固硫灰復合礦物摻合料在混凝土中的應用研究★

高 燕 王 巖 呂淑珍

(1.四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000； 2.西南科技大學材料學院，四川 綿陽 621010)

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固硫灰復合礦物摻合料在混凝土中的應用研究★

高 燕1王 巖1呂淑珍2

(1.四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000； 2.西南科技大學材料學院，四川 綿陽 621010)

將固硫灰、粉煤灰、礦粉制備的復合礦物摻合料應用于混凝土中，測試混凝土的工作性能、抗壓強度和耐久性能，結果表明：固硫灰復合礦物摻合料摻入到混凝土中，可改善混凝土的坍落度，其強度也優于單摻礦物摻合料的混凝土強度，幾乎接近純水泥混凝土強度；其還可改善混凝土的干縮性能和抗硫酸鹽侵蝕性，但降低了混凝土的抗凍和抗碳化性能。

固硫灰，復合礦物摻合料，混凝土，減水劑

0 引言

隨著基礎建設和建筑工程蓬勃發展，混凝土攪拌站等企業對礦物摻合料的需求量越來越高，而作為主要的礦物摻合料,礦粉和粉煤灰價格日異昂貴，探索其他固體廢棄物部分代替現有的一些礦物摻合料成為必要。

固硫灰作為循環流化床燃煤燃燒固硫后所產生的廢渣，每年排放量約0.8億t～1.5億t，具有一定的火山灰活性，可考慮作為礦物摻合料使用，但其疏松多孔的結構和較高的SO3、游離氧化鈣含量，降低了摻合料的流動度和活性[1]，從而限制其應用。

針對現有的摻合料應用現狀和固硫灰的特性，本文考慮將固硫灰、粉煤灰、礦粉制備復合礦物摻合料(固硫灰∶粉煤灰∶礦粉=3∶6∶1)，達到充分利用各組分的優良性能，產生超疊加效應(即l+2≥3)，克服單一組分的性能缺陷，并測試混凝土的工作性能、抗壓強度和耐久性能。

1 試驗

1.1 原材料

1)水泥：普通硅酸鹽水泥P.O42.5R，其主要化學成分如表1所示。

表1 原料的化學成分

2)礦物摻合料：主要化學成分見表1。固硫灰：主要由a-石英,Ⅱ-CaSO4,游離CaO,CaCO3和赤鐵礦等礦物組成，其X衍射圖譜見圖1,微觀形貌見圖2；粉煤灰：為Ⅰ級粉煤灰；礦粉：為S75級礦粉。

3)粗骨料：碎石，連續級配5 mm～31.5 mm；

4)細骨料：河砂，2區中砂；

5)減水劑：KS-JS50M型聚羧酸系減水劑，固含量49.2%，減水率28.0%；

6)水：自來水。

1.2 試驗方法

1)混凝土拌合物性能試驗方法：混凝土的成型及拌合物性能(表觀密度、坍落度、粘聚性、保水性)測試主要參照GB/T 50080—2016。

2)混凝土抗壓強度測試方法：混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗壓強度加載速度0.5 MPa/s，具體操作參照GB/T 50081—2002。

3)混凝土耐久性能試驗方法：主要測試混凝土的抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕、抗干縮、抗凍融循環性能，參照GB/T 50052—2009。

2 試驗

配制混凝土強度等級為C30，礦物摻合料占膠凝材料的30%，坍落度為(200±20) mm。混凝土的配合比根據JGJ 55—2011計算，得到各原材料的用量如表2所示。

表2 混凝土配合比

2.1 混凝土的工作性能

根據表2的混凝土配合比，測試新拌混凝土的工作性能，結果如表3所示。由于固硫灰疏松多孔的結構造成混凝土坍落度大幅度降低；粉煤灰、礦粉的摻入可改善混凝土的流動性，坍落度增大；當固硫灰與礦粉、粉煤灰混合時，混凝土坍落度仍有所改善，故在實際生產中可考慮制備復合礦物摻合料使用。

表3 新拌混凝土的工作性能

2.2 混凝土的抗壓強度

混凝土的抗壓強度見表4。從表4中可以看到，混凝土28 d強度均高于30 MPa，達到設計要求。固硫灰復合礦物摻合料摻入混凝土中，其強度明顯高于單摻的混凝土強度，尤其是早期強度，且該混凝土強度幾乎接近純水泥的混凝土強度，因此固硫灰與粉煤灰、礦粉混合，制備復合礦物摻合料是可行的。

此外還可以看到，單摻礦物摻合料的混凝土強度大小順序為：礦粉>固硫灰>粉煤灰，隨著齡期的增長，混凝土強度逐漸增大，到90 d以后，固硫灰和礦粉的強度增長緩慢，水化基本完成，而粉煤灰仍有較大幅度增長。這也說明固硫灰作為混凝土摻合料，并不會影響混凝土的后期強度，而粉煤灰早期水化較緩慢，后期仍然存在水化。

表4 混凝土的抗壓強度

2.3 混凝土的耐久性能

2.3.1 抗凍試驗

表5 混凝土的抗凍性能

采用慢凍法，凍融循環25次以后，測試混凝土的性能，其測試結果如表5所示。從表5中可以看到，混凝土的質量損失率均較小，其中G組混凝土的質量是增大的，這可能是在凍融循環的過程中，結冰的水體積膨脹，滲透到固硫灰的細孔中，而水融化后又來不及析出，故混凝土質量增大，這同時也造成了該組混凝土的強度損失率較大；此外摻合料的摻入，混凝土早期水化相對緩慢，強度較低(如表4所示)，也造成混凝土的抗凍性降低，使得強度損失率增大。固硫灰復合礦物摻合料摻入混凝土，較單摻固硫灰降低了強度損失率，但與純水泥混凝土相比，強度損失率仍然較大。

2.3.2 抗硫酸鹽侵蝕試驗

Na2SO4·H2O+Ca(OH)2=CaSO4·2H2O+2NaOH+8H2O

3(CaSO4·2H2O)+4CaO·Al2O3·12H2O+14H2O=

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(AFt)+Ca(OH)2

混凝土中摻入礦物摻合料以后，體系中液相的堿度降低，生成的鈣礬石，不產生有害的膨脹，強度反而增大，尤其是摻入粉煤灰效果最明顯，其次是固硫灰，相應摻固硫灰復合礦物摻合料的混凝土抗硫酸鹽侵蝕性也較好。

表6 混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能

2.3.3 碳化試驗

混凝土碳化試驗采用室外環境自然碳化，其碳化結果如表7所示。從表7中數據可以看到，在自然環境中，混凝土的碳化深度較小，且隨著齡期增長，碳化深度逐漸加深。此外據有關文獻研究，混凝土的抗碳化能力主要取決于混凝土中的Ca(OH)2含量和混凝土的孔隙結構[4]，由于礦物摻合料摻入水泥后，早期水化相對緩慢，使得初始水化相的孔隙率增大、大孔含量增多，使得CO2更容易與體系中的Ca(OH)2反應，尤其固硫灰具有疏松多孔的結構，其碳化更嚴重。礦粉因早期水化，相對較固硫灰和粉煤灰快，故其碳化深度較它們小。固硫灰、礦粉、粉煤灰混合后，其復合礦物摻合料的抗碳化性能較單摻固硫灰有所改善。

表7 混凝土的碳化性能

2.3.4 收縮試驗

采用接觸法，在混凝土臥式收縮儀上測試混凝土的收縮值，混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×515 mm的棱柱體，其測試結果見表8。根據表8中的數據，作混凝土收縮率隨齡期增長的變化圖，如圖3所示。

表8 混凝土的收縮性能

混凝土的收縮，主要是干燥收縮，而干縮本質上是水化相的干燥收縮，骨料及未水化膠材起到約束收縮的作用。水化相的干燥收縮主要是由層間水的喪失、凝膠體表面能的變化、劈張力和毛細管張力等因素造成的[5,6]。對于在自然環境下(相對濕度大于40%)，收縮的主要原因是水化相孔隙失水導致的劈張力、毛細管張力變化[7]。因此一定齡期下，水化相的微觀孔隙結構及數量決定了混凝土收縮的大小。

水化相的微觀孔隙結構對混凝土干燥收縮具有雙重影響。依據毛細管張力理論，微細孔徑的水化相失水，混凝土的收縮大[8]，與此同時，微細孔隙的連通性降低，使得濕擴散阻力增大，這又有利于減小混凝土的收縮[9]；同樣，粗大孔隙的水化相失水時，混凝土的收縮小，但粗大孔隙也加快了失水速度，這又有增大混凝土收縮的趨勢。因此，混凝土的最終收縮取決于水化相孔隙結構的雙重影響中何種因素占主導作用[10]。

粉煤灰摻入混凝土中，由于粉煤灰活性低，反應慢，微集料效應有限，從而使初始水化相的孔隙率增大、大孔含量高[11]，此時大孔失水減小了混凝土的收縮，故可從圖3中看到粉煤灰的收縮率最小。

礦粉摻入混凝土中，因礦粉的早期水化較水泥慢，且無粉煤灰的微集料效應，從而使得初始水化相的孔隙率增大、大孔含量較粉煤灰高，此時粗大孔隙失水減小了混凝土的收縮，使得摻入礦粉的混凝土收縮率最小；后期隨礦粉的水化反應，水化相的孔隙率趨于降低，但其水化相的孔隙率仍較高[12-14]，此時粗大孔隙加快失水速度，增大了混凝土收縮，因此后期摻入礦粉的混凝土收縮率大于粉煤灰的收縮率，但仍小于水泥的收縮率。

固硫灰由于具有疏松多孔的結構，使得混凝土結構中的孔隙率相對較大，則加快了混凝土的失水速度，另一方面，粗大的孔隙失水時收縮小，故摻入固硫灰的混凝土收縮率較水泥小，但比粉煤灰和礦粉大。

綜合上述分析，因此可從圖3中看到，摻入礦物摻合料以后，混凝土的收縮均小于純水泥混凝土的收縮。且固硫灰、粉煤灰、礦粉混合后，復合礦物摻合料的收縮率較單摻固硫灰有所改善。

3 結語

1)固硫灰、粉煤灰、礦粉混合制備的復合礦物摻合料摻入到混凝土中，可改善混凝土的坍落度，較單摻固硫灰的混凝土坍落度大幅度提高。

2)固硫灰復合礦物摻合料摻入到混凝土中，強度優于單摻礦物摻合料的混凝土強度，幾乎接近純水泥的混凝土強度。

3)固硫灰復合礦物摻合料摻入到混凝土中，可改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性和抗干縮性能，但降低了混凝土的抗凍和抗碳化性能。綜合上述三點結論，固硫灰復合礦物摻合料可應用于混凝土中使用，但應注意混凝土的使用環境。

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Application research of CFBC fly ash compound mineral admixture in concrete★

Gao Yan1Wang Yan1Lv Shuzhen2

(1.Sichuan College of Architectural Technology, Deyang 618000, China; 2.School of Materials Science and Engineering, Southwest University Science of Technology, Mianyang 621010, China)

Compound mineral admixture prepared by CFBC fly ash, fly ash, slag powder was used in concrete. And the workability, compressive strength and durability of concrete were tested. The results showed that CFBC fly ash compound mineral admixture was mixed into concrete could improve concrete slump. Its strength was better than that of only mixing mineral admixture, to be near the strength of cement concrete; CFBC fly ash compound mineral admixture also improved the resistance to shrinkage performance and sulfate erosion resistance of concrete, but reduced the anti-freeze and melt performance, carbonation resistance performance of concrete.

CFBC fly ash, compound mineral admixture, concrete, water reducer

1009-6825(2017)16-0116-03

2017-03-06★:國家科技支撐計劃項目(2011BAA04B04)；四川建筑職業技術學院院級課題(川建院2016KJ27)

高 燕(1989- )，女，碩士，助教

TU528

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