水胶比和粉煤灰掺量对粉煤灰活性因子的影响_韩建国
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1 试验所用原材料品质和混凝土配合比
试验所用胶凝材料包括北京水泥厂生产的金隅牌 P·O 42.5 级水泥和内蒙古元宝山电厂粉煤灰，其化学组成如表 1 所示。集 料采用 5~20 mm 连续级配的石灰石质碎石和二区中砂。减水剂 采用聚羧酸系液态减水剂，试验所用混凝土配合比如表 2 所示。
混凝土的成型采用行星式强制对流搅拌机，搅拌过程中首 先依次加入计量好的粗集料、细集料、水泥和粉煤灰，开动搅拌 机拌和 1 min，使得干料充分混合，之后将溶有减水剂的水溶液 加入，再拌和 3 min 后出料。混凝土试件在振动成型后以薄膜覆
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编号 C0.48
粉煤灰掺量 /% 0 10 20
水泥 （/ kg/m3）
粉煤灰 （/ kg/m3）
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砂 （/ kg/m3） 776 776 776
石灰石 （/ kg/m3） 1 116 1 116 1 116
In flu e n ce o f w a te r to b in d e r ra tio a n d co n te n t o n fly a s h a ctivity fa cto r
HAN Jian-guo，XU Jia，YAN Pei-yu （Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）
在进行混凝土配合比设计时，一定品质的粉煤灰在混凝土 中活性的表现还取决于混凝土的水胶比、粉煤灰掺量和养护龄 期，但以往对这些因素的影响研究较少。本文通过变动混凝土 的水胶比、粉煤灰掺量和养护龄期，采用强度试验法来研究粉 煤灰的活性随水胶比、掺量和养护龄期的变化规律，从而为掺 入粉煤灰的混凝土的强度发展历程预测和混凝土的配合比设 计提供参考。
韩建国，徐 嘉，阎培渝 （清华大学 土木工程系，北京 100084）
摘 要： 考察了混凝土配合比中水胶比和粉煤灰掺量的变化，以及养护龄期的增长对粉煤灰活性因子的影响。研究结果表明：随着水胶
比和粉煤灰掺量的增加，粉煤灰的活性因子减小；随着养护龄期的延长，粉煤灰的活性因子增大。同时，采用多元非线性回归方法，得出了
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2 试验结果与分析
2.1 水胶比、粉煤灰掺量和龄期对混凝土抗压强度的 影响
不同水胶比混凝土的抗压强度发展历程如图 1 所示，其中 每个数据点均为 3 个试样抗压强度的平均值。图示的第一个数 字代表混凝土的水胶比，如 C0.48-7 中的数字 0.48 表示混凝土 的水胶比为 0.48；图示的第二个数字代表混凝土试样的测试龄
只是起到 Ca（OH）2 晶体和 C-S-H 凝胶成核中心的作用[15]。随着 龄期的增长，粉煤灰玻璃体中的 -Si-O- 和 -Al-O- 键受孔溶液中 OH-的作用而解聚，并与 Ca（OH）2 晶体反应生成水化硅酸钙 C-S-H 和水化铝酸钙 C-A-H，这些水化产物的生成改善了混凝土中集 料和浆体间界面过渡区的品质，减小了体系中 Ca（OH）2 晶体的 含量并优化了水化产物的孔结构。这些所用使得混凝土的强度 随着养护龄期的延长而增大。
Ab s tra ct: The influence of water to binder ratio，fly ash content，and curing time on fly ash activity factor are studied.Experiment results show that，along with the increase of water to binder ratio and fly ash content，the activity factor of fly ash is decreased，and along with the increase of curing time，the activity factor of fly ash is enhanced.By applying multivariate non-linear regression method，the influence tendency of water to binder ratio，fly ash content，and curing time on fly ash activity factor is gained.Along with the increase of water to binder ratio and fly ash content，the activity factor of fly ash descends linearly，and along with the increase of curing time，the activity factor increases quadraticly. Ke y w o rd s : fly ash；activity factor；water to binder ratio；content；multivariate non-linear regression
%
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O Loss
水泥 21.13 4.83 2.57 62.65 3.38 2.68 0.21 0.58 1.89
粉煤灰 51.51 35.34 3.79 3.38 0.68 0.62 0.20 0.86 2.36
表 2 不同品质混凝土的配合比
粉煤灰活性的测定可采用石灰吸收法、化学分析法和强度 试验法等，其中强度试验法具有较高的准确性[4]。
以往对粉煤灰活性的研究多着重于粉煤灰的细度、矿物组 成、化学组成和水泥化学组成对其活性的影响，研究结果表明：
收稿日期：2008-12-19 基金项目：国家自然科学基金（50878118）
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在粉煤灰的粒度分布中，直径小于 30 μm 的颗粒对胶凝材料体 系早期的强度贡献较大[5]；粉煤灰中玻璃相的含量越高，玻璃相 的聚合程度越小，粉煤灰的活性越高[6-7]；水泥中碱金属氧化物 和 C3S 矿物的含量越大，胶凝材料体系中的粉煤灰表现出的化 学活性越大[8-9]。
图 1 不同水胶比混凝土的强度发展历程
在每一特定的龄期和粉煤灰掺量下，随着水胶比的降低，混 要是发挥其物理活性，即形貌效应和微集料效应，其化学活性
凝土的抗压强度提高。首先，由 Abrams 定律可知，随着水胶比 的降低，水化浆体的孔隙率减小，混凝土的抗压强度提高；其次 随着水胶比的降低，孔溶液的碱度增大，对其中粉煤灰的激发 作用增强[12]；同时，随着水胶比的降低，混凝土配合比中水泥的 绝对含量增加，因而增加了水化产物中 Ca（OH）2 晶体的含量， 而 Ca（OH）2 晶体含量的增加，一方面可提高粉煤灰中玻璃体的 解聚程度[13]，另一方面可提供低钙硅比水化产物的成核中心，提 高水化早期的反应速率[14]。因此，上述作用使得混凝土试样的抗 压强度随水胶比的降低而提高。
0 引言
粉煤灰作为一种矿物掺合料，在混凝土中的应用已经有很 长的历史。利用粉煤灰的形貌效应、微集料效应和火山灰效应， 可提高混凝土的新拌工作性、降低胶凝材料体系的放热峰值和 总放热量、优化水化产物的孔结构、提高混凝土结构的体积稳 定性、后期强度和抗渗透性[1-2]，同时，也可降低混凝土的成本[3]。 具体来讲，粉煤灰可利用其形貌效应来减小混凝土的用水量或 提高混凝土的新拌工作性，从而达到提高混凝土强度和密实度 的目地。利用粉煤灰的微集料效应，可优化混凝土中集料的级配， 从而有利于提高混凝土的强度和抗渗透性。利用其中处于介稳 态的玻璃体与水泥的水化产物 Ca（OH）2 发生反应而生成水化硅 酸钙 C-S-H 和水化铝酸钙 C-A-H 的火山灰效应，可增强混凝土 中过渡区的品质并优化水化产物的孔结构。同时，相对于水泥 而言，粉煤灰具有较低的水化活性，掺入粉煤灰也可降低混凝 土早期放热峰的峰值和总放热量，从而降低混凝土结构中的温 度应力和开裂风险。上述粉煤灰的形貌效应、微集料效应和火山 灰效应合称为粉煤灰的活性。
2.2 混凝土中粉煤灰活性因子的计算方法和计算结果
本文采用活性因子来表征粉煤灰在混凝土中的活性，其计
对于每一特定的水胶比和粉煤灰掺量，随着养护龄期的延 算方法是：首先针对特定水胶比和龄期的混凝土，计算出掺入
长，混凝土的抗压强度增加。这是因为粉煤灰在水化的早期主 粉煤灰的混凝土相对于不掺粉煤灰的空白混凝土的抗压强度
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百分数 Comr（，i，j，z），其中：r 代表相对值；i 代表水胶比，j 代表粉煤
灰的掺量，z 代表龄期。然后依据式（1），计算出粉煤灰在某一水
胶比、掺量和龄期时的活性因子 k 。 f（，i，j，z）
Comr（，i，j，z）=
m +k m c（，i，z） f（，i，j，z） f（，i，z） 100
（1）
式中：mc（，i，z）— ——某一水胶比和粉煤灰掺量下，胶凝材料体系中
水泥的质量百分数；
mf（，i，z）— ——某一水胶比和粉煤灰掺量下，胶凝材料体系中
粉煤灰的质量百分数； kf（，i，j，z）—— —某一水胶比、粉煤灰掺量和龄期下，粉煤灰的
活性因子。 依据上述计算方法，得出不同水胶比的混凝土在不同的粉煤 灰掺量和龄期时，其中粉煤灰活性因子的变化规律，如图 2 所示。 可见，在某一特定的水胶比下，随着粉煤灰掺量的增加，其活性因 子降低，随着养护龄期的增长，其活性因子增大；在某一特定的粉 煤灰掺量和龄期下，随着水胶比的降低，粉煤灰的活性因子增大。
期，如 C0.48-7 中的数字 7 代表测试的龄期为 7 d。 由图 1 可见，随着龄期的发展，不同水胶比的混凝土均
表现出良好的强度发展历程。就每一特定的水胶比而言，随 着 粉 煤 灰 掺 量 的 增 加 ，其 抗 压 强 度 降 低 ，这 是 由 于 粉 煤 灰 的 稀 释 效 应 所 致 ，即 随 着 粉 煤 灰 掺 量 的 增 加 ，胶 凝 材 料 体 系 中 水泥的含量相对减小；同时，也由于随着粉煤灰掺量的增加， 混凝土孔溶液中的碱度下降 ，对 [10-11] 粉煤灰的激发效果降低 所致。
2009 年 第 5 期（ 总 第 235 期 ） Number 5 in 2009（Total No.235）
doi：10.3969/j.issn.1002-3550.2009.05.003
混
凝
土
Concrete
理论研究 THEORETICAL RESEARCH
水胶比和粉煤灰掺量对粉煤灰活性因子的影响
粉煤灰的活性因子随水胶比、粉煤灰掺量和养护龄期的变化规律，随着水胶比和粉煤灰掺量的增加，粉煤灰的活性因子呈线性下降，随着
养护龄期的延长，粉煤灰的活性因子呈二次曲线增长。
关键词： 粉煤灰；活性因子；水胶比；掺量；多元非线性回归
中图分类号： TU528.01
文献标志码： A
文章编号： 1002-3550（2009）05-0008-03
盖在常温下进行养护，24 h 后拆模并转移至 T=20 ℃、RH>95% 的养护室中进行养护，至设定的龄期时将试样取出并进行抗压 强度的测试，加载速率为 0.65 MPa/s。用来测定抗压强度的混凝 土立方体试样边长为 100 mm，测试龄期为 7、28、56 d 和 90 d。
表 1 胶凝材料的化学组成
试验所用胶凝材料包括北京水泥厂生产的金隅牌 P·O 42.5 级水泥和内蒙古元宝山电厂粉煤灰，其化学组成如表 1 所示。集 料采用 5~20 mm 连续级配的石灰石质碎石和二区中砂。减水剂 采用聚羧酸系液态减水剂，试验所用混凝土配合比如表 2 所示。
混凝土的成型采用行星式强制对流搅拌机，搅拌过程中首 先依次加入计量好的粗集料、细集料、水泥和粉煤灰，开动搅拌 机拌和 1 min，使得干料充分混合，之后将溶有减水剂的水溶液 加入，再拌和 3 min 后出料。混凝土试件在振动成型后以薄膜覆
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水泥 （/ kg/m3）
粉煤灰 （/ kg/m3）
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砂 （/ kg/m3） 776 776 776
石灰石 （/ kg/m3） 1 116 1 116 1 116
In flu e n ce o f w a te r to b in d e r ra tio a n d co n te n t o n fly a s h a ctivity fa cto r
HAN Jian-guo，XU Jia，YAN Pei-yu （Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）
在进行混凝土配合比设计时，一定品质的粉煤灰在混凝土 中活性的表现还取决于混凝土的水胶比、粉煤灰掺量和养护龄 期，但以往对这些因素的影响研究较少。本文通过变动混凝土 的水胶比、粉煤灰掺量和养护龄期，采用强度试验法来研究粉 煤灰的活性随水胶比、掺量和养护龄期的变化规律，从而为掺 入粉煤灰的混凝土的强度发展历程预测和混凝土的配合比设 计提供参考。
韩建国，徐 嘉，阎培渝 （清华大学 土木工程系，北京 100084）
摘 要： 考察了混凝土配合比中水胶比和粉煤灰掺量的变化，以及养护龄期的增长对粉煤灰活性因子的影响。研究结果表明：随着水胶
比和粉煤灰掺量的增加，粉煤灰的活性因子减小；随着养护龄期的延长，粉煤灰的活性因子增大。同时，采用多元非线性回归方法，得出了
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2 试验结果与分析
2.1 水胶比、粉煤灰掺量和龄期对混凝土抗压强度的 影响
不同水胶比混凝土的抗压强度发展历程如图 1 所示，其中 每个数据点均为 3 个试样抗压强度的平均值。图示的第一个数 字代表混凝土的水胶比，如 C0.48-7 中的数字 0.48 表示混凝土 的水胶比为 0.48；图示的第二个数字代表混凝土试样的测试龄
只是起到 Ca（OH）2 晶体和 C-S-H 凝胶成核中心的作用[15]。随着 龄期的增长，粉煤灰玻璃体中的 -Si-O- 和 -Al-O- 键受孔溶液中 OH-的作用而解聚，并与 Ca（OH）2 晶体反应生成水化硅酸钙 C-S-H 和水化铝酸钙 C-A-H，这些水化产物的生成改善了混凝土中集 料和浆体间界面过渡区的品质，减小了体系中 Ca（OH）2 晶体的 含量并优化了水化产物的孔结构。这些所用使得混凝土的强度 随着养护龄期的延长而增大。
Ab s tra ct: The influence of water to binder ratio，fly ash content，and curing time on fly ash activity factor are studied.Experiment results show that，along with the increase of water to binder ratio and fly ash content，the activity factor of fly ash is decreased，and along with the increase of curing time，the activity factor of fly ash is enhanced.By applying multivariate non-linear regression method，the influence tendency of water to binder ratio，fly ash content，and curing time on fly ash activity factor is gained.Along with the increase of water to binder ratio and fly ash content，the activity factor of fly ash descends linearly，and along with the increase of curing time，the activity factor increases quadraticly. Ke y w o rd s : fly ash；activity factor；water to binder ratio；content；multivariate non-linear regression
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SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O Loss
水泥 21.13 4.83 2.57 62.65 3.38 2.68 0.21 0.58 1.89
粉煤灰 51.51 35.34 3.79 3.38 0.68 0.62 0.20 0.86 2.36
表 2 不同品质混凝土的配合比
粉煤灰活性的测定可采用石灰吸收法、化学分析法和强度 试验法等，其中强度试验法具有较高的准确性[4]。
以往对粉煤灰活性的研究多着重于粉煤灰的细度、矿物组 成、化学组成和水泥化学组成对其活性的影响，研究结果表明：
收稿日期：2008-12-19 基金项目：国家自然科学基金（50878118）
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在粉煤灰的粒度分布中，直径小于 30 μm 的颗粒对胶凝材料体 系早期的强度贡献较大[5]；粉煤灰中玻璃相的含量越高，玻璃相 的聚合程度越小，粉煤灰的活性越高[6-7]；水泥中碱金属氧化物 和 C3S 矿物的含量越大，胶凝材料体系中的粉煤灰表现出的化 学活性越大[8-9]。
图 1 不同水胶比混凝土的强度发展历程
在每一特定的龄期和粉煤灰掺量下，随着水胶比的降低，混 要是发挥其物理活性，即形貌效应和微集料效应，其化学活性
凝土的抗压强度提高。首先，由 Abrams 定律可知，随着水胶比 的降低，水化浆体的孔隙率减小，混凝土的抗压强度提高；其次 随着水胶比的降低，孔溶液的碱度增大，对其中粉煤灰的激发 作用增强[12]；同时，随着水胶比的降低，混凝土配合比中水泥的 绝对含量增加，因而增加了水化产物中 Ca（OH）2 晶体的含量， 而 Ca（OH）2 晶体含量的增加，一方面可提高粉煤灰中玻璃体的 解聚程度[13]，另一方面可提供低钙硅比水化产物的成核中心，提 高水化早期的反应速率[14]。因此，上述作用使得混凝土试样的抗 压强度随水胶比的降低而提高。
0 引言
粉煤灰作为一种矿物掺合料，在混凝土中的应用已经有很 长的历史。利用粉煤灰的形貌效应、微集料效应和火山灰效应， 可提高混凝土的新拌工作性、降低胶凝材料体系的放热峰值和 总放热量、优化水化产物的孔结构、提高混凝土结构的体积稳 定性、后期强度和抗渗透性[1-2]，同时，也可降低混凝土的成本[3]。 具体来讲，粉煤灰可利用其形貌效应来减小混凝土的用水量或 提高混凝土的新拌工作性，从而达到提高混凝土强度和密实度 的目地。利用粉煤灰的微集料效应，可优化混凝土中集料的级配， 从而有利于提高混凝土的强度和抗渗透性。利用其中处于介稳 态的玻璃体与水泥的水化产物 Ca（OH）2 发生反应而生成水化硅 酸钙 C-S-H 和水化铝酸钙 C-A-H 的火山灰效应，可增强混凝土 中过渡区的品质并优化水化产物的孔结构。同时，相对于水泥 而言，粉煤灰具有较低的水化活性，掺入粉煤灰也可降低混凝 土早期放热峰的峰值和总放热量，从而降低混凝土结构中的温 度应力和开裂风险。上述粉煤灰的形貌效应、微集料效应和火山 灰效应合称为粉煤灰的活性。
2.2 混凝土中粉煤灰活性因子的计算方法和计算结果
本文采用活性因子来表征粉煤灰在混凝土中的活性，其计
对于每一特定的水胶比和粉煤灰掺量，随着养护龄期的延 算方法是：首先针对特定水胶比和龄期的混凝土，计算出掺入
长，混凝土的抗压强度增加。这是因为粉煤灰在水化的早期主 粉煤灰的混凝土相对于不掺粉煤灰的空白混凝土的抗压强度
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百分数 Comr（，i，j，z），其中：r 代表相对值；i 代表水胶比，j 代表粉煤
灰的掺量，z 代表龄期。然后依据式（1），计算出粉煤灰在某一水
胶比、掺量和龄期时的活性因子 k 。 f（，i，j，z）
Comr（，i，j，z）=
m +k m c（，i，z） f（，i，j，z） f（，i，z） 100
（1）
式中：mc（，i，z）— ——某一水胶比和粉煤灰掺量下，胶凝材料体系中
水泥的质量百分数；
mf（，i，z）— ——某一水胶比和粉煤灰掺量下，胶凝材料体系中
粉煤灰的质量百分数； kf（，i，j，z）—— —某一水胶比、粉煤灰掺量和龄期下，粉煤灰的
活性因子。 依据上述计算方法，得出不同水胶比的混凝土在不同的粉煤 灰掺量和龄期时，其中粉煤灰活性因子的变化规律，如图 2 所示。 可见，在某一特定的水胶比下，随着粉煤灰掺量的增加，其活性因 子降低，随着养护龄期的增长，其活性因子增大；在某一特定的粉 煤灰掺量和龄期下，随着水胶比的降低，粉煤灰的活性因子增大。
期，如 C0.48-7 中的数字 7 代表测试的龄期为 7 d。 由图 1 可见，随着龄期的发展，不同水胶比的混凝土均
表现出良好的强度发展历程。就每一特定的水胶比而言，随 着 粉 煤 灰 掺 量 的 增 加 ，其 抗 压 强 度 降 低 ，这 是 由 于 粉 煤 灰 的 稀 释 效 应 所 致 ，即 随 着 粉 煤 灰 掺 量 的 增 加 ，胶 凝 材 料 体 系 中 水泥的含量相对减小；同时，也由于随着粉煤灰掺量的增加， 混凝土孔溶液中的碱度下降 ，对 [10-11] 粉煤灰的激发效果降低 所致。
2009 年 第 5 期（ 总 第 235 期 ） Number 5 in 2009（Total No.235）
doi：10.3969/j.issn.1002-3550.2009.05.003
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理论研究 THEORETICAL RESEARCH
水胶比和粉煤灰掺量对粉煤灰活性因子的影响
粉煤灰的活性因子随水胶比、粉煤灰掺量和养护龄期的变化规律，随着水胶比和粉煤灰掺量的增加，粉煤灰的活性因子呈线性下降，随着
养护龄期的延长，粉煤灰的活性因子呈二次曲线增长。
关键词： 粉煤灰；活性因子；水胶比；掺量；多元非线性回归
中图分类号： TU528.01
文献标志码： A
文章编号： 1002-3550（2009）05-0008-03
盖在常温下进行养护，24 h 后拆模并转移至 T=20 ℃、RH>95% 的养护室中进行养护，至设定的龄期时将试样取出并进行抗压 强度的测试，加载速率为 0.65 MPa/s。用来测定抗压强度的混凝 土立方体试样边长为 100 mm，测试龄期为 7、28、56 d 和 90 d。
表 1 胶凝材料的化学组成