第一篇：粉煤灰在混凝土中的研究综述
粉煤灰在混凝土中的研究综述
一、引言
早在2000多年前的古罗马时期，人类就用火山灰与石灰混合作为胶凝材料，建造了许多雄伟的建筑物，例如万神殿，其直径为44m的半球形穹顶就使用了12000吨这种胶凝材料和凝灰岩轻骨料拌合而成的混凝土；还有闻名于世的圆形剧场等，这些建筑现在仍然安然无恙，2000年还有报道意大利人正在翻修圆形剧场，准备在那里面举行盛大的演出。今天在混凝土中掺用的粉煤灰，也是一种火山灰材料，大量的实践证明：掺用粉煤灰的混凝土，其长期性能得到大幅度的改善，对延长结构物的使用寿命有重要意义。
二、粉煤灰的有关信息
粉煤灰是从煤粉炉排出的烟气中收集到的细颗粒粉末，是工业“三废”之一，目前，我国年排放粉煤灰约11000万吨，利用率为42%，主要应用在建材、建工、筑路、回填方面。随着工业的发展，粉煤灰排放量将逐年增加，合理地推广和应用粉煤灰不仅能节约土地和能源，而且能保护和治理环境。粉煤灰作为一种人工 火山灰质材料，在混凝土中作为掺和料，可以改善性能，节约水泥，提高工程质量和降低成本，为了更好地应用粉煤灰混凝土，现将粉煤灰混凝土的性能及应用试验研究成果综述如下。
三、粉煤灰在混凝土中产生的效应
（一）和易性效应。混凝土和易性主要受浆体的体积、水灰比、配合比设计、骨料的级配、形状、孔隙率等因素影响，其中粉煤灰是影响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浆体的体积（相同质量粉煤灰的体积要比水泥约大30%）。如果我们在混凝土中较好的利用粉煤灰特性，用粉煤灰取代等重量的水泥（根据强度要求按重量比大于1：1用粉煤灰取代水泥时，又称超量取代），多加的粉煤灰增大了细屑含量，因此增大了浆体－-骨料比。大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并润滑了骨料颗粒，从而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。粉煤灰的骨料颗粒可以减少浆体－-骨料间的界面磨擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善了混凝土的和易性。
（二）泌水效应。粉煤灰的掺入可以补偿细骨料中的细屑不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性。同时，粉煤灰作为水泥的取代材料在同样的稠度下，会使混凝土的用水量有不同程度的降低。因而，掺用粉煤灰对防止混凝土的泌水是有利的。
（三）拌和物引气作用效应。混凝土的空气含量一般在３％以内，与水泥的细度、骨料形状、级配以及震捣密实的程度等有关。当混凝土中掺入粉煤灰时，由于细屑组分的影响会使混凝土的空气含量减少１％左右。对烧失量超过６％的粉煤灰，由于碳颗粒在冷却过程中变成了封闭的玻璃态，因而防止了对引气剂的吸附，保持了混凝土拌和物的原有含气量。
（四）凝结时间效应。掺粉煤灰的混凝土虽然初凝、终凝一般都能满足规范要求，但由于受其掺量、细度、化学成分等因素影响，混凝土会出现凝结时间延长，导致出现缓凝现象。然而，与水泥性能、用水量、环境温度、湿度等因素相比，粉
煤灰对混凝土凝结时间的影响是极小的。
（五）抗压强度效应。混凝土的抗压强度主要取决于水灰比，对掺与不掺粉煤灰的混凝土，如果二者的早期强度相同，则粉煤灰混凝土的后期强度将高于不掺的，粉煤灰对混凝土有三重影响：减少用水量、增大胶结料含量和通过长期火山灰反应提高强度。
当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要决定于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与混凝土的水泥浆体中的Ca(OH)2作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙。一些研究认为：粉煤灰在混凝土中，当Ca(OH)2薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时，就开始发生火山灰效应。但由于在Ca(OH)2薄膜与粉煤灰颗粒之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性成分反应，反应产物在层内逐渐聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大增长。随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，这就是掺粉煤灰的混凝土早龄期强度较低，后龄期强度增长较多的主要原因。
（六）水化热效应。混凝土中水泥的水化反应是放热反应。在混凝土中掺入粉煤灰可以降低水化热，原因是减少了水泥的用量。水化放热的多少和速度取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量。
由于近年来大型、超大型混凝土结构的建造，构件断面尺寸相应增大；混凝土设计强度等级提高，使所用水泥等级提高，单位用量增大；又由于实行水泥新标准后，使早强矿物硅酸三钙含量提高，粉磨细度加大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化过程温升明显加剧，温峰升高。在达到温峰后的降温期间，混凝土产生温度收缩（也称热收缩）引起弹性拉应力；另一方面混凝土的水灰比（水胶比）降低，早期水化加快，混凝土的弹性模量随强度提高而增大，进一步加剧弹性拉应力增长。这是导致近些年来许多结构物在施工期间，模板刚拆除时就发现大量裂缝的原因。这种硬化混凝土早期出现的裂缝往往深而长，为了防止可见裂缝的出现，通常采取外包保温的方法，以减少内外温差，因而被认为是有效措施得到迅速推广。但却忽略了，由于外保温阻碍了混凝土水化热的散发，进一步加剧体内的温升，使混凝土体内温度继续升高，水泥水化加速，早期强度发展更加迅速，因此也更容易出现裂缝，只是由于钢筋的约束和对应力的分散作用，使少量宽而长的可见裂缝转化为大量分散的不可见裂缝，它们将为侵蚀性介质提供通道，影响结构的使用功能。
与纯水泥混凝土一样，掺粉煤灰的混凝土由于水泥的水化随本体温度升高而加快，强度发展也因此加快。这使得粉煤灰混凝土，包括大掺量粉煤灰混凝土的强度发展在低水胶比的条件下，很快通过最初的缓慢凝结与硬化期，强度的发展迅速加快。有研究资料表明掺适当比例的粉煤灰后，不仅温升可以降低，使混凝土因温度收缩和开裂的危险减少，同时由于温升相同，其抗压强度在3d之前就超过了不掺粉煤灰类混凝土。
（七）冻融耐久性效应。当粉煤灰质量较差、粗颗粒多、含碳量高时，都会对混凝土抗冻融性有不利影响。质量差的粉煤灰随掺量的增加，其抗冻融耐久性剧烈降低。但当掺用质量较好的粉煤灰同时适当降低水灰比，则可以收到改善抗冻融耐久性的效果。试验资料表明，掺粉煤灰的混凝土水灰比在0.50以下，粉煤灰掺量在30%以内，混凝土抗冻融耐久性降低较少。此外，掺粉煤灰的混凝土只要抗压强度与含气量与不掺粉煤灰的混凝土相同，即在等强度、等含气量条件下，掺粉煤灰混凝土与不掺粉煤灰混凝土具有相等的抗冻融耐久性。关键在于混凝土引气后硬化混凝土中存在均匀分布的微气孔，这些微气孔在混凝土受冻时可容纳水结冰时所增大的部分体积。使混凝土免于因冰胀作用而破坏。
（八）炭化和钢筋阻锈效应。通过长期研究和工程实践，尤其是近年来的工程调研资料表明，防止掺粉煤灰混凝土炭化，首要因素是确保粉煤灰混凝土的密实度。密实度差的不掺粉煤灰的混凝土同样有碳化问题。研究和调查结果表明，当用矿渣水泥掺15%粉煤灰，普通水泥掺20%粉煤灰，硅酸盐水泥掺25%粉煤灰时，采用超量取代法设计混凝土配合比，满足等稠度和等强度的要求时，掺粉煤灰的混凝土抗碳化性能、钢筋锈蚀性能与不掺粉煤灰混凝土相比均明显增大。
过去曾有人提出，粉煤灰含硫是否会使粉煤灰混凝土中的钢筋锈蚀加重问题，国内外一些学者认为：
1、只要混凝土里面的石灰不被溶出，保持碱性环境，钢筋周围就能保持一层氢氧化铁保护膜，阻止与氧气渗入到钢筋表面，保护钢筋不致锈蚀。混凝土中掺用的粉煤灰实质上没有改变这种碱性环境。
2、混凝土中掺用的粉煤灰，因产生火山灰-石灰反应而提高了混凝土的抗渗性。火山灰凝胶还可以减少混凝土中的石灰溶出量。
（九）粉煤灰与碱-骨料反应产生的效应。碱-骨料反应是骨料中的活性氧化硅和水泥中的碱发生反应生水化硅酸钙凝胶体，体积增大，导致混凝土的膨胀和开裂。当向混凝土中掺入粉煤灰后，粉煤灰和水泥中的碱反应，能够防止这种过度的膨胀。可见，粉煤灰对抑制混凝土中的碱-骨料反应是有利的。
四、大掺量粉煤灰混凝土的概述
（一）大掺量粉煤灰混凝土定义 将粉煤灰看着一个独立组分，而不是水泥的替代品，以工程设计与施工及环境的要求为基准，而不是以不掺粉煤灰的混凝土为基准，进行混凝土设计、生产、浇筑和养护。
（二）、粉煤灰在混凝土中的适用环境和作用
1、水胶比：当采用合适的材料与良好的水胶比时。以水泥用量为300-350kg/m3，水灰比0.45-0.55范围，可以制备出28天抗压强度为35-40MPa(即目前最常用的C30
级)，在大多数环境条件下呈现足够低的渗透性和良好耐久性的混凝土。如果胶凝材料再少、W/C再大，则会出现孔隙率大、抗渗性不良等问题。
2、温度：掺有大量粉煤灰的混凝土，不仅温度收缩因温度升降可以明显减小，而且粉煤灰的初期水化缓慢，可以使低水胶比混凝土开始硬化时的实际水灰比增大，使水泥以及膨胀剂具有良好的水化环境。同时，与纯水泥混凝土一样，掺粉煤灰的混凝土由于水泥的水化随本体温度的升高而加快，因此强度发展也要加快。大掺量粉煤灰混凝土的强度发展在低水胶比的条件下，很快通过最初的缓慢凝结与硬化期，强度的发展迅速加快。试验表明：与实际结构物浇筑的硅酸盐水泥混凝土相比，掺30%粉煤灰后，不仅温升可以降低近10度，使温度收缩和开裂的危险减小，同时由于温升的作用，其抗压强度在3天前早已超过了硅酸盐水泥混凝土。
3、湿度：与普通水泥混凝土不同，掺粉煤灰混凝土，尤其是大掺量粉煤灰混凝土的水灰比足够大，即混凝土体内有充足的水分供水泥与粉煤灰水化，所以对这种混凝土的养护，需要有别于普通混凝土：不要湿养护，尤其不要早期浇水或浸水，否则会使表层混凝土的水灰比增大，对强度和抗渗透、耐磨耗等性能带来十分不利的影响。大掺量粉煤灰混凝土需要在浇捣后及时覆盖，避免其因水化较缓慢，向外界蒸发水分的时间较长、蒸发量也大，造成表面疏松、强度和抗渗透性下降。
4、稠度：粉煤灰混凝土，尤其是大掺量粉煤灰混凝土的外观十分粘稠，使其在运输和浇筑过程不易离析，对改善均匀性有明显好处。由于粉煤灰的滚珠效应，掺粉煤灰混凝土有较大的有效振捣半径，易于振捣密实。
通过以上分析得出：较低的水胶比、较高的温度，以及及时地覆盖而不是湿养护，是粉煤灰在混凝土中的适用环境。要获得这样的环境，必须采用大掺量粉煤灰混凝土。大掺量粉煤灰混凝土的抗裂性能优异无可怀疑，但现行规范的掺量限制不利于发挥粉煤灰的作用。
（三）、现行规范掺量的限制
一定范围里，是混凝土的水胶比，而不是粉煤灰的掺量决定使用效果。目前许多规范中规定的钢筋混凝土中粉煤灰掺量限制(例如25%以内)，对配制中低强度的混凝土来说，恰恰是最不利于发挥粉煤灰作用的粉煤灰范围。因为粉煤灰水化缓慢，生成物少，粉煤灰混凝土适宜的水胶比在0.4以下；普通混凝土常用的0.5左右水灰比条件下掺10-20%粉煤灰，即使同时掺有高效减水剂，一般水胶比仍需维持在0.4以上。但是如果继续增大粉煤灰掺量，由于粉煤灰表观密度约只有水泥的2/3，拌合物浆体含量的增大就可以产生降低水胶比的作用。
（四）、大掺量粉煤灰混凝土的局限性
1、煤灰-水泥-化学外加剂的相容性，表现为混凝土水胶比能否有效地降低，一般说来，当水胶比只能在0.4以上时，在中等强度混凝土中使用的效果就可能成问题；
2、大掺量粉煤灰混凝土的水泥用量少，由于起激发作用的氢氧化钙含量减少，使粉煤灰的水化条件劣化，所以在不同条件下存在一最佳粉煤灰掺量，并非越大越好；
3、掺粉煤灰混凝土比普通混凝土对温度更为敏感，在气温较低时制备的掺粉煤灰混凝土，强度发展较为缓慢。
（五）、使用大掺量粉煤灰混凝土注意问题
1、配制混凝土的骨料级配良好，以减小空隙率，利于水胶比降低，保证使用效果；
2、必须采用强制式搅拌机拌合大掺量粉煤灰混凝土；
3、混凝土浇筑后，要及时喷洒养护剂或覆盖外露表面，但无需喷雾或浇水养护；
4、气温过低时，要采用保温养护措施，使混凝土硬化和强度发展满足施工要求。
五、粉煤灰在混凝土中的可持续发展
混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料，据统计，每年全世界的耗用量接近100亿吨。如此巨大的用量，伴随着生产、使用过程带来矿石资源、能源的消耗，以及对大气和环境造成的污染，引起全世界业内人士的关注。
我国的水泥产量多年来居世界首位，占三分之一以上。同时我国粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于发展基础设施建设的需要，有关部门仍在计划投资建设更多的水泥厂。过去在混凝土里掺入粉煤灰，是为了节约水泥、降低工程材料费用，今天对混凝土掺入粉煤灰的认识、应该提高到保护环境、保护资源、使混凝土材料可长期的持续应用于基础设施建设中的高度上来认识。
大掺量粉煤灰混凝土不仅可以改善混凝土的各项性能、延长混凝土结构的使用寿命，同时可以大幅度减小耗费能源多、污染环境严重的硅酸盐水泥用量，因此也是一种绿色混凝土。从这个角度出发，推广大掺量粉煤灰混凝土在我国土木建筑工程中的应用，是一件利国利民有显著效益的事业，必定有着强大的生命力，有着广阔的发展前景。(完)
研究人：贺伦
韩云
颜可维
组数：五组
第二篇：粉煤灰在混凝土中的应用
三、粉煤灰在混凝土中的作用
了解混凝土的微结构的特性及其对性能的影响后，就可以更好地认识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几方面：
1）填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，由于粉煤灰的容重（表观密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好（质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。
2）对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时，水化缓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颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物（与水泥中硅酸盐的水化产物相同），而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用。
4）粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。
下面对粉煤灰在混凝土中的作用及其机理做一些具体地分析。
长期以来，国内外在混凝土中常掺有一定量粉煤灰，但作为水泥的替代材料，绝大多数情况下是以如下三种方式应用的：在早期强度要求很低，长期强度大约在25~35MPa的大体积水工混凝土中，大掺量地替代水泥使用；在结构混凝土里较少量地替代水泥（10~25%）；在强度要求很低的回填或道路基层里大量掺用。
对于粉煤灰的作用机理和应用技术，多年来进行了大量的研究工作，取得了不少进展，这些进展对粉煤灰在混凝土中的应用起了一定的推动作用。如掺用的方法从等量替代水泥，发展到超掺法、代砂法以及与化学外加剂同时使用的双掺法。对于粉煤灰的作用机理，从主要是火山灰质材料特性的作用（消耗了水泥水化时生成薄弱的，而且往往富集在过渡区的氢氧化钙片状结晶，由于水化缓慢，只在后期才生成少量C-S-H凝胶，填充于水泥水化生成物的间隙，使其更加密实），逐步发展到分析它还具有形态效应、填充效应和微集料效应等。但无论哪一方面的研究成果，似乎都改变不了这样一个事实：在混凝土中掺粉煤灰要降低混凝土的强度，包括28天龄期以后一段时间里的强度，其他性能当然也相应受到不同程度的影响，而且这些影响要随着掺量的增大而加剧。这个事实始终禁锢着粉煤灰在混凝土中，尤其是结构混凝土中的掺量，而且似乎形成了这样一种成见：掺用粉煤灰是以牺牲结构混凝土的品质为代价的。
事实上，如前所述，由于高效减水剂的应用，使混凝土的水胶比可以大幅度降低，从而使掺用粉煤灰的效果大为改善，使大掺量粉煤灰混凝土的性能能够大幅度地提高。
1）水胶比的影响 水胶比的上述变化为什么影响这么大呢？在高水胶比的水泥浆里，水泥颗粒被水分隔开（水所占体积约为水泥的两倍），水化环境优异，可以迅速地生成表面积增大1000倍的水化物，有良好地填充浆体内空隙的能力。粉煤灰虽然从颗粒形状来说，易于堆积得较为密实，但是它水化缓慢，生成的凝胶量少，难以填充密实颗粒周围的空隙，所以掺粉煤灰水泥浆的强度和其他性能总是随掺量增大（水泥用量减少）呈下降趋势（当然在早龄期就更加显著）。
在低水胶比的水泥浆里情况就不一样了。不掺粉煤灰时，高活性的水泥因水化环境较差，即缺水而不能充分水化，所以随水灰比下降，未水化水泥的内芯增大，生成产物量下降，但由于颗粒间的距离减小，要填充的空隙也同时减小，因此混凝土强度得到迅速提高。这种情况下用粉煤灰代替部分水泥，在低水胶比条件下（例如0.3左右），水泥的水化条件相对改善，因为粉煤灰水化缓慢，使混凝土实际的“水灰比”增大，水泥的水化因而加快，这种作用机理随着粉煤灰的掺量增大愈加明显（例如掺量为50%左右，初期实际水灰比则接近0.6），水泥水化程度的改善，则有利于粉煤灰作用的发挥，然而与此同时，需要粉煤灰水化产物填充的空隙已经大大减小，所以其水化能力差的弱点在低水胶比条件下被掩盖，而它降低温升等其它优点则依然起着有利于混凝土性能的作用。以上所述低水胶比下粉煤灰作用的变化，我们可以用一个“动态堆积”的概念来认识，这是相对于长期以来沿用的静态堆积而言的。即通常在选择原材料和配合比时，是以各种原材料在加水之前的堆积尽量密实为依据的，但是当加水搅拌后，特别是在低水胶比条件下，如何通过粉状颗粒水化的交叉进行，使初始水胶比尽量降低，混凝土单位用水量尽量减少，配制出的混凝土在密实成型的前提下，经过水化硬化过程，形成的微结构应该是更为密实的。上述大掺量粉煤灰混凝土的例子中，每方混凝土的用水量仅100kg左右，要比目前配制普通混凝土少几十公斤，就是明显的证据。有人曾进行过低水灰比（水胶比）掺/不掺粉煤灰净浆的结合水测定试验[6]：掺有30%粉煤灰，水胶比为0.24的净浆，要比水灰比为0.24的纯水泥浆在28d时的结合水还多，证实上述掺粉煤灰后改善了水泥在低水灰比条件下水化程度的说法。因此低水胶比条件下，大掺量粉煤灰混凝土的强度发展与空白混凝土接近，而后期仍有一定幅度的增长，在一定范围内随掺量变化的影响不大。当然，粉煤灰代替水泥用量大了，由于起激发作用的氢氧化钙含量减少，使粉煤灰的水化条件劣化，所以在不同条件下存在一最佳粉煤灰掺量，并不是越大越好。
2）温度的影响 众所周知，温度升高时水泥水化的速率会显著加快。研究表明：与20℃相比，30℃时硅酸盐水泥的水化速率要加快一倍。由于近些年来大型、超大型混凝土结构物的建造，构件断面尺寸相应增大；混凝设计土强度等级的提高，使所用水泥标号提高、单位用量增大；又由于水泥生产技术的进展，使其所含水化迅速的早强矿物硅酸三钙含量提高、粉磨细度加大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化时产生的温升明显加剧，温峰升高。举一个典型的例子：97年北京一栋建筑物底层断面为1.6m×1.6m的柱子，模板采用9层胶合板材料，施工季节为夏季，混凝土浇筑后柱芯的温峰达到110℃。
在达到温峰后的降温期间，混凝土产生温度收缩（也称热收缩）引起弹性拉应力；另一方面，混凝土水胶比的降低，又会使因水泥水化产生的自身收缩增大，同样产生弹性拉应力；而混凝土的水灰比（水胶比）降低，早期水化加快，混凝土的弹性模量随强度的提高而增大，进一步加剧了弹性拉应力增长；与此同时，混凝土的粘弹性，即对于弹性拉应力的松弛作用却显著地减小，这一切，都导致近些年来许多结构物在施工期间，模板刚拆除或以后不久就发现表面大量裂缝。除了凝固前的塑性裂缝以外，硬化混凝土早期出现的裂缝往往深而长（实际上不可见裂缝的长度和深度，要远比可见裂缝大得多）。为了防止可见裂缝的出现，目前常采取外包保温措施，以减小内外温差，这种做法被认为是有效措施而迅速地得到推广。但是没有注意到：由于外保温阻碍了混凝土水化热的散发，加剧了体内的温升，混凝土体温度升高，使水泥水化加速，早期强度发展更加迅速，因此也更容易出现裂缝，只是由于钢筋的约束和对应力的分散作用，使少量宽而长的可见裂缝转变为大量分散的不可见裂缝，它们将为侵蚀性介质提供通道，影响结构混凝土的耐久性。同时较大的弹性拉应力还可能引起钢筋达到屈服点而滑移，从而可能影响结构的使用功能。
与水泥相比，粉煤灰受温度影响更为显著，即温度升高时它的水化明显加快。所以当混凝土浇注时环境温度与混凝土体温度较高时，对纯水泥混凝土来说，由于温升带来不利的影响，而对掺粉煤灰混凝土来说，则不仅温升下降，减小了混凝土因温度开裂的危险，同时由于加快火山灰反应，还提高了28天强度。举一个很有意思的例子：德国在修建一条新铁路时，其隧道衬砌曾严重地开裂，当时要求混凝土10h强度不低于12MPa；后来修改了规定：以隔热的立方模型浇注的试件12h最高强度为6MPa；如果超过了，就要增加粉煤灰的掺量来更多地代替水泥。
以上说明：由于混凝土技术的进展，使混凝土可以在比较低的水胶比条件下制备，这就使粉煤灰在混凝土中的作用出现显著地变化。而近些年来水泥活性增大、混凝土设计等级提高促使水泥用量增大，以及构件断面尺寸加大，在混凝土体温度上升的前提下，进一步促进了粉煤灰在混凝土中作用的发挥，以至可以说：粉煤灰在许多情况下可以起到水泥所起不到的作用，成为优质混凝土必不可少的组分之一。
3）室内试验与现场浇注 长期以来，人们对于混凝土强度——其质量控制主要指标（通常也就是唯一指标）的评价，一直是根据在实验室里制备的小试件（由于骨料最大粒径的减小，试件尺寸从200×200×200mm减小到现在的100×100×100mm），经规定龄期的标准养护（20±3℃；RH≥90%），然后在试验机上破型得到的数据进行。Idorn[7]在91年曾拟文指出：在特定实验室条件下取样制备试件进行试验作为控制质量的方法，而不去开发以物理化学为科学依据的控制方法，是不合乎当今时代的错误。
试验室制备的试件与工程中浇筑构件的实际情况存在着明显的差异：
1）制备试件时的成型条件与工程实际振捣密实的情况不相符，因此不能反映实际结构物中混凝土的振实程度（孔隙率）、沉降程度（离析、泌水）等；
2）试件养护时的温、湿度与实际构件的情况不同，而这种差异随着现代工程结构断面尺寸明显增大、施工中忽视养护的情况使反差更加剧。如前所述，混凝土构件体内的温升及其对
3）室内试验与现场浇注 室内试验结果要反映工程施工中混凝土浇筑的实际情况。
长期以来，人们对于混凝土强度——其质量控制主要指标（通常也就是唯一指标）的评价，一直是根据在实验室里制备的小试件（由于骨料最大粒径的减小，试件尺寸从200×200×200mm减小到现在的100×100×100mm），经规定龄期的标准养护（20±3℃；RH≥90%），然后在试验机上破型得到的数据进行。Idorn[6]在91年曾拟文指出：在特定实验室条件下取样制备试件进行试验作为控制质量的方法，而不去开发以物理化学为科学依据的控制方法，是不合乎当今时代的错误。
试验室制备的试件与工程中浇筑构件的实际情况存在着明显的差异：
1）制备试件时的成型条件与工程实际振捣密实的情况不相符，因此不能反映实际结构物中混凝土的振实程度（孔隙率）、沉降程度（离析、泌水）等；
2）试件养护时的温、湿度与实际构件的情况不同，而这种差异随着现代工程结构断面尺寸明显增大、施工中忽视养护的情况使反差更加剧。如前所述，混凝土构件体内的温升及其对混凝土水化过程的不利影响、随后降温时的变形以及产生的内应力，小试件是反映不出来的，更无法反映上述普通混凝土与大掺量粉煤灰混凝土在温升影响下的反差（纯水泥混凝土后期强度比小试件偏低，而大掺量粉煤灰混凝土强度发展加速和提高）。
3）自由变形的试件和受配筋及其他条件约束的实际构件，在现代结构配筋曰益密集、混凝土水胶比明显降低的情况下，对结构混凝土性能产生的影响差异加大：试件在初龄期自身收缩增大时，强度会呈提高趋势；而实际结构中混凝土早期强度提高（弹性模量增大）、自身收缩加剧时，则因变形受约束，引起很大的拉应力从而导致开裂，强度与耐久性降低。
以上说明：室内试验结果难以完全反映工程施工中混凝土浇筑的实际情况。正是从这个角度出发，许多国家从事混凝土技术研究时，越来越重视足尺试验（与实际结构物尺寸相同或者成比例缩小）和对于实际结构物的现场检测。如上所述，其结果正和小试件的相反。对于大掺量粉煤灰混凝土，或者从更广泛的意义上来说，在混凝土技术领域里的研究方面，我们与先进国家的差距，可能更突出地反映在这些问题上（当然还有其他方面的，例如配制混凝土时所用骨料的变异性大，因此试验结果的重现性差；室内试验混凝土的搅拌、成型和养护条件有待改善等等），而不是如有些人误认为的：因为国内粉煤灰、水泥、外加剂等原材料的质量存在着很大差距，因此得不出类似结果。
四、大掺量粉煤灰混凝土
既然粉煤灰在混凝土中的作用如此重要，为什么粉煤灰混凝土，主要是大掺量粉煤灰混凝土长时间得不到推广呢？在这里提出一个新的看法：目前许多规范中规定的钢筋混凝土中的掺量限制（例如25%），对配制中低强度的混凝土来说，恰恰是最不利于发挥粉煤灰作用的掺量。换句话说，粉煤灰必须用大掺量，才能发挥良好的效果。这是为什么呢？
如上所述，掺用粉煤灰要想取得良好效果，水胶比必须低，而中低强度混凝土的水泥用量通常在350kg/m3以下。这种条件下，即使掺用再好的减水剂，水灰比（水胶比）也只能在0.50左右。因为再减小时，浆体体积就满足不了填充骨料空隙并形成足够厚度润滑层的需要。当掺加粉煤灰时，由于它比水泥轻，等重量替代水泥时可以增大胶凝材料的体积，所以可以使混凝土的水胶比降低。但是当其掺量较小时（如规定的25%以内），增大胶凝材料的体积有限，降低水胶比的作用也就有限。前面谈到的加拿大CANMET进行的大掺量粉煤灰混凝土性能之所以优异，正是因为它在胶凝材料用量为350kg/m3的条件下，粉煤灰占到57%以上，从而将水胶比降低到0.30左右获得的结果。我们重复了它的胶凝材料比例进行试验，因此也得到了类似的效果。
大掺量粉煤灰混凝土不仅强度发展效果良好，而且各种耐久性能也十分优异。由于能够明显降低水化温升，也大大减小了混凝土早期出现开裂的危险，可以说是一种适用于除了早期强度要求非常高以外，能够满足各种工程条件，尤其是侵蚀性严酷环境要求的高性能混凝土。例如公路路面板、桥面板就是这样一类结构，不仅工作环境严酷，而且需要耐磨性良好。大掺量粉煤灰混凝土的后期强度增长幅度大，恰好满足了这样的要求——强度和耐磨性随着时间不断增长。但是目前的耐磨性试验不适宜于判断这种混凝土的耐磨性，因为通常就在28天龄期进行快速试验——用钢球在试件上快速旋转产生的磨耗量来评价。这也说明：推广新材料、新技术需要伴随试验评价方法的改进。
当然，任何事物都有它的两面性，大掺量粉煤灰混凝土也存在局限性。其中，粉煤灰—水泥—化学外加剂之间的相容性，表现为混凝土水胶比能否有效地降低，使粉煤灰能充分发挥作用，自然是应用这种混凝土首先要检验的问题。一般来说，当水胶比只能在0.40以上时，在中等强度要求的混凝土中使用的效果就可能成问题了。其次，由于大掺量粉煤灰混凝土的水泥用量大幅度减少，因此对于水泥质量的稳定性和粉煤灰品质的稳定性就比较高，当两者的质量产生波动时，会给使用效果带来明显的影响。不过大掺量粉煤灰混凝土的水胶比较低这一特性，也有减小混凝土性能波动的益处。同时，从拌合物的工作度检验中，操作人员比较易于获得粉煤灰质量发生了波动的信息，便于及时采取措施减小或避免损失。此外，工程所在地附近一定半径范围里，有可以适用的粉煤灰来源也十分重要，过长的运输距离不仅使粉煤灰使用费用增加，也给及时满足工程对粉煤灰货源的需求带来困难。
另外，在使用大掺量粉煤灰混凝土时，需要注意以下施工条件和事项：
1）配制混凝土的骨料级配良好，以减小空隙率，利于水胶比降低，保证使用效果；
2）必须采用强制性搅拌机拌合这种混凝土，以保证其均匀性，由于它比较粘稠，在出机口、罐车进料口、入泵口以及摊铺过程要采取相应措施；
3）混凝土坍落度应控制比普通混凝土减小（不影响泵送与震捣）；浇注后，要及早喷洒养护剂或覆盖外露表面，但一般情况下无需喷雾或浇水养护；
4）气温过低时，要采用保温养护措施，且适当延缓拆模时间，使混凝土硬化和强度发展满足施工需要。
五、混凝土材料的可持续发展
混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料，据统计，每年全世界的耗用量接近100亿吨。如此巨大的用量，伴随着生产、使用过程带来矿石资源、能源的消耗，以及对大气和环境造成的污染，已引起全世界业内的关注。
我国的水泥产量多年来居世界首位，占1/3以上。同时我国粉煤灰的年排量也是居世界首位。由于发展基础设施建设的需要，有关部门仍在计划投资建设更多水泥厂。过去在混凝土里掺用粉煤灰，是为了节约水泥、降低工程材料费用，今天对混凝土掺用粉煤灰的认识，应该提高到保护环境、保护资源，使混凝土材料可长久地持续应用于基础设施建设中的高度上来认识。
大掺量粉煤灰混凝土不仅可以改善混凝土的各项性能，延长混凝土结构的使用寿命，同时可以大幅度减小耗费能源多、污染环境严重的硅酸盐水泥用量，因此也是一种绿色混凝土。从这个角度出发，推广大掺量粉煤灰混凝土在我国土木建筑工程中的应用，是一件于国于民有显著效益的事业，必定有强大的生命力，有广阔的发展前景。
第三篇：粉煤灰在建筑材料中的应用
粉煤灰在建筑材料中的应用
摘 要：当前，随着我国社会经济与电力行业的不断发展，粉煤灰的排放量也日益增加。从传统的角度而言，粉煤灰属于燃煤排放的主要固体废弃物，其不仅不具备任何利用价值，更是会对环境造成严重影响。但是，随着我国科学技术的不断发展，粉煤灰逐渐在建材、农业等领域中得到广泛的应用。文章即主要针对粉煤灰在建筑材料中的应用做了具体探讨。
关键词：粉煤灰；建筑材料；应用
粉煤灰作为发电、工业生产的主要废弃物，若是未能够对其进行有效处理，必然会导致生态环境的破坏，威胁人们的身体健康。因此，如何有效处理粉煤灰，成为了社会关注的一大焦点问题。近些年，通过粉煤灰生产相应的节能环保建筑材料产品，成为了国家大力扶持的产业。粉煤灰概述
1.1 粉煤灰
粉煤灰主要是一种混合体，其主要构成物包括结晶体、玻璃体以及少量的未燃碳。粉煤灰中存在的主要氧化物如下所示：TiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2，其中，最主要的成分为SiO2，其所占比例约为43%～56%；其次则是Al2O3，其所占比例约为20%～35%；再次，则是Fe2O3，所占比例约为4%～10%。一般来说，粉煤灰的密度是2～2.3kg/m3，松散干容重是550～800kg/m3，细度是2700～3500cm2/g，孔隙率是60～75%，而燃煤种类、方式、燃烧温度的不同，均会对其物理性能产生一定的影响。
1.2 粉煤灰的综合利用
随着我国经济的不断发展，资源危机问题日益突出，人们越来越重视“废弃物”的利用，粉煤灰即是在此背景下，被广泛应用于冶金、建材、交通、化工等等多个领域中。其中，在建筑领域中，粉煤灰主要具有高活性、表面积小、内部存在大量球形或微球状颗粒、能够提高混凝土凝结性能等优点。粉煤灰在建筑材料中的应用分析
在建材领域中，粉煤灰的利用方法与途径十分多样，下文对此进行了具体论述。
2.1 粉煤灰在混凝土中的应用
对于混凝土而言，粉煤灰是一种十分优质的活性掺和料。一方面，粉煤灰自身质量轻、化学性质稳定，价格低廉，具有很好的经济效益；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，从而降低混凝土使用成本。
在混凝土中掺入适量的粉煤灰，主要可以改善混凝土和易性，增强其抗弯、抗压、抗蚀、抗渗性能，其具体效应主要表现在以下几个方面：第一，取代效应。粉煤灰作为一种掺合料加入到混凝土中，能够起到取代部分水泥的作用，从而减少水泥熟料的量。而水泥熟料的使用量有效减少后，混凝土的耐蚀性、耐热性等均可得到一定提高，同时其水热化的降低，可以起到降低混凝土施工裂缝发生率的作用。第二，火山灰效应。混凝土中粉煤灰的火山灰效应主要表现在以下几个方面：一是实现了混凝土水化物氢氧化钙的消耗，从而降低混凝土水化热；二是二次水化的产物，能够充分填充在混凝土的毛细孔当中，从而起到细化孔隙、提高混凝土密实性的效果。值得注意的是，二次水化的产物还可以有效缝合混凝土前期出现的裂缝，提高混凝土施工质量。第三，形态效应。形态效应主要指的是粉煤灰颗粒外貌形态效应，其主要包括表面状态、形状、以及粒度分布等。一般情况下，若是粉煤灰粒度适宜，表面致密光滑，则粉煤灰减水性良好；若是粉煤灰粒度比较细，表面致密光滑的玻璃釉状物质被破坏，则粉煤灰的活性高，水化反应快。
2.2 粉煤灰在墙体材料中的应用
当前，不少新型建筑材料中均应用了粉煤灰，例如：蒸压粉煤灰砖即为我国当前重点推广应用的节能环保墙体材料。蒸压粉煤灰砖的原材主要是粉煤灰和石灰，根据实际情况，也可以加入适当的骨料、石膏。一方面，蒸压粉煤灰砖具有重量轻、隔热保温效果好的优点，有利于建筑节能；另一方面，蒸压粉煤灰砖强度高、抗渗透能力强，其单块抗压强度可达16.0MPa，因此可以广泛代替实心粘土砖，起到节约能源、保护环境的作用。
2.3 粉煤灰在建筑玻璃材料中的应用
2.3.1 泡沫玻璃。泡沫玻璃的主要是在各种的矿物废渣中加入一定的发泡剂、助熔剂等等，将其混合倒入特定模具，通过预热、熔融、发泡以及冷却等一系列工序后所得到的多孔玻璃材料。当前，利用粉煤灰和碎玻璃所制成的泡沫玻璃具有质量轻、强度高、保温性能的优点。同时，由于此种泡沫玻璃实现了粉煤灰的再次利用，具有显著的社会、生态效益。此外，由于泡沫玻璃的形状可以根据不同的工程需要而定，因此其适用性极为广泛。
2.3.2 粉煤灰微晶玻璃。粉煤灰微晶玻璃主要是将粉煤灰进行晶化热处理（可加或不加晶核剂），从而使得其由单一玻璃转变为微晶相与玻璃相均匀分布的复合材料。当前，粉煤灰微晶玻璃常用的制作工艺主要由以下三种：烧结法、熔融法以及压延法。粉煤灰微晶玻璃与天然石材相比，其强度、硬度更高、耐磨性好、化学稳定性好，因此十分适用于建筑内墙、地面、柱石以及外墙的装饰施工。做好粉煤灰应用的有效措施
3.1 转变思想观念
在传统的观念中，粉煤灰仅仅是电力生产的废物，其不仅没有任何的利用价值，还会对自然环境造成一定的污染。因此，若是想要实现粉煤灰在建筑材料中的有效利用，必须摆脱此种观念，充分认识到粉煤灰的价值所在，只要采取一定的技术手段，即可将其转变为再生的资源，为我国节能建筑、生态建筑的发展添砖加瓦。
3.2 出台优惠政策
对于我国而言，促进粉煤灰广泛应用，有利于促进我国建筑节能的不断发展，获得良好的生态、经济、社会效益。因此，国家必须出台鼓励性及惩罚性的政策，规范建筑领域中对于粉煤灰的使用，从而实现其价值的充分发挥。特别是通过相应的所得税、增值税等优惠政策的利用，可以有效调动建材企业、施工企业对于粉煤灰的应用积极性，从而使得其能够主动调整自身建材使用结构，更为广泛地应用新型环保材料。
3.3 推动技术进步
对于我国相关部门及建筑企业而言，其必须充分认识到当前我国对于粉煤灰的利用依旧处于一个较低的水平，与发达国家的差距较远。针对此种情况，我国应积极借鉴、吸收国外先进产品技术，加大粉煤灰利用的研究力度，从而有效提高粉煤灰的利用效率，使其在建筑行业中发挥出更大的作用。结语
综上所述，粉煤灰的有效利用不仅实现了经济效益的提高，更是有效保护了环境，避免粉煤灰的随意排放导致河流、空气的污染。其中，将粉煤灰应用于建筑材料中，不失为一个有效的措施。但是，当前我国的粉煤灰利用效率依旧较低，国家必须通过政策鼓励，推动技术进步，已获得更多的、实用的新型建筑材料。
参考文献
[1] 张艳荣.粉煤灰在建筑材料中的资源化利用[J].中国建材科技，2008，17（4）：65-67.[2] 刘淑芳.粉煤灰在新型建筑材料中的应用[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2011（30）：57-59.[3] 李祖明.浅析粉煤灰在新型建筑材料中的利用[J].建材发展导向，2011，09（15）：7.
第四篇：粉煤灰混凝土小型空心砌块生产工艺
粉煤灰混凝土小型空心砌块生产工艺
生产粉煤灰混凝土小型空心砌块，是将粉煤灰、水泥、砂石等主要原材料按比掺配，均匀混合，用加有适量减水剂的水适度湿化，经坯料制备，挤出成型，养护而成。采用空心砌块成型机生产，工艺简单，易操作，成本低，产品性能良好。
粉煤灰颗粒微细，一般粒径为0.3mm左右，相当于水泥的细度。粉煤灰量大面广，是一种利用价值很高的“再生资源”，是生产节能型绿色建材的好材料。
用粉煤灰、水泥、砂石、适量的增塑剂和水，生产混凝土小型空心砌块，具有诸多工艺功能。①含活性SiO2，具有火山灰作用和潜在水硬性。能水化生成水化硅酸钙凝胶，可减少水泥用量；②能提高以水泥为胶凝材料的制品后期强度，控制碱———骨料反应；③降低水化热，减少受热体积和干燥干缩；④减少泌水和离析现象，改善和易性，增强产品抗压、抗折、抗拉强度。提高砌体工程质量；⑤砌块强度达到MU10以上，能增强砌体的结构力；⑥粉煤灰容重小，可减轻砌块的重量。
利用粉煤灰生产混凝土小型空心砌块，具有一举多得的优越性。①可节约资源，降低能耗，减少运输量，减轻建筑业的物化劳动，节约砌体粘结料；②生产工艺简单，不需大量机械设备，不需窑炉，不烧煤，不用粘土，可节能源、耕地；③粉煤灰来源广，使用方便，省工节能，可降低产品成本，提高经济效益；④可变废为宝，消除污染，保护环境；⑤用小型空心砌块砌筑的墙体，具有隔热、保温、防噪功能。粉煤灰混凝土小型空心砌块是一种环保型绿色建材，发展前景广阔。根据多年建材生产的经验，就粉煤灰混凝土小型空心砌块生产工艺谈几点浅见。原材料的选择
粉煤灰的技术指标，应符合生产工艺的要求。实践证明，原材料是产品质量的根本保证，优质材料是产品优质的基础。生产优质粉煤灰混凝土小型空心砌块，必须选用颗粒微细的粉煤灰、清水细砂、清水小卵石(粒径小于10mm)、优质水泥、高效减水剂和纤维素。
1.1 粉煤灰的选择
粉煤灰是火电厂锅炉排出的废渣，其排出方式有干排、湿排、混排和分排。不论哪种方式排出的粉煤灰，均可用于生产混凝土小型空心砌块。粉煤灰颗粒越细越利提高产品的性能。
1.1.1 粉煤灰的物理性能
粉煤灰为多孔结构，对水的吸附能力大，含水分30%的粉煤灰仍呈松散状态。其物理性能因原煤产地(种类)和电厂锅炉效率的高低而异，差别较大。
1.2 集料的选择
生产混凝土小型空心砌块，须掺配相应比例的胶凝材料和骨料。
1.2.1 胶凝材料的选择视资源条件选用42.5级以上的普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥或硅镁水泥。
1.2.2 骨料的选择
骨料在砌块中起着骨架作用，既增强了砌块的强度，又减少了砌块的收缩裂缝。选择骨料应控制粒径，一般采用10mm以下细度的清水卵石、清水细砂，有条件时可采用10mm细度的砖瓦碎屑或矿渣代替卵石，也可用煤矸石粉或硅灰代替细砂，便能与水泥一道发挥更好的活化作用。
第五篇：粉煤灰混凝土强度统计特性的试验研究_何淅淅.
第44卷增刊2011年 土木工程学报
CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL Vol．442011 粉煤灰混凝土强度统计特性的试验研究 何淅淅 郑学成 林社勇
（北京建筑工程学院北京100044）
摘要：分3批共计24组统计试验考察粉煤灰掺量、试件尺寸以及纤维、骨料性质对混凝土强度统计特性的影响。100mm边长19组，150mm边长5组。试验龄期分别为其中包括立方抗压强度19组，立方体劈裂抗拉强度5组，28d、56d、90d、200d和365d；骨料类型包括页岩两组，普通碎石骨料22组；掺有聚丙烯纤维的共4组。分析表明，龄期增长可以明显降低混凝土强度的离散性；粉煤灰和试件尺寸对混凝土强度离散性的影响没有明显的趋向性。在3组中有2组表现为尺寸越大强度越高的特性；尺寸对劈裂抗拉强度尺寸对统计平均立方抗压强度影响的试验中，强度越低的特点。针对24组统计试验数据，进行正态概率分布以统计平均值影响的试验结果均表现出尺寸越大，Weibull分布与试验强度频率图的右尾端拟合较差。及Weibull概率分布假设检验。概率分布假设检验结果表明，关键词：粉煤灰混凝土；尺寸效应；强度；概率分布；离散系数中图分类号：TU528．2 文献标识码：A 131X（2011）S1-0059-07文章编号：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，故混凝土强度的统计特性分析一直是分析混凝土
尺寸效应的重要手段之一。课题组历时多年，多批次对当代混凝土的强度统计特性进行了试验研究，本文为其中3个批次统计试验的结果。
考虑到正态概率分布对随机变量的通用性以及在分析混凝土尺寸效应中Weibull理论具有的普遍意义，本文采用这两种概率统计分布与混凝土强度试验值进行比较。正态分布概率密度函数为：（1）
σ式中：σ、μ分别取修正样本标准差（以下简称标准差）和样本试验平均值。Weibull概率密度函数采用双 f（x）= －1 x－2 σ 引言
混凝土是半脆性材料，其力学性质具有较大的随
机性，对其统计特性的认识关系到结构的安全度。脆在性材料的力学性质存在尺寸效应已得到大家公认，当今尺寸效应理论的两大流派中，虽然断裂能量型尺寸效应理论逐渐被大家确认，但就混凝土基本强度指 Weibull统计型尺寸效应理论仍然具有主导地标而言，基金项目：北京市自然科学基金（8052008）作者简介：何淅淅，硕士，教授01-30收稿日期：2011-·60·土木工程学报2011年 参数数学模型： f（x）=
mm－1－（emxβ
xmβ（2）
试验概况及主要结果见表2。各组实测概率与正
态分布和Weibull分布的比较见图2，图2表明累积概率（cdf）试验值与理论正态分布和Weibull分布曲线均拟合较好。表2 Table2 第一批fcu统计试验基本情况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为形状参数，也是材料的Weibull模量，其值 在m的一般范围，可以近与样本离散系数Cov有关，似取 ［1］ ： m≈
1．23Cov（3）
组别立方体边长（mm）样本个数n 式（2）中β为尺度参数，也即材料特征应力，可根据样本平均值x由下式计算： β= x Γ（1+1/m）
（4）
实测fcu平均值（MPa）42．98fcu标准差（MPa）fcu离散系数Cov 2．060．05 式中：伽马函数Γ（1+1/m）随m的变化见图1。从图1可以看出，在m大于1时，Γ（1+1/m）随m加大趋近1；在m＜20时，计算参数β时若忽略Γ（1+1/m）而近似取样本平均值x会产生较大误差
。图1 Fig．1 伽马函数Γ（1+1/m）随m的变化
TherelationshipbetweenfunctionΓ（1+1/m）andm 1 1．1 统计试验概况及主要结果 第一批立方抗压强度统计试验
标准养护龄期28d。试立方试件边长取100mm，图2 第一批试验fcu的累积概率分布实测值与理论值比较
Comparisonofmeasuredvaluesofcumulative Fig．2 验共6组，混凝土配合比见表1。水泥采用PO42．5 级。其中，二、四组掺II级粉煤灰；
五、六组采用粒径为5～20mm的900级碎石型页岩骨料（表中标注*者），其他组均采用粒径为5～25mm的普通碎石骨料。
表1Table1 参数
组别水灰比水胶比 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 第一批统计试验的混凝土配合比Theconcretemixratioofthefirstgroup 配合比（kg/m3）砂***692 粗骨料***4658*647* 水***3178173 6．0减水剂
图3为fcu试验频率直方图与两种理论概率密度
曲线的比较。对比可以看出Weibull分布具有非对称性，其众值偏右，而试验实测直方图也没有全部表现出正态分布的对称性。图
2、图3均表现出，在累积概率cdf接近1时或概率密度函数pdf曲线的右端，Weibull曲线收敛较早。通过采用χ法对正态分布和Weibull分布假设进行检验，发现在混凝土强度数值大的区域（即概率密
度曲线pdf的右尾区域），由于累积概率cdf过快收敛
于1，而导致χ值迅速增大超过接收临界值。在置信6组数据中有4组不接受Weibull分布水平取0．01时，第44卷增刊何淅淅等·粉煤灰混凝土强度统计特性的试验研究·61
·
图3Fig．3 第一批试验fcu概率密度实测值与理论值比较Comparisonofmeasuredvaluesandtheoreticalvaluesofprobabilitydensitydistribution inthefirstgroupforfcu 6假设。正态分布曲线的对称性则避免了这一问题，组试验检验结果有5组得到正态分布假设成立的结论（见表3）。如取置信水平为0．05，6组数据中有5组不接受Weibull分布假设，而正态分布适用结论不变。
表3Table3 第一批试验fcu的概率分布假设检验（χ法）Hypothesistestingofprobabilitydistributioninthefirstgroupforfcu（χ2way）组别
分布检验置信水平χ2检验临界值正态分布检验Weibull分布检验 一0．0120．1接受拒绝
二0．0116．8接受拒绝 三0．0111．34接受接受 四0．0123．2接受拒绝 五0．019．2拒绝拒绝 六0．0126．2接受接收 0#1#配比编号
粉煤灰水胶比水灰比替代率0%10%25% W/B0．420．420．42 W/C0．420．470．56 水150150150 水泥粉煤灰砂子骨料减水剂357321268 03689 814814814 10793．5710793．5710793．57 2 表4第二批统计试验的混凝土理论配合比 Table4Theoreticalconcretemixratiosofthesecondgroup 特征参数
理论配合比（kg/m3）
图4为第一批试验6组fcu累积密度实测值及正态概率密度曲线的比较。图5为根据实测平均值和均方差得到的各组正态概率及概率密度曲线。很明显的结论是：①随着混凝土强度的提高，强度离散性有六组的强度是6组中加大的趋势；②水灰比最小的一、最高的；③轻骨料和普通骨料混凝土在统计特征方面没有系统区别。1．2第二批强度统计试验
采用标准方法制作及养护，立方体试件边长分别 水泥采用为100mm和150mm。粉煤灰采用Ⅱ级，PO42．5级，碎石骨料最大粒径为25mm，粉煤灰替代 10%和25%，水泥率分别取0、混凝土配合比见表4。
2# 这批试验配合比的设计特点是在胶凝材料总量、水胶比以及其他配制材料用量不变的情况下，考察粉煤灰替代水泥率对混凝土强度统计特性的影响。考虑到粉煤灰混凝土强度硬化的特点，有5组的试验龄 1组采用365d。立方抗压强度fcu的统计期采用90d，参数试验结果以及概率分布检验结果见表5，概率分布试验结果见图6。试验结论有：
（1）正态分布和Weibull分布均可以较好地反映fcu的概率分布特征。·62· 表5 Table5 第二批fcu统计试验基本情况
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拒绝7．5接受 2#90 土木工程学报2011年
Overviewofthesecondstatisticaltestsgroupforfcu 2#365 1503354．24．350．081．00．0117．17．2接受251拒绝
0．0118．58．16接受9．0接受1003258．62．010．03（4）1年龄期（365d）时，强度试验统计离散性明显下降。90d龄期的试验数据中，粉煤灰替代率为10%的1#试验强度离散系数最小。
（5）对比表5和表2两批试验数据可以看出，本试验混凝土强度统计离散系数随强度提高而略有提高。
图7为第二批统计试验的立方抗压强度直方图与 图8为第二批统计试验的立方抗压强理论曲线比较，图9为根据度累积概率分布与正态概率分布的比较，各组统计平均值以及均方差得到的正态概率的密度
曲线以及累积概率曲线的比较。可以看出除部分试验反映出尺寸越大离散性越大的特点外，大部分试验结果没有反映出尺寸与试验离散型的确定关系。Weibull密度分布在右尾端与试验数据拟合不好，累积概率收敛快（图7）。1．3
第三批强度统计试验
第三批试验主要考察了粉煤灰掺量以及纤维对混凝土强度统计特性的影响。混凝土由北京瑞博商混站提供，骨料最大粒径为25mm，粉煤灰为I级灰。纤维为聚丙烯纤维，混凝土配合比见表6。配合比特
改变粉煤灰用量。征仍然是保持其他变量基本不变，为考察粉煤灰的影响，主要试验龄期选为56d，其中，一组的龄期为200d。构件制作于12月份，由于室内场
配合比编号试验龄期（d）截面边长（mm）每组试件数fcu实测平均值（MPa）
均方差（MPa）离散系数强度系数fcu100/fcu150分布检验置信水平χ2检验临界值
χ2统计量 正态假设检验
检验结果χ2统计量检验结果
14．0513．394．43接受6．9接受 接受7．7接受 接受3．1接受 Weibull检验 图6Fig．6 第二批试验fcu累积概率分布实测值与理论值比较Comparisonofmeasuredvaluesandtheoreticalvaluesofcumulativeprobabilitydistribution inthesecondgroupforfcu（2）χ2检验结果表明，正态分布假设和Weibull分各有1组被拒绝。布假设各有5组被接受，（3）90d龄期时，粉煤灰替代水泥率为10%的1#系列强度平均值最大；而替代率为25%的2#系列强度
分别低于不同尺寸无粉煤灰的普通混凝土（0#）。图7Fig．7 第二批试验fcu概率密度实测值与理论值比较Comparisonofmeasuredvaluesandtheoreticalvaluesofprobabilitydensitydistribution inthesecondgroupforfcu 第44卷增刊何淅淅等·粉煤灰混凝土强度统计特性的试验研究 表7 第三批统计试验fts的基本情况 Basicinformationofthe ·63
·
Table7 thirdstatisticaltestgroupforfts 配合比编号龄期（d）截面边长（mm）试件数量强度平均值（MPa）均方差（MPa）离散系数强度系数fts100/fts150分布检验置信水平χ2检验临界值正态分布检验Weibull分布检验 0．0123．2接受拒绝 0．0116．8接受拒绝
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接受拒绝2-F#56150291．320．380．29 2-F#56100632．280．760．331．730．0127．7接受接受 表8 Table8 第三批统计试验fcu的基本情况 4# 2#56 1503536．83．760．10 1006234．22．670．080．93 0．0118．5接受接受 0．0124．7接受拒绝
0．0120．1接受拒绝1502722．93．490．15 1006422．64．210．190．990．0121．7接受拒绝 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
配合比编号龄期（d）截面边长（mm）试件数量
地限制，试件均采用室外制作、振捣棒振捣、盖棉被养护。试验点值与理论曲线比较见图10～图13。试验得出的主要结论有：
（1）无论是劈裂抗拉强度还是立方抗压强度，概 率分布的χ检验结果均有正态分布假设成立的结论，而Weibull分布各有3组不接受。第三批试验也反映
强度平均值（MPa）均方差（MPa）离散系数强度系数fcui/fcu150分布检验置信水平χ2检验临界值正态分布检验Weibull分布检验
出Weibull概率密度曲线的右尾与试验数据拟合不好的结果。
（2）第三批试验数据离散系数明显高于第一和第二批。这主要与混凝土为商混站供应、冬季室外养护不确定性增加有关。其中粉煤灰替代率为20%的2#系列，强度离散系数最高；而粉煤灰替代水泥率为40%的4#，离散系数最低。表6 第三批统计试验的混凝土理论配合比 Theoreticalconcretemixratiosof Table6 thethirdgroupconcreteforstatisticaltests 重要参数
配合比编号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 粉煤减水聚丙烯灰080 剂3333 0．9纤维
理论配合比（kg/m3）图10Fig．10 第三批试验fcu的累积概率实测值与正态分布理论值的比较
Comparisonofmeasuredvaluesofcumulative ***52106 probabilityandcumulativeprobabilitydistributionfunctionofnormaldistributioninthethirdgroupforfcu
·64·土木工程学报2011
年
2#配合比，均出现fcu的统计平均值随尺寸加大而提高 的现象。图14为强度统计平均值相对强度系数
。图14 Fig．14第二批试验fcu统计强度尺寸效应
Sizeeffectsofthestatisticalstrength fcuinthesecondgroup 第三批试验中，龄期56d的混凝土劈裂抗拉强度
随尺寸增加而降低；但立方抗压强度fcu则是一组随尺 寸增加而下降，另两组随尺寸增加呈现小幅上升（图 15）。也就是说，抗拉强度与抗压强度与尺寸的依赖 关系有所不同。
图15 Fig．15第三批试验统计强度尺寸效应
inthethirdgroupSizeeffectsofthestatisticalstrengthfcu 3结论
（1）当代混凝土强度尺寸效应
本文统计试验表明，在矿物细粉作为混凝土必要（3）和前面得出的结论一样，尺寸对立方抗压强 度离散性的影响不明显，离散系数总体趋势为随强度 提高而加大。
（4）劈裂抗拉强度随尺寸减小而提高，离散性加
大。这和立方抗压强度表现出的规律有所不同。组分的当代混凝土工程中，混凝土的力学性质与传统无矿物掺合料的混凝土相比发生一定变化。第二批和第三批不同尺寸的立方抗压强度以及劈裂强度统计试验表明，混凝土拉、压强度统计平均值与尺寸的依赖关系呈现不同变化规律。抗压强度中出现强度不随尺寸增加而降低的现象，而抗拉强度表现为随尺 寸增加而降低。
分析原因，笔者认为粉煤灰等矿物掺合料改善了 混凝土原有的粗骨料与基材的薄弱界面，因此原有的 基于混凝土界面开裂而诱发破坏的受压破坏机理值
得重新审视。而受拉破坏在破坏机理上与受压的不2统计强度平均值的尺寸效应第二批试验90d龄期的立方抗压强度试验结果表无论是无粉煤灰的0#还是粉煤灰替代率为25%的明，第44卷增刊何淅淅等·粉煤灰混凝土强度统计特性的试验研究·65·
同在于不存在与混凝土界面强度的直接依赖关系。事实上，粉煤灰等矿物掺合料改善了混凝土细观结构，混凝土的致密性增加，均匀性得到改善，骨料界面应力集中得到缓解，故而传统混凝土的脆性得到改善是必然的，因此与材料脆性关联 的强度尺寸效应可能呈现减弱的趋势。无粉煤灰的0#系列也出现与以往不同的尺寸效应（图14），这应该和当代水泥组分中矿
无论是否以粉煤灰替代部粉的添加有关。也就是说，分水泥，当代混凝土中均存在一定比例的矿物超细
粉，由此带来的混凝土力学机理方面的改变也正是高性能混凝土与传统混凝土在力学性质改善方面需要更多研究关注的方面。
随着近期对各类高性能混凝土尺寸效应的研究，越来越多的出现这种强度与尺寸不同关联性的报道。2］文献［研究了纤维、试件尺寸、骨料性质对高强混凝土圆柱劈裂强度的影响，试验结果表明，硅灰陶粒轻骨料（LTGP）混凝土在试件边长从100mm变到200mm时，以及硅灰石灰石骨料混凝土（LSP）圆柱在直径从76mm变到150mm时，尺寸越大劈裂强度越低，这与
3］本试验结果相同。文献［对硅灰高强轻骨料混凝土的研究表明，当硅灰替代水泥率在10%～15%时，抗
折强度与抗压强度尺寸效应出现背离的情况。文献［4］研究了ECC板和梁的弯曲性能。结果表明随尺寸ECC板和梁表现出随试件厚度增加，变化，抗折强度先提高后降低的特性。
（2）三个系列的试验在混凝土材料强度的变异性 而一般与尺寸变化的关联性方面并未得到明确结果，［5］
认为尺寸越大变异性越低。这可能与本文试验100mm边长试件的数量高于150mm边长试件的数量
好导致分布假设检验有部分不通过。这个结果可能
Weibull和需要剔除不合理试验点值有关。总体来看，累计概率cdf以及概率密度分布pdf与试验结果还是
有很好的拟合性。目前，鉴于在尺寸效应理论方面认识的局限性，对Weibull理论仍需加以大量试验验证。
（5）在随机性尺寸效应理论中，Weibull材料模量m是与尺寸效应直接关联的重要参数，该参数在数学因此需要通过强上与材料变异性近似成反比（式3），度统计试验加以分析。现有的研究普遍存在样本数 ［6］
量偏低的情况，根据ACI318的建议，当样本数量低于30时，得到的统计均方差须乘以相应的放大系数。
Weibull模量在尺寸效应解释中的重要意义，以及基于概率理论的当代混凝土结构设计方法，对混凝土强度
更具有混的统计分析不仅具有质量控制方面的意义，凝土力学以及结构安全性方面的重要意义。而这方
面的研究需要加大样本数量以降低试验的不确定性。（6）通过统计试验确定材料变异系数进而确定材料参数m是Weibull尺寸效应理论的基础，因而准确评测变异系数十分重要。样本数量、样本尺寸、样本强度级别、混凝土组分均对统计离散性有影响。同时在进行数据统计分析时如何剔除不合理数据也是需要考虑的问题。参考文献
［1］KellyA，MacMillanNH．StrongSolids［M］．3rded． Oxford：OxfordUniversityPress，1986 ［2］BalendranRV，ZhouFP．Influenceofsteelfibreson strengthandductilityofnormalandlightweighthighstrengthconcrete［J］．BuildingandEnvironment，2002，（37）：1361-1367 ［3］KatkhudaH，HanaynehB．Influenceofsilicafumeonhigh strengthlightweightconcrete［J］．WorldAcademyofScience，EngineeringandTechnology，2009，58：781-788［4］KuniedaM．SizeeffectsonflexuralfailurebehaviorofECC members［D］．GifuUniversity，2003 ［5］西德尼·明德斯，J．费朗西斯·杨．混凝土［M］．戴维 ·达尔文，2005译．北京：化学工业出版社，［6］
ACI318-05Buildingcoderequirementsforstructuralconcreteandcommentary［S］．ACICommittee，2005 有关，统计学原理证明，统计变异性随样本数量增加
而下降。而且，拉、压强度的变异系数变化规律有所试验结果表明随尺寸增加，劈裂强度的变异性不同，下降。
（3）粉煤灰对统计特征的影响不明显，鉴于篇幅粉煤灰对统计变异性的影响将另文讨论。限制，（4）正态概率分布可以较好的描述混凝土强度统计特性。Weibull分布在概率密度曲线右尾端拟合不），何淅淅（1961-女，硕士，教授。主要从事高性能混凝土力学性能、混凝土节能砌块砌体力学性能等研究。），郑学成（1983-男，硕士研究生。主要从事结构工程研究。），林社勇（1983-男，硕士研究生。主要从事结构工程研究。
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