掺加粉煤灰提高混凝土质量降低工程成本

高寒松花江漫滩地区
掺加粉煤灰提高混凝土质量、降低工程成本
第二工程有限公司梁领彬
一、前言
混凝土材料是当今世界使用量最大,最为广泛的建筑材料，发明至今的200余年来已普通用于高层、超高层建筑、大跨度桥梁、水工大坝、海洋资源开发等所有土木建筑工程中。

目前，全国建筑业迅速发展，技术不断进步，混凝土生产行业随之快速发展。

近年来，工业废渣矿物质粉料直接在混凝土中应用的技术有了新的进展，尤其是粉煤灰、磨细矿渣粉、硅灰等具有良好的活性，对节约水泥、节省能源、改善混凝土性能、扩大混凝土品种等方面具有显著的技术经济效果和社会效益。

调查表明在商品混凝土中，除C80以上特高强混凝土外，几乎其它所有混凝土中都掺加粉煤灰。

粉煤灰由以前的工业垃圾迅速变成供不应求的商品。

虽然在建筑业中粉煤灰已经得到了广泛应用，但我毕业至今参与的秦沈线、唐山西外环、奎山隧道、洛湛铁路等工程施工过程中均没有使用粉煤灰。

本工程桥梁钻孔桩和承台属于地下大体积混凝土，并有抗渗性要求，为了满足施工要要，决定在混凝土砼施工中掺加粉煤灰以改善混凝土性能、降低工程成本。

现主体工程已结束，下面结合本工程的实际经验，浅谈一掺加粉煤灰提高混凝土质量和降低工程成本。

二、主要工程数量
本标段（六标）为王万线松花江特大桥北侧部分引桥工程，起止里程为DK17+964.15-DK20+090.61，主要工程内容：引桥全长2126.46延长米：下部建筑38258.4圬工方,其中基础圬工26914.9立方米（明挖基础圬工7432.9立方米；钻孔灌注桩圬工19482立方米；桩径为φ 1.00米，钻孔桩合计20500米），墩台圬工11343.5立方米；桥面系4697.85延长米（含七标桥面系2571.39延长米）。

三、粉煤灰简介
粉煤灰是热电厂烧煤粉的锅炉烟气中收集到的粒状灰粉，也叫飞灰。

未经磨细的称原状灰，磨细到一定程度称为磨细粉煤灰。

粉煤灰是一种火山灰质混合材料，其颗粒多数呈球形，表面光滑，色灰。

粉煤灰的密度为（1.95－2.40）ｋｇ/ｍ3，干灰堆积密度为（550－800）ｋｇ/ｍ3，它是一种铝硅质材料，其成分与高铝粘土相接近，主要以玻璃体存在。

主要成份为氧化铝，氧化硅、氧化
钙和氧化铁，粉煤灰中含有大量的球状玻璃体和海绵体；本身并不具有胶凝能力，只有在水热条件下或碱性环境中才表现出胶凝性。

在碱性环境中，碱能激发粉煤灰的活性使之具有胶凝能力。

混凝土中的水泥水化后产生大量的氢氧化钙，它是一种很有效的激发剂，能与粉煤灰中的活性组份反应生成水化铝硅酸盐，从而具有胶凝能力。

依据细度、烧失量和需水量比将粉煤灰分为三级，即I级灰、II级灰和III级灰，具体指标见下表。

目前粉煤灰的利用主要有如下几个方面：
1)水泥原料：生产粉煤灰水泥、混合水泥等；
2)混凝土原料：生产粉煤灰混凝土，砂浆和灌浆材料；
3)粉煤灰砖：替代烧粘土砖；
4)骨料和填充材料：生产粉煤灰陶粒和烧结料等。

由上述可见，利用粉煤灰可产生巨大的社会效益：解决了热电厂的粉煤灰垃圾问题，节省了天然资源如粘土和砂石料等，节省了水泥生产中的能源，减少了污染气体CO2的排放等。

四、粉煤灰混凝土的性能理论分析
1、新拌粉煤灰混凝土的性能
粉煤灰中含有大量的球形玻璃体和海绵体，它们在新拌混凝土中像“微轴承”一样起到很好的润滑和减水作用，粉煤灰的加入又增加了胶凝材料的总体积，使混凝土的保水性也有所提高，同时减少了水泥用量起到一定的相对缓凝作用。

因此，在新拌混凝土中，粉煤灰可大幅度提高混凝土的工作性，粉煤灰取代部分水泥后，混凝土的单位用水量可以减少，而达到相同的流动性。

单位用水量的减少程度取决于粉煤灰的粒形和细度、水泥的置换率、混凝土的配合比，集料的粒度等。

具体性能为：增加流动性（坍落度和坍落扩展度），提高填充性；增加保水性，改善泌水离析性
能；改善抹面性能；减小坍落度经时损失。

2、硬化中的粉煤灰混凝土的性能
在混凝土的硬化过程中，粉煤灰所起的作用主要是降低温升，减少开裂。

在纯水泥混凝土中，混凝土内部最高温度可达75℃以上，而外部温度则较低，这样混凝土由内向外产生了温度递度，进而产生拉应力，若混凝土抗拉强度还不足以抵抗温度应力，混凝土就会开裂。

加入粉煤灰后，混凝土中水泥用量降低，而粉煤灰的水化主要在7天以后，所以混凝土的早期温度会有明显降低，一般可降低15-35%，这样混凝土由于温升导致开裂的概率就会大大降低。

这种性能对于大体积混凝土尤其有价值。

3、硬化粉煤灰混凝土的性能
硬化混凝土的性能主要是力学性能和耐久性两方面。

力学性能包括强度、徐变和收缩；耐久性包括抗渗性、抗冻性、抗碳化性能、抗钢筋锈蚀性能、耐腐蚀性、碱-骨料反应性、耐磨性等等。

3.1 力学性能
3.1.1 强度
掺用粉煤灰并置换部分水泥的混凝土，其早龄期的强度有些降低，而长期强度则有相当的增长，一般90-180天以后与不掺粉煤灰混凝土的相当。

目前混凝土中掺加粉煤灰都不采用这种方法，而是采用超量取代法。

超量取代时，按等强度设计的粉煤灰混凝土28天强度不降低，60-90天强度比不掺的增加20-30%，180-360天增加50-70%。

粉煤灰混凝土的抗弯、抗剪和抗拉强度无明显变化。

由于粉煤灰混凝土的后期强度增幅较大，按28天强度设计粉煤灰混凝土实际上造成了较大浪费，所以在JGJ28-86《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》中规定，地上粉煤灰混凝土按28天强度设计和验收，而地下粉煤灰混凝土按60天强度设计和验收。

需注意的是粉煤灰的质量和置换率，水泥的质量、混凝土的水灰比、养护条件、龄期等都对长龄期的强度有影响。

3.1.2 徐变
研究表明，掺加25-35%的粉煤灰，混凝土的徐变可减少20-40%，同时也有利于减少开裂。

这对于预应力混凝土特别有用。

3.1.3 收缩及弹性模量
一般认为，正确使用优质粉煤灰不会增加混凝土的干缩。

而可以使混凝土的干缩减少5%左右，使混凝土的弹性模量大约提高5－10%。

3.2 耐久性
正确地向混凝土中加入优质粉煤灰后，混凝土的用水量减少，同时提高保水性减少泌水离析，因而减少了硬化混凝土的孔隙和毛细孔；粉煤灰细颗粒还会阻断一些毛细孔和孔隙，进一步增加了混凝土的密实性，减少了外部介质进入混凝土的通道；粉煤灰消耗了水泥水化产物氢氧化钙，降低了混凝土中氢氧化钙的含量，因而也降低了混凝土的碱度；粉煤灰降低了温升，推迟了温峰出现的时间，减少了混凝土的裂缝。

3.2.1抗渗性
掺粉煤灰的混凝土其抗渗性比不使用粉煤灰的混凝土相比，早龄期的抗渗性较低，而长龄期的抗渗性却得到特别的改善。

3.2.2抗冻性和抗碳化性
与强度相等及含气量相同的混凝土相比，掺粉煤灰的混凝土的抗冻融能力基本相同。

但含碳量较高的粉煤灰对抗冻融能力和抗碳化的能力均有很大影响。

3.3.3水化热
粉煤灰置换部分水泥的混凝土，在硬化过程中产生水化热的速度将得到缓和，因此，有利于配制大体积混凝土。

混凝土耐久性中，除耐磨性外其它每一种性能的降低都需要外部介质（如水、CO2、CI-、SO42-离子等）的侵入，粉煤灰的加入减少了外部介质侵入的通道、增加了混凝土的密实度、降低了碱度、提高了混凝土的均匀性，所有这些作用从总体上大幅度提升了混凝土的耐久性。

至此，可以清楚看到粉煤灰混凝土的技术效益。

五、经济效益
假定 C20普能混凝土配合比为：345:190:821:1044 外加剂1.2%=4.14kg/m3 C20粉煤灰混凝土配合比为：283:190:790:1044:81 外加剂1.2%=4.37 kg/m3若水泥、粉煤灰和外加剂的价格分别为370、120和5080元/吨，不考虑水、砂子和石子的成本
变化，只计算水泥、粉煤灰和外加剂的成本变化，则：
C20普通混凝土：345×0.37＋4.14×5.08= 148.68元/m3
C20粉煤灰混凝土：283×0.37＋81×0.12＋4.37×5.08=136.63元/m3
差价：148.68-136.63=12.05元/m3
由此可见掺加粉煤灰可以降低工程成本。

以本标段桩基和承台使用20000方混凝土计算，降低成本额应为12.05×20000=24.1万元。

六、粉煤灰普通混凝土配合比设计（以桩基为例）
(一)、设计原则
粉煤灰普通混凝土的配合比设计以基准混凝土配合比为基础，按等稠度、等强度等级为原则，用超量取代法进行调整。

超量取代法，粉煤灰占配合比设计的一种方法，即为达到粉煤灰混凝土与基准混凝土等强度的目的，粉煤灰的掺入量超过其取代的水泥量，其掺入量等于取代水泥质量乘以粉煤灰超量系数。

粉煤灰取代水泥百分率的选取和粉煤灰的超量系数值，可分别参见表1-1和表1-2。

粉煤灰取代水泥百分率（βｃ）的最大限量表表1-1
注：１、以425号水泥配制混凝土时取表中的下限值；以525号水泥配制的混凝土取上限值。

２、Ｃ20以上的混凝土宜用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰，Ｃ15以下的素混凝土可采用Ⅲ级粉煤灰。

粉煤灰超量系数（δｃ）表表1-2
(二)、设计步骤
１、确定试配强度：根据混凝土设计强度ｆｃｕ，0计算试配强度，即ｆｃｕ，0＝ｆｃｕ，ｋ＋1.645δ０２、按前述表1-1选择粉煤灰取代水泥百分率βｃ值；
３、按所选的粉煤灰取代水泥率βｃ，计算每立方米粉煤灰普通混凝土的水泥用量Ｃ：
Ｃ＝Ｃ０·（1-βｃ）
式中Ｃ０－基准混凝土的水泥用量。

４、按表2-2选取粉煤灰超量系数δｃ；
５、按超量系数δｃ，计算每立方米混凝土的粉煤灰掺量Ｆ：
Ｆ＝δｃ·（Ｃ0－Ｃ）
６、计算每立方米粉煤灰普通混凝土中水泥、粉煤灰和细集料的绝对体积，求出粉煤灰超出水泥的体积。

７、按粉煤灰超出的体积，扣除同体积的细集料用量；
８、粉煤灰混凝土的用水量，按基准配合比的用水量选取；
９、根据计算的粉煤灰混凝土配合比，通过试配，在保证设计所需和易性的基础上，进行配合比的调整。

１０、根据调整后的配合比，提出现场施工用的粉煤灰混凝土配合比。

(三)、配合比设计：
１、设计条件
用32.5号普通硅酸盐水泥、最大粒径为31.5ｍｍ的碎石、河砂（中砂，细度模数为2.8左右）、配制强度等级为Ｃ23（水下灌注混凝土新规范要求配制强度应大于设计强度的115%，故配制强度为
C20×115%＝C23）、坍落180ｍｍ－220ｍｍ的粉煤灰混凝土。

已知水泥密度ρｃ＝3.1ｇ/ｃｍ３，粉煤灰的密度ρF＝2.2ｇ/ｃｍ３，砂子的密度ρｓ＝2.62ｇ/ｃｍ３，碎石的密度ρＧ＝2.67ｇ/ｃｍ３。

２、设计计算步骤
（１）、确定试配强度：由Ｃ23，按下表选取δ０＝4.0ＭＰａ，
δ０取值表表1-3
故
ｆｃｕ，0 ＝ｆｃｕ，ｋ＋1.645×4.0ＭＰａ式1-1
＝23ＭＰａ＋1.645×4.0ＭＰａ
＝29.6ＭＰａ
（２）计算基准混凝土（不掺粉煤灰的普通混凝土）的材料用量：
①计算水灰比Ｗ/Ｃ：
Ｗ/Ｃ＝ααｆｃｅ/（ｆｃｕ，0＋αα·αb·ｆce）式1-2
其中：ｆｃｕ，0－混凝土试配强度，为29.58ＭＰａ。

αα、αb－回归系数：按下表采用
回归系数选取表1-4
ｆce－水泥28d抗压强度实测值（ＭＰａ），由实验得3d强度推定28d强度为37ＭＰａ。

将上述值代入式得
Ｗ/Ｃ=(0.46×37ＭＰａ)/( 29.6ＭＰａ+0.46×0.07×37ＭＰａ)=0.54 kg
②计算单位用水量
W=10/3×(0.1T＋K) 式1-3
其中：W—每m3混凝土用水量(kg)
T—坍落度(mm)
K—常数
K值取决于石子最大粒径和品种，一般K值随石子粒径的增大而减小，10-80mm粒径的K 值为57.5-41.0之间，K值的取定参选下表：
K值与最大石子粒径表1-5
经内插计算得49.5
代入上式得：
W=10/3(0.1T+K) =10/3(0.1×200+49.5)=232ｋｇ
所用高效减水剂的减水率为15%~25%，取其中间值20%，计算得实际用水量为：
W0=W·(1-20%) =185ｋｇ
③水泥用量
Ｃ０＝Ｗ０/（Ｗ/Ｃ）＝185ｋｇ/0.55＝336ｋｇ
④因坍落度大于60mm，经试验确定选用砂率为：
Ｓｐ＝42%
⑥减水剂根据厂家给的最佳掺加用量1.2%，计算得4.03ｋｇ
⑤计算砂石用量，采用重量法计算，假定混凝土密度为2400 Kｇ/ m3用下述两个关系式计算：
mＣ0＋mＧ０＋mＳ０＋mＷ０+m外＝m cp式1-3
mＳ０/（mＧ０＋mＳ０）×100％＝Ｓｐ式1-4
将相应数值代入公式得：
336ｋｇ＋mＧ０＋mＳ０＋185ｋｇ＝2400 Kｇ/ m3
mＳ０/（mＧ０＋mＳ０）×100％＝42%
二式联立求解得：
石子用量：mＧ０＝1090ｋｇ
砂子用量：mＳ０＝789ｋｇ
⑦每立方米基准混凝土材料用量为： mＣ0＝336ｋｇ
mＷ０＝185ｋｇ
mＧ０＝1090ｋｇ
mＳ０＝789ｋｇ
外加剂=4.03ｋｇ
（3）以基准混凝土配合比为基础，用超量取代法计算粉煤灰普通混凝土配合比
①按表1-1选取粉煤灰取代水泥率
βｃ＝18%
②计算粉煤灰普通混凝土水泥用量
C＝C0·（1－βｃ）＝336ｋｇ×（1－0.18）＝275ｋｇ
③按表1-2选取粉煤灰超量系数（用Ⅰ级粉煤灰）
δｃ＝1.3
④计算每立方米粉煤灰混凝土的粉煤灰掺量F：
F＝δｃ·（C0－C）＝1.3×（336ｋｇ－275ｋｇ）＝79ｋｇ
⑤按体积法计算砂子用量：
S＝S0－（C/ρｃ＋F/ρｆ－C0/ρｃ）·ρｓ
＝789ｋｇ－｛275ｋｇ/（3100 Kｇ/m3）＋79ｋｇ/（2200 Kｇ/m3）－336ｋｇ/（3100 Kｇ/m3）｝＝760ｋｇ
⑥石子用量，取G0值，即：
G＝G0＝1090ｋｇ
⑦水用量取W0
W＝W0＝185ｋｇ
⑧计算得到了每立方米粉煤灰普通混凝土材料用量
Ｃ＝275ｋｇ
Ｗ＝185ｋｇ
Ｇ＝1090ｋｇ
Ｓ＝760ｋｇ
F＝79ｋｇ
外加剂=4.24ｋｇ
若以水泥重量为1，则混凝土设计配合比为：
水泥：砂：石：水：粉煤灰 =1：2.76：3.96：0.55：0.29 （4）试配与调整：按上述材料用量得到的粉煤灰混凝土的容重实测值为2410ｋｇ/ｍ3，计算容重为2400ｋｇ/ｍ3，因混凝土表观密度测值与计算之差的绝对值不超过计算值的2%时，故上述
确定的配合比应为确定的设计配合比。

七、施工配合比的确定
根据施工现场每日测定的砂、石含水率，把混凝土设计配合比换算调整为施工配合比。

八、粉煤灰混凝土的施工
1、粉煤灰掺入混凝土中的方式，可采用干掺或湿掺。

干掺时，干粉煤灰单独计量，与水泥、砂、石、水等材料按规定次序加入搅拌机进行搅拌。

湿掺时，先将粉煤灰配制成粉煤灰与水及外加剂悬浮浆液，与砂、石等材料按规定次序加入搅拌机进行搅拌。

2、本工程中采用干掺法。

①、使用干态或湿态粉煤灰应以重量计量，称量误差不得超过±2%。

粉煤灰中的含水量，应在拌合水中扣除。

②、粉煤灰混凝土拌合物必须搅拌均匀，其搅拌时间应比基准混凝土延长10-30ｓ。

③、粉煤灰混凝土浇筑时，不得漏振或过振。

振捣后的粉煤灰混凝土表面，不得出现明显的粉煤灰浮浆层。

④、粉煤灰混凝土振捣完毕后，应加强养护，混凝土表面宜加遮盖，并保持湿润。

暴露面的潮湿养护时间，不得少于14ｄ；干燥或炎热气候条件下的潮湿养护时间，不得小于21ｄ。

⑤、粉煤灰混凝土在低温条件下施工时应加强表面保温，粉煤灰混凝土表面的最低温度不得低于5℃。

寒潮冲击情况下，日降温幅度大于8℃时，应加强粉煤灰混凝土表面的保护，防止产生裂缝。

九、粉煤灰混凝土的检验标准
1、粉煤灰混凝土的质量，应以坍落度或工作度、抗压强度进行检验。

2、现场施工粉煤灰混凝土的坍落度或工作的检验，每班至少应测定两次，其测定值允许偏差应为±2ｃｍ。

3、粉煤灰混凝土抗压强度的检验，应符合下列规定：
①、非大体积粉煤灰混凝土每拌制100ｍ3，至少成型一组试块；大体积粉煤灰混凝土每拌制500ｍ3 ，至少成型一组试块；不足上述粉煤灰混凝土规定数量时，每班至少成型一组试块。

②、边长15ｃｍ的立方体试块，在标准养护条件下所得的抗压强度极限值作为标准。

③、每组3个试块试验结果的平均值，作为该组试块强度代表值。

当3个试块的最或最小强度值与中间值相比超过15%时，以中间代表该组试块的强度值。

十、效果检查
1、在保证混凝土强度的前提下，混凝土质量明显提高。

28天混凝土试块的抗压强度
注：上表所列部位，是采用随机抽样的方法获得。

由上表可知，在混凝土中掺加粉煤灰，由于采用超量取代，混凝土28天抗压强度均能达到设计要求。

所以在本项目施工中，混凝土掺加粉煤灰没有影响混凝土的抗压强度。

新拌混凝土的工作性得到了改善，且混凝土坍落度经时损失减少。

混凝土硬化过程中，水化热明显降低，温度应力减小，混凝土由于温升导致开裂的概率大大降低，混凝土表面温差裂缝明显减少。

硬化混凝土空隙率降低，密实度增加，氢氧化钙由于粉煤灰的水化而被消耗，因而硬化混凝土相对于未掺粉煤灰的混凝土而言，耐久性提高，抗硫酸盐和软水侵蚀的能力增强；并且达到了P6等级以上的抗渗要求。

2、混凝土生产成本降低情况检查
桩基、承台混凝土成本降低情况
实际成本降低额与预计成本降低额对比图
通过在本工程中，我们运用质量管理的科学方法，达到了预定目标，地下大体积混凝土的力学性能和耐久性能均得到了改善；并且工程成本的降低达到了预期目标。

地面以上混凝土施工掺加粉煤灰以后，在提高混凝土质量的同时，能否保证混凝土的外观质量。

我们在以后的工程中将继续推广此方法，并对混凝土进行更深一步的研究以便最大限度的在提高质量的同时降低工程成本。

目标 实际 成 本 降 低 额。