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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第5期

高硫粉煤灰在商品混凝土中的應(yīng)用研究

張新勝，杜佩沛，張嘉琛，李明康

［摘要］高硫粉煤灰由于物化性質(zhì)不同于普通粉煤灰而利用率較低，本文研究了高硫粉煤灰替代普通粉煤灰對(duì)膠砂強(qiáng)度及膨脹率的影響規(guī)律，采用 SEM 揭示其水化機(jī)理，進(jìn)而探明了高硫粉煤灰對(duì)混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能及耐久性的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)高硫粉煤灰火山灰活性良好，配制的混凝土抗壓強(qiáng)度更高，其在水泥水化過程生成了膨脹產(chǎn)物鈣礬石，有效降低干燥收縮，并能降低混凝土孔隙率從而提高混凝土抗?jié)B透性與抗凍性能。

［關(guān)鍵詞］高硫粉煤灰；力學(xué)性能；強(qiáng)度；補(bǔ)償收縮

引言

煤炭作為我國(guó)重要的能源資源，在能源結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)期占據(jù)著主導(dǎo)地位，其常通過火電廠進(jìn)行燃煤發(fā)電而轉(zhuǎn)化為電力資源向各地輸送進(jìn)行利用。然而煤炭中均含有不定量無法充分燃燒的灰分而作為廢物排放^[1]，其中粉煤灰是煤經(jīng)鍋爐燃燒后由煙道收塵系統(tǒng)收集的粉末狀細(xì)小廢棄物^[2]。一直以來粉煤灰因其自身火山灰活性而被用作水泥混合材或混凝土摻合料從而節(jié)約水泥，并具有改變混凝土水化反應(yīng)過程、降低水化熱等作用。但隨著近年來燃煤品質(zhì)的變化、電廠技術(shù)的升級(jí)等因素，排放的粉煤灰品質(zhì)也發(fā)生了較大波動(dòng)，其中粉煤灰中SO含量的提高對(duì)水泥基材料的影響作用最顯著。SO在水泥基材料的水化過程中能夠與水泥水化產(chǎn)生的C-A-H的發(fā)生反應(yīng)生成AFt（鈣礬石）^[3]

但另一方面，混凝土作為水泥基材料的一種，其在凝結(jié)硬化的過程中，自身具有體積收縮的現(xiàn)象，這包括了水泥水化反應(yīng)過程中產(chǎn)物自身體積變化引起的收縮，干燥環(huán)境水分遷移散失引起的干燥收縮等^[4]。收縮變形是混凝土最常見的破壞形式，目前應(yīng)對(duì)措施較多是采用補(bǔ)償收縮的方法，即引入能在混凝土中產(chǎn)生微膨脹作用的材料抵消混凝土自身收縮。由此看，高硫粉煤灰的水化膨脹特性使其應(yīng)用于混凝土中具有補(bǔ)償收縮的潛力。但由于國(guó)內(nèi)電廠轉(zhuǎn)型升級(jí)起步晚，高硫粉煤灰在混凝土中實(shí)際應(yīng)用研究不足，補(bǔ)償干燥收縮的作用不明確，因此目前高硫粉煤灰應(yīng)用率低，利用缺乏理論指導(dǎo)。

原材料與試驗(yàn)方法

1.1原材料

試驗(yàn)所用水泥為·O42.5普通硅酸鹽水泥；高硫粉煤灰與普通粉煤灰取自于河南省鞏義地區(qū)不同的熱電廠，二者化學(xué)成分見表

由表可知，高硫粉煤灰的SO含量為7.6%，高于標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 15962017中的限制，且CaO含量也較普通粉煤灰高。兩種粉煤灰的物理性能對(duì)比見表

1.2配合比與試驗(yàn)方法

水化及膨脹行為測(cè)試：分別制備摻30%普通粉煤灰砂漿及不同摻量的高硫粉煤灰砂漿，具體配比如表所示。

測(cè)試7d28d抗壓強(qiáng)度以對(duì)比粉煤灰活性。成型尺寸為25mm25mm280mm、兩端加裝測(cè)頭的長(zhǎng)方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1d后拆模并置于標(biāo)養(yǎng)箱，記錄不同齡期試件長(zhǎng)度變化。同時(shí)制備小立方體膠砂試件標(biāo)養(yǎng)28d后破碎，取碎塊于無水乙醇中浸泡1d后取出置于干燥器中干燥待測(cè)。將碎塊制備成合適尺寸的樣品送至檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行SEM測(cè)試，對(duì)比觀察兩種粉煤灰的水化產(chǎn)物形貌及基體的致密度。

混凝土性能測(cè)試：在常規(guī)C30混凝土配合比基礎(chǔ)上改變高硫粉煤灰的替代比例進(jìn)行長(zhǎng)期力學(xué)性能測(cè)試，并對(duì)關(guān)鍵耐久性進(jìn)行測(cè)試，耐久性試驗(yàn)主要依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 500822009進(jìn)行，具體配合比如表所示。

結(jié)果與討論

2.1膠砂性能對(duì)比

對(duì)兩種粉煤灰及不同摻量制備的膠砂試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖所示?？梢钥闯觯嗤瑩搅繒r(shí)，高硫粉煤灰7d28d強(qiáng)度均高于普通粉煤灰，這說明高硫粉煤灰具有更高的火山灰活性，有作為輔助膠凝材料節(jié)約水泥的潛力。此外，隨著高硫粉煤灰摻量由10%提升至30%，試件抗壓強(qiáng)度有所降低，但降低幅度不大，這是因?yàn)楦吡蚍勖夯一钚暂^好，能夠與水泥水化過程中的氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，從而一定程度彌補(bǔ)水泥用量減少時(shí)強(qiáng)度的損失。

個(gè)配合比的膠砂試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下不同齡期的長(zhǎng)度變化進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表和圖所示?？梢钥闯觯?/span>組試件長(zhǎng)度變化規(guī)律具有較大的差異，采用30%摻量普通粉煤灰的膠砂試件未出現(xiàn)明顯的膨脹現(xiàn)象，3d內(nèi)收縮幅度較大，5d后趨于穩(wěn)定，28d收縮率大于其余組。這主要是由于水泥水化過程中反應(yīng)物與生成物的密度、化學(xué)鍵狀態(tài)等物理化學(xué)性質(zhì)不同而造成的體積減小現(xiàn)象。使用高硫粉煤灰的膠砂在前2d內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的膨脹，且膨脹率隨著摻量提高而增大。摻量10%的試件在小幅膨脹后又呈現(xiàn)出收縮的趨勢(shì)，摻量20%30%的試件收縮幅度較小，最終穩(wěn)定后試件長(zhǎng)度相比初始仍保持為膨脹狀態(tài)。這種現(xiàn)象說明高硫粉煤灰在水泥水化過程中改變了水化產(chǎn)物類型，產(chǎn)生了具有膨脹性的物質(zhì)，從而引起了宏觀上的體積變化。

在不同放大倍數(shù)下對(duì)30%摻量的普通粉煤灰與高硫粉煤灰膠砂試件微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖所示。圖）與（）分別是低倍下普通粉煤灰試件與高硫粉煤灰形貌，可以看出普通粉煤灰膠砂由于體積收縮，基體中產(chǎn)生了一定的裂紋，整體形貌不如高硫粉煤灰膠砂致密。圖）與（）分別是高倍下普通粉煤灰試件與高硫粉煤灰形貌，可以看出普通粉煤灰試件水化產(chǎn)物較為單一，主要為凝膠類產(chǎn)物，且一些顆粒較小的水化產(chǎn)物分散在表面與周圍連接不緊密，因而宏觀性能表現(xiàn)為強(qiáng)度較低，體積收縮。而高硫粉煤灰試件出現(xiàn)了針棒狀鈣礬石（AFt）等水化產(chǎn)物，其在形成過程中能夠引起體積膨脹，并且部分填充在空隙中，一定程度彌補(bǔ)了基體的缺陷，有利于力學(xué)性能提高與體積穩(wěn)定。

2.2混凝土力學(xué)性能

采用前述組配合比配制混凝土，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（溫度(202)℃、濕度＞95%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測(cè)定混凝土3d7d14d28d56d90d齡期的抗壓強(qiáng)度。結(jié)果如表和圖所示。

可以看出，組混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，后期均沒有出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，28d強(qiáng)度達(dá)到37MPa以上，滿足C30混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。而在同一齡期時(shí)，組摻入高硫粉煤灰的混凝土（C1C2C3）抗壓強(qiáng)度均高于普通粉煤灰混凝土（C0），這是因?yàn)楦吡蚍勖夯一鹕交一钚詢?yōu)于普通粉煤灰。此外，隨著高硫粉煤灰用量的提高，混凝土14d內(nèi)抗壓強(qiáng)度逐漸增大，說明高硫粉煤灰替代普通粉煤灰與礦粉有利于早期強(qiáng)度的提升。但28d及以后，高硫粉煤灰同時(shí)取代普通粉煤灰與礦粉組混凝土（C3）抗壓強(qiáng)度略低于單取代普通粉煤灰組混凝土（C2），這可能是因?yàn)榈V粉活性更高，被高硫粉煤灰取代后造成基體水化產(chǎn)物減少，從而對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生一定的削弱。

）干燥收縮

混凝土試件尺寸為100mm100mm400mm的長(zhǎng)方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(242)h后拆模，將各組混凝土試件置于接觸式立架測(cè)試儀上，在干燥環(huán)境下對(duì)混凝土收縮率進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。環(huán)境溫濕度條件為(202)、濕度不大于50%，測(cè)試結(jié)果如表和圖所示。

可以看出，在干燥環(huán)境下，組混凝土早期體積變化具有明顯差異，后期變化趨勢(shì)相似，90d時(shí)基本趨于穩(wěn)定。其中，普通混凝土（C0）呈現(xiàn)隨著齡期增長(zhǎng)而不斷收縮的趨勢(shì)，且收縮率增長(zhǎng)幅度逐漸減小，90d時(shí)干燥收縮率超過40010^-6。這是因?yàn)楦稍锃h(huán)境下，混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔中水分遷移蒸發(fā)而不斷損耗，并在此過程中水分表面張力作用于混凝土使其發(fā)生收縮。而隨著高硫粉煤灰用量的提升，混凝土早期膨脹率不斷提高，C3組混凝土膨脹現(xiàn)象最顯著，最大膨脹率達(dá)到8010^-6，相比較C0降低了56%，這與前述膠砂試驗(yàn)相似，也是因?yàn)楦吡蚍勖夯以谒嗨^程中生成了鈣礬石引起了體積膨脹。而同時(shí)鈣礬石填充孔隙有利于抵抗失水過程引起的收縮作用，因而使用高硫粉煤灰的混凝土最終收縮率低于普通混凝土。

）抗?jié)B透性能

主要采用混凝土吸水率、滲水高度以及抗氯離子滲透電通量法對(duì)各組混凝土抗?jié)B透性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中吸水率、滲水高度檢測(cè)齡期為28d，電通量檢測(cè)齡期為56d，具體測(cè)試結(jié)果如表所示?？梢钥闯鲭S著高硫粉煤灰用量的提高，混凝土吸水率有所減小，這說明混凝土內(nèi)部孔隙減少，自由水容納量降低，也間接反映了高硫粉煤灰水化產(chǎn)物填充孔隙的作用。而同時(shí)，滲水高度測(cè)試中高硫粉煤灰用量提高，滲水高度降低，這表現(xiàn)出高硫粉煤灰混凝土孔隙率降低后，減少了自由水遷移通道，相比普通混凝土具有更好的抗水滲透性能。此外，在電通量試驗(yàn)中也表現(xiàn)出相似的結(jié)果，這是因?yàn)楦吡蚍勖夯宜a(chǎn)物填充孔隙，減少了連通孔隙，氯離子遷移速率降低，因而抗氯離子滲透性能提高。

）抗凍性試驗(yàn)

采用快凍法對(duì)四組混凝土抗凍融循環(huán)性能進(jìn)行檢測(cè)，養(yǎng)護(hù)齡期為28d，以每50次凍融循環(huán)為一個(gè)檢測(cè)周期，對(duì)各試件相對(duì)彈性模量、質(zhì)量損失率進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表9和圖所示。圖）為質(zhì)量損失率測(cè)試結(jié)果，可以看出各組混凝土隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多，質(zhì)量損失率均逐漸增大，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)溫度反復(fù)變化過程中，混凝土孔隙中的水分不斷重復(fù)冷卻結(jié)冰—升溫融化的過程，水結(jié)冰產(chǎn)生體積膨脹并逐漸破壞周邊孔隙結(jié)構(gòu)，從而引起混凝土表面及內(nèi)部的損傷。但相同凍融循環(huán)次數(shù)下，摻入高硫粉煤灰的混凝土質(zhì)量損失率較小，且隨著摻量提高而降低。這說明高硫粉煤灰的水化產(chǎn)物填充孔隙結(jié)構(gòu)后，有效地提高了內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度，降低了混凝土吸水率的同時(shí)，減少凍脹破壞的源頭。而從圖）混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量變化可以看出，各組混凝土變化規(guī)律與質(zhì)量損失率相似，均隨著凍融循環(huán)次數(shù)增多而逐漸下降，且隨著高硫粉煤灰摻量提高，下降幅度減小，這表示摻高硫粉煤灰的混凝土在凍融環(huán)境下物理力學(xué)性能損失較小。綜合兩種測(cè)試結(jié)果，說明高硫粉煤灰能夠提高混凝土的密實(shí)度，從而提高混凝土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力。

結(jié)論

（1）相比普通粉煤灰，高硫粉煤灰具有更高的火山灰活性，標(biāo)養(yǎng)環(huán)境下高硫粉煤灰配制的膠砂在早期具有膨脹現(xiàn)象，且膨脹率隨著摻量增大而提高，28d時(shí)摻20%以上高硫粉煤灰的膠砂相對(duì)0d時(shí)仍保持膨脹狀態(tài)。

（2）高硫粉煤灰能夠參與水泥水化反應(yīng)，豐富產(chǎn)物類型，并生成了膨脹性產(chǎn)物AFt，部分填充了材料內(nèi)部孔隙、彌補(bǔ)缺陷，從而減少收縮開裂現(xiàn)象，提高了基體的密實(shí)度。

（3）使用高硫粉煤灰配制的混凝土強(qiáng)度高于普通混凝土，后期強(qiáng)度發(fā)展良好，但純高硫粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度略低于礦粉—高硫粉煤灰雙摻混凝土。

（4）高硫粉煤灰的摻入能夠降低混凝土的干燥收縮，90d收縮率相比普通混凝土最大可降低56%。此外，由于孔隙率的降低，連通孔隙減少，從而引起混凝土吸水率、滲水高度降低，并提高了混凝土抗氯離子滲透性，同時(shí)自由水減少也導(dǎo)致混凝土抗凍性能得到提高。

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供稿人：張新勝，杜佩沛等

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說明書》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團(tuán)標(biāo)

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《常見預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

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