拒絕 三0．0111．34接受接受 四0．0123．2接受拒絕 五0．019．2拒絕拒絕 六0．0126．2接受接收 0#1#配比編號

粉煤灰水膠比水灰比替代率0%10%25% W/B0．420．420．42 W/C0．420．470．56 水150150150 水泥粉煤灰砂子骨料減水劑357321268 03689 814814814 10793．5710793．5710793．57 2 表4第二批統計試驗的混凝土理論配合比 Table4Theoreticalconcretemixratiosofthesecondgroup 特征參數

理論配合比（kg/m3）

圖4為第一批試驗6組fcu累積密度實測值及正態概率密度曲線的比較。圖5為根據實測平均值和均方差得到的各組正態概率及概率密度曲線。很明顯的結論是：①隨著混凝土強度的提高，強度離散性有六組的強度是6組中加大的趨勢；②水灰比最小的一、最高的；③輕骨料和普通骨料混凝土在統計特征方面沒有系統區別。1．2第二批強度統計試驗

采用標準方法制作及養護，立方體試件邊長分別 水泥采用為100mm和150mm。粉煤灰采用Ⅱ級，PO42．5級，碎石骨料最大粒徑為25mm，粉煤灰替代 10%和25%，水泥率分別取0、混凝土配合比見表4。

2# 這批試驗配合比的設計特點是在膠凝材料總量、水膠比以及其他配制材料用量不變的情況下，考察粉煤灰替代水泥率對混凝土強度統計特性的影響。考慮到粉煤灰混凝土強度硬化的特點，有5組的試驗齡 1組采用365d。立方抗壓強度fcu的統計期采用90d，參數試驗結果以及概率分布檢驗結果見表5，概率分布試驗結果見圖6。試驗結論有：

（1）正態分布和Weibull分布均可以較好地反映fcu的概率分布特征。·62· 表5 Table5 第二批fcu統計試驗基本情況

0#901005657．14．290．080．9750．0120．1 1502858．63．670．061．00．0118．5 0．0115．11#901004364．23．200．05 1004352．53．920．070．9540．0113．327．8拒絕7．5接受 2#90 土木工程學報2011年

Overviewofthesecondstatisticaltestsgroupforfcu 2#365 1503354．24．350．081．00．0117．17．2接受251拒絕

0．0118．58．16接受9．0接受1003258．62．010．03（4）1年齡期（365d）時，強度試驗統計離散性明顯下降。90d齡期的試驗數據中，粉煤灰替代率為10%的1#試驗強度離散系數最小。

（5）對比表5和表2兩批試驗數據可以看出，本試驗混凝土強度統計離散系數隨強度提高而略有提高。

圖7為第二批統計試驗的立方抗壓強度直方圖與 圖8為第二批統計試驗的立方抗壓強理論曲線比較，圖9為根據度累積概率分布與正態概率分布的比較，各組統計平均值以及均方差得到的正態概率的密度

曲線以及累積概率曲線的比較。可以看出除部分試驗反映出尺寸越大離散性越大的特點外，大部分試驗結果沒有反映出尺寸與試驗離散型的確定關系。Weibull密度分布在右尾端與試驗數據擬合不好，累積概率收斂快（圖7）。1．3

第三批強度統計試驗

第三批試驗主要考察了粉煤灰摻量以及纖維對混凝土強度統計特性的影響。混凝土由北京瑞博商混站提供，骨料最大粒徑為25mm，粉煤灰為I級灰。纖維為聚丙烯纖維，混凝土配合比見表6。配合比特

改變粉煤灰用量。征仍然是保持其他變量基本不變，為考察粉煤灰的影響，主要試驗齡期選為56d，其中，一組的齡期為200d。構件制作于12月份，由于室內場

配合比編號試驗齡期（d）截面邊長（mm）每組試件數fcu實測平均值（MPa）

均方差（MPa）離散系數強度系數fcu100/fcu150分布檢驗置信水平χ2檢驗臨界值

χ2統計量 正態假設檢驗

檢驗結果χ2統計量檢驗結果

14．0513．394．43接受6．9接受 接受7．7接受 接受3．1接受 Weibull檢驗 圖6Fig．6 第二批試驗fcu累積概率分布實測值與理論值比較Comparisonofmeasuredvaluesandtheoreticalvaluesofcumulativeprobabilitydistribution inthesecondgroupforfcu（2）χ2檢驗結果表明，正態分布假設和Weibull分各有1組被拒絕。布假設各有5組被接受，（3）90d齡期時，粉煤灰替代水泥率為10%的1#系列強度平均值最大；而替代率為25%的2#系列強度

分別低于不同尺寸無粉煤灰的普通混凝土（0#）。圖7Fig．7 第二批試驗fcu概率密度實測值與理論值比較Comparisonofmeasuredvaluesandtheoreticalvaluesofprobabilitydensitydistribution inthesecondgroupforfcu 第44卷增刊何淅淅等·粉煤灰混凝土強度統計特性的試驗研究 表7 第三批統計試驗fts的基本情況 Basicinformationofthe ·63

·

Table7 thirdstatisticaltestgroupforfts 配合比編號齡期（d）截面邊長（mm）試件數量強度平均值（MPa）均方差（MPa）離散系數強度系數fts100/fts150分布檢驗置信水平χ2檢驗臨界值正態分布檢驗Weibull分布檢驗 0．0123．2接受拒絕 0．0116．8接受拒絕

4#56100652．60．450．17 2#56150271．490．370．25 2#56100642．040．500．241．370．0118．5接受接受 0．0118．5接受拒絕2-F#56150291．320．380．29 2-F#56100632．280．760．331．730．0127．7接受接受 表8 Table8 第三批統計試驗fcu的基本情況 4# 2#56 1503536．83．760．10 1006234．22．670．080．93 0．0118．5接受接受 0．0124．7接受拒絕

0．0120．1接受拒絕1502722．93．490．15 1006422．64．210．190．990．0121．7接受拒絕 0．0126．2接受接受1503030．35．230．17 1006433．85．270．161．120．0132．0接受接受

0．0126．2接受接受 2-F# 2#2001002830．64．400．14 Overviewofthethirdstatisticaltestgroupforfcu

配合比編號齡期（d）截面邊長（mm）試件數量

地限制，試件均采用室外制作、振搗棒振搗、蓋棉被養護。試驗點值與理論曲線比較見圖10～圖13。試驗得出的主要結論有：

（1）無論是劈裂抗拉強度還是立方抗壓強度，概 率分布的χ檢驗結果均有正態分布假設成立的結論，而Weibull分布各有3組不接受。第三批試驗也反映

強度平均值（MPa）均方差（MPa）離散系數強度系數fcui/fcu150分布檢驗置信水平χ2檢驗臨界值正態分布檢驗Weibull分布檢驗

出Weibull概率密度曲線的右尾與試驗數據擬合不好的結果。

（2）第三批試驗數據離散系數明顯高于第一和第二批。這主要與混凝土為商混站供應、冬季室外養護不確定性增加有關。其中粉煤灰替代率為20%的2#系列，強度離散系數最高；而粉煤灰替代水泥率為40%的4#，離散系數最低。表6 第三批統計試驗的混凝土理論配合比 Theoreticalconcretemixratiosof Table6 thethirdgroupconcreteforstatisticaltests 重要參數

配合比編號0#2#4#2-F# 粉煤灰替代率0%20%40%20% W/BW/C水水泥砂子骨料40%40%16040040%50%16032040%67%16024032%40%170425 73511027351102 粉煤減水聚丙烯灰080 劑3333 0．9纖維

理論配合比（kg/m3）圖10Fig．10 第三批試驗fcu的累積概率實測值與正態分布理論值的比較

Comparisonofmeasuredvaluesofcumulative ***52106 probabilityandcumulativeprobabilitydistributionfunctionofnormaldistributioninthethirdgroupforfcu

·64·土木工程學報2011

年

2#配合比，均出現fcu的統計平均值隨尺寸加大而提高 的現象。圖14為強度統計平均值相對強度系數

。圖14 Fig．14第二批試驗fcu統計強度尺寸效應

Sizeeffectsofthestatisticalstrength fcuinthesecondgroup 第三批試驗中，齡期56d的混凝土劈裂抗拉強度

隨尺寸增加而降低；但立方抗壓強度fcu則是一組隨尺 寸增加而下降，另兩組隨尺寸增加呈現小幅上升（圖 15）。也就是說，抗拉強度與抗壓強度與尺寸的依賴 關系有所不同。

圖15 Fig．15第三批試驗統計強度尺寸效應

inthethirdgroupSizeeffectsofthestatisticalstrengthfcu 3結論

（1）當代混凝土強度尺寸效應

本文統計試驗表明，在礦物細粉作為混凝土必要（3）和前面得出的結論一樣，尺寸對立方抗壓強 度離散性的影響不明顯，離散系數總體趨勢為隨強度 提高而加大。

（4）劈裂抗拉強度隨尺寸減小而提高，離散性加

大。這和立方抗壓強度表現出的規律有所不同。組分的當代混凝土工程中，混凝土的力學性質與傳統無礦物摻合料的混凝土相比發生一定變化。第二批和第三批不同尺寸的立方抗壓強度以及劈裂強度統計試驗表明，混凝土拉、壓強度統計平均值與尺寸的依賴關系呈現不同變化規律。抗壓強度中出現強度不隨尺寸增加而降低的現象，而抗拉強度表現為隨尺 寸增加而降低。

分析原因，筆者認為粉煤灰等礦物摻合料改善了 混凝土原有的粗骨料與基材的薄弱界面，因此原有的 基于混凝土界面開裂而誘發破壞的受壓破壞機理值

得重新審視。而受拉破壞在破壞機理上與受壓的不2統計強度平均值的尺寸效應第二批試驗90d齡期的立方抗壓強度試驗結果表無論是無粉煤灰的0#還是粉煤灰替代率為25%的明，第44卷增刊何淅淅等·粉煤灰混凝土強度統計特性的試驗研究·65·

同在于不存在與混凝土界面強度的直接依賴關系。事實上，粉煤灰等礦物摻合料改善了混凝土細觀結構，混凝土的致密性增加，均勻性得到改善，骨料界面應力集中得到緩解，故而傳統混凝土的脆性得到改善是必然的，因此與材料脆性關聯 的強度尺寸效應可能呈現減弱的趨勢。無粉煤灰的0#系列也出現與以往不同的尺寸效應（圖14），這應該和當代水泥組分中礦

無論是否以粉煤灰替代部粉的添加有關。也就是說，分水泥，當代混凝土中均存在一定比例的礦物超細

粉，由此帶來的混凝土力學機理方面的改變也正是高性能混凝土與傳統混凝土在力學性質改善方面需要更多研究關注的方面。

隨著近期對各類高性能混凝土尺寸效應的研究，越來越多的出現這種強度與尺寸不同關聯性的報道。2］文獻［研究了纖維、試件尺寸、骨料性質對高強混凝土圓柱劈裂強度的影響，試驗結果表明，硅灰陶粒輕骨料（LTGP）混凝土在試件邊長從100mm變到200mm時，以及硅灰石灰石骨料混凝土（LSP）圓柱在直徑從76mm變到150mm時，尺寸越大劈裂強度越低，這與

3］本試驗結果相同。文獻［對硅灰高強輕骨料混凝土的研究表明，當硅灰替代水泥率在10%～15%時，抗

折強度與抗壓強度尺寸效應出現背離的情況。文獻［4］研究了ECC板和梁的彎曲性能。結果表明隨尺寸ECC板和梁表現出隨試件厚度增加，變化，抗折強度先提高后降低的特性。

（2）三個系列的試驗在混凝土材料強度的變異性 而一般與尺寸變化的關聯性方面并未得到明確結果，［5］

認為尺寸越大變異性越低。這可能與本文試驗100mm邊長試件的數量高于150mm邊長試件的數量

好導致分布假設檢驗有部分不通過。這個結果可能

Weibull和需要剔除不合理試驗點值有關。總體來看，累計概率cdf以及概率密度分布pdf與試驗結果還是

有很好的擬合性。目前，鑒于在尺寸效應理論方面認識的局限性，對Weibull理論仍需加以大量試驗驗證。

（5）在隨機性尺寸效應理論中，Weibull材料模量m是與尺寸效應直接關聯的重要參數，該參數在數學因此需要通過強上與材料變異性近似成反比（式3），度統計試驗加以分析。現有的研究普遍存在樣本數 ［6］

量偏低的情況，根據ACI318的建議，當樣本數量低于30時，得到的統計均方差須乘以相應的放大系數。

Weibull模量在尺寸效應解釋中的重要意義，以及基于概率理論的當代混凝土結構設計方法，對混凝土強度

更具有混的統計分析不僅具有質量控制方面的意義，凝土力學以及結構安全性方面的重要意義。而這方

面的研究需要加大樣本數量以降低試驗的不確定性。（6）通過統計試驗確定材料變異系數進而確定材料參數m是Weibull尺寸效應理論的基礎，因而準確評測變異系數十分重要。樣本數量、樣本尺寸、樣本強度級別、混凝土組分均對統計離散性有影響。同時在進行數據統計分析時如何剔除不合理數據也是需要考慮的問題。參考文獻

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ACI318-05Buildingcoderequirementsforstructuralconcreteandcommentary［S］．ACICommittee，2005 有關，統計學原理證明，統計變異性隨樣本數量增加

而下降。而且，拉、壓強度的變異系數變化規律有所試驗結果表明隨尺寸增加，劈裂強度的變異性不同，下降。

（3）粉煤灰對統計特征的影響不明顯，鑒于篇幅粉煤灰對統計變異性的影響將另文討論。限制，（4）正態概率分布可以較好的描述混凝土強度統計特性。Weibull分布在概率密度曲線右尾端擬合不），何淅淅（1961-女，碩士，教授。主要從事高性能混凝土力學性能、混凝土節能砌塊砌體力學性能等研究。），鄭學成（1983-男，碩士研究生。主要從事結構工程研究。），林社勇（1983-男，碩士研究生。主要從事結構工程研究。