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Hans Journal of Civil Engineering
Vol. 08  No. 06 ( 2019 ), Article ID: 31612 , 9402 pages
10.12677/HJCE.2019.86121

Study on the Effect of Large Amount of Fly Ash on Frost Resistance of Concrete

Yuchuan Feng, Dezhi Wang, Jiacheng Li

School of Civil and Water Conservancy Engineering, Ningxia University, Yinchuan Ningxia

Received: Jul. 15th, 2019; accepted: Aug. 1st, 2019; published: Aug. 8th, 2019

ABSTRACT

Ningxia is rich in coal resources. With the completion and commissioning of Ningdong coal base, the emission of fly ash has reached 50.8%. The use of fly ash can not only restrain the increment of fly ash, but also solve the stacking problem of fly ash. In this experiment, the concrete with water-binder ratio of 0.6 is designed, and the effect of fly ash on the strength and frost resistance of concrete is studied by replacing cement with different content of fly ash. The results show that when the content of fly ash is 45%, the compressive strength of concrete reaches the maximum; the frost resistance is the best, and the carbonation resistance is the best.

Keywords:Fly Ash, Concrete, Compressive Strength, Frost Resistance, Carbonation Resistance

大掺量粉煤灰对混凝土的抗冻性能影响研究

冯玉钏，王德志，李嘉诚

宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川

收稿日期：2019年7月15日；录用日期：2019年8月1日；发布日期：2019年8月8日

摘 要

宁夏地区具有丰富的煤炭资源，随着宁东煤炭基地的建成及投产，粉煤灰的排放量已经达到50.8%，利用粉煤灰不仅可以抑制粉煤灰的增量，还能解决粉煤灰的堆放问题。本次试验设计水胶比为0.6的混凝土，利用不同掺量的粉煤灰取代水泥，研究粉煤灰对混凝土的强度影响及抗冻性能，研究结果表明当粉煤灰的掺量在45%时，混凝土的抗压强度达到最大、抗冻性能最佳、抗碳化性能最优。

关键词 :粉煤灰，混凝土，抗压强度，抗冻性能，抗碳化性能

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

粉煤灰是煤粉燃烧后的残余物，主要来源于火力发电厂 [1]。其主要成分有铝硅玻璃体、石英及莫来石。按照氧化钙的含量可将粉煤灰分为高钙灰和低钙灰(氧化钙含量为10%)。宁夏地区具有丰富粉煤炭资源，尤其是宁东地区的煤炭基地建成及投入使用后，粉煤灰的排放量已达50.8%，预计到2020年，粉煤灰的产量达2170万吨 [2]。研究大掺量粉煤灰对混凝土各方面性能，有助于粉煤灰在实际工程中的推广应用，对于降低施工成本，改善混凝土结构的工作性能有重要意义 [3]。在混凝土中掺入适量的粉煤灰可以改善混凝土的和易性、粘聚性及保水性能 [4]。粉煤灰具有一定的减水作用，可以改善混凝土成型后收缩效应。粉煤灰密度低于水泥密度，在强度等级相同的混凝土中加入适量粉煤灰可以节约10%~15%的水泥 [5]。史静 [6] 的研究结果表明激发剂对大掺量粉煤灰混凝土的强度提高有一定影响。陈源伟 [7] 研究结果表明：低水胶比、高掺量减水剂可提高大掺量粉煤灰混凝土早期强度。王群 [8] 研究结果发现：粉煤灰的细度影响粉煤灰在混凝土中的掺量，粉煤灰细度越细，最优掺量越大。李国荣 [9] 研究发现：粉煤灰的最优掺量可随养护时间的增加而增加。霍建忠 [10] 研究发现：粉煤灰的掺量在40%时能有效提高混凝土强度。

宁夏地区有丰富的煤炭资源及煤炭基地化工厂，因此研究粉煤灰对混凝土的影响研究具有重大的意义，不仅能解决粉煤灰的堆放，还能解决宁夏地区因为冻融破坏而造成建筑物耐久性短的问题。

2. 试验设计

设计水胶比为0.6的普通混凝土，利用不同掺量的粉煤灰取代水泥，(粉煤灰掺量分别为0%、20%、30%、40%、45%、50%)研究混凝土的抗压强度及抗冻性能。

1) 试验原材料

水泥、一级粉煤灰，自来水、5~20 mm碎石、河砂。

2) 如表1所示，是1 m3混凝土所需的材料量。

Table 1. Material required per cubic meter of concrete

表1. 每立方米混凝土所需材料量

根据每方混凝土的用量，计算试验过程中具体的材料用量，所用物料量具体值如表2所示。

Table 2. Specific amount of material in the course of test

表2. 试验过程中物料具体用量

3. 试验结果

3.1. 强度测试

混凝土试件抗压强度如表3所示：

Table 3. Testing of compressive strength of concrete

表3. 混凝土的抗压强度测试

Figure 1. Effect of fly ash on slump of concrete

图1. 粉煤灰对混凝土坍落度的影响

Figure 2. Effect of fly ash on strength of concrete

图2. 粉煤灰对混凝土强度的影响

试验结果分析：从图1可发现混凝土的坍落度一直呈上升状态，可能是粉煤灰自身的形态导致，粉煤灰表面光滑，呈玻璃体，随着粉煤灰掺量越多，混凝土和易性越好，导致坍落度呈上升趋势。通过图2可发现，当粉煤灰掺量达到30%~45%时，混凝土的7 d强度变化不大，但是28 d强度变化较为明显，主要是因为在早期过程中，粉煤灰的水化反应慢，被粉煤灰取代的部分水泥强度得不到补偿，所以早期强度较低。后期随着水化反应的进行，粉煤灰中的活性成分SiO2与Al2O3与水泥水化生成了氢氧化钙，使混凝土后期强度提高。当粉煤灰掺量超过45%时，混凝土的28 d强度有明显下降的趋势。

3.2. 冻融及碳化试验

粉煤灰对混凝土抗冻性能影响研究如表4所示：

Table 4. Effect of fly ash on frost resistance of concrete

表4. 粉煤灰对混凝土抗冻性的影响

粉煤灰对混凝土碳化性能研究结果如表5所示：

试验结果分析：通过图3可发现，混凝土经过一定的冻融次数之后，不同掺量的粉煤灰的冻融质量损失率不同，当掺量超过45%后，质量损失率的差值变大，掺量在45%时，混凝土的质量损失率比较平稳，抗冻性能最好。主要原因是粉煤灰改变了混凝土的空隙结构，增加了混凝土的孔隙率，使混凝土冻融破坏方式发生了改变，由静水压式变成渗透式，但粉煤灰掺量过高时，混凝土的孔隙率太大，导致其

Table 5. Effect of fly ash on carbonation depth of concrete

表5. 粉煤灰对混凝土碳化深度的影响

Figure 3. Effect of fly ash on frost resistance of concrete

图3. 粉煤灰对混凝土抗冻性的影响

Figure 4. Effect of fly ash on carbonation of concrete

图4. 粉煤灰对混凝土碳化的影响

抗冻性能降低。

通过图4的曲线发现，粉煤灰掺量越多，碳化深度不断增加，当粉煤灰掺量大于30%，碳化深度的增加变缓，粉煤灰掺量在40%~45%时，不论是3 d还是28 d的碳化程度几乎无变化。粉煤灰掺量大于45%时碳化深度明显增加，因此在施工过程中，要想保证碳化性能达到最好，应使得粉煤灰掺量不宜超过45%。

4. 结论

1) 混凝土中掺入大量粉煤灰不仅可以解决粉煤灰堆放的问题，还可节约水泥，保护环境。

2) 当粉煤灰掺量在45%时，混凝土的抗压强度、抗冻性能、抗碳化性能达到最优。

文章引用

冯玉钏,王德志,李嘉诚. 大掺量粉煤灰对混凝土的抗冻性能影响研究
Study on the Effect of Large Amount of Fly Ash on Frost Resistance of Concrete[J]. 土木工程, 2019, 08(06): 1039-10440. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.86121

参考文献

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  3. 3. 王松鹤, 李鸿霖, 孙浩浩, 王彬, 石荣生. 大掺量粉煤灰混凝土性能研究[J]. 山西建筑, 2017, 43(29): 123-124.

  4. 4. 左杨. 不同粉煤灰掺量的再生混凝土性能试验研究[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2018, 14(8): 97-98-106.

  5. 5. 董波. 粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的影响规律研究[J]. 粉煤灰综合利用, 2018(3): 47-58.

  6. 6. 史静. 大掺量粉煤灰混凝土的力学性能研究[J]. 粉煤灰综合利用, 2018(3): 68-75.

  7. 7. 陈源伟, 文庆军, 丁华柱, 杨志伟, 刘兴平. 大掺量粉煤灰混凝土性能研究[J]. 四川建材, 2017, 43(10): 11-13.

  8. 8. 王群, 关宏洁, 严心娥. 超细粉煤灰粒径和掺量对混凝土力学性能的影响研究[J]. 粉煤灰综合利用, 2018, 171(5): 50-53.

  9. 9. 李国荣, 刘玉芝. 大掺量粉煤灰混凝土抗冻临界强度研究[J]. 粉煤灰综合利用, 2019(2): 61-64.

  10. 10. 霍建忠. 粉煤灰掺量对混凝土力学性能和耐久性能的影响研究[J]. 山西交通科技, 2018(3): 20-23.

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