磨細(xì)爐渣作為大體積混凝土摻合料的試驗(yàn)研究

翟祥軍，張 虹

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 研究?jī)?nèi)容

火電廠的粉煤灰、爐底渣等統(tǒng)稱為電廠灰渣。干燥的粉煤灰經(jīng)粉磨達(dá)到規(guī)定細(xì)度的產(chǎn)品稱磨細(xì)粉煤灰，再經(jīng)分選或磨細(xì)后，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)的粉煤灰用作混凝土摻合料，可改善混凝土和易性及物理力學(xué)性能，減少混凝土溫升，提高工程質(zhì)量，節(jié)約水泥，降低成本。對(duì)爐底渣和等級(jí)外的粉煤灰，由于用處不大，各火電廠建廠開始就規(guī)劃堆灰場(chǎng)堆放。目前，分選粉煤灰已經(jīng)在水電工程和工民建中得到廣泛應(yīng)用，取得了巨大成功，帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)；磨細(xì)粉煤灰也在水電工程中得到了一定程度的應(yīng)用。隨著綠色環(huán)保理念地提升，一方面，粉煤灰資源萎縮，另一方面，火電廠堆灰場(chǎng)的電廠爐渣占用大量土地，造成環(huán)境污染，耗費(fèi)維護(hù)成本，尚未開發(fā)可利用價(jià)值。因此，堆灰場(chǎng)的電廠爐渣用作大體積混凝土摻合料的可行性研究具有重要意義，如果可行，不僅可以節(jié)省工程投資，減少維護(hù)成本，還可以節(jié)約土地，有利環(huán)保。雖然工業(yè)廢渣在使用的時(shí)候需要粉磨加工，也存在能耗，但是與其帶來的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效應(yīng)相比，完全可以忽略。為此，本文從綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展、降低能耗的角度出發(fā)，試驗(yàn)研究磨細(xì)爐渣作為大體積混凝土摻合料的可行性，與粉煤灰的性能指標(biāo)對(duì)比分析，掌握磨細(xì)爐渣的化學(xué)成分、微觀形貌、物理性能；研究磨細(xì)爐渣對(duì)水泥的性能影響、與外加劑的適應(yīng)性、對(duì)硬化混凝土性能的影響等。同時(shí)將磨細(xì)爐渣與粉煤灰進(jìn)行全面的對(duì)比分析，以此來判斷磨細(xì)爐渣作為大體積混凝土摻合料的可行性。

2 設(shè)計(jì)試驗(yàn)

(1)平行檢測(cè)電廠磨細(xì)爐渣、Ⅱ級(jí)粉煤灰的化學(xué)成分。

(2)通過SEM，從微觀形貌結(jié)構(gòu)、玻璃體含量分析電廠磨細(xì)爐渣。

(3)對(duì)比分析電廠磨細(xì)爐渣、Ⅱ級(jí)粉煤灰的物理性能、活性指數(shù)。

(4)摻入30%、50%、60%電廠磨細(xì)爐渣，研究磨細(xì)爐渣對(duì)水泥各項(xiàng)性能的影響。

(5)選取三級(jí)配常態(tài)混凝土配合比，外加劑采用浙江龍游ZB-1A緩凝高效減水劑和北京國(guó)水利力鵬程(原北京利力新技術(shù)開發(fā)公司)的FS引氣劑，觀察混凝土拌和物的和易性，驗(yàn)證電廠磨細(xì)爐渣與外加劑的適應(yīng)性。

(6)選取三級(jí)配常態(tài)混凝土，分別采用電廠磨細(xì)爐渣、Ⅱ級(jí)粉煤灰作為摻合料，分別進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，了解電廠磨細(xì)爐渣對(duì)混凝土性能的影響。所用原材料：42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥；磨細(xì)電廠磨細(xì)爐渣(以下簡(jiǎn)稱“H”)、攀鋼Ⅱ級(jí)粉煤灰；ZB-1A緩凝高效減水劑和FS引氣劑復(fù)合；石灰?guī)r骨料。

表1 化學(xué)成分 %

3 試驗(yàn)研究

3.1 化學(xué)成分

攀鋼Ⅱ級(jí)粉煤灰、磨細(xì)爐渣都是來源于電廠灰渣，兩者化學(xué)成分基本一致(見表1)，僅磨細(xì)爐渣的燒失量高于Ⅱ級(jí)粉煤灰，但滿足DL/T5055—2007中對(duì)Ⅱ級(jí)灰燒失量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 形貌結(jié)構(gòu)、玻璃體含量

掃描電鏡照片見圖1。從圖1可以看出，相同細(xì)度的磨細(xì)爐渣、攀鋼Ⅱ級(jí)粉煤灰的顆粒形狀基本相同，主要由球形和不規(guī)則塊狀顆粒組成，但所含玻璃體的含量和球狀顆粒大小有所不同，但差別不大。相比較，磨細(xì)爐渣球狀顆粒稍少，不規(guī)則顆粒略多，玻璃體含量略低；粉煤灰球狀顆粒稍多，表面更光滑，玻璃體含量略高；與粉煤灰一樣，磨細(xì)爐渣具備微集料填充效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)的條件。

圖1 掃描電鏡

3.3 磨細(xì)爐渣的物理性能

磨細(xì)爐渣的含水量、需水量比、安定性、放射性均滿足DL/T5055—2007對(duì)Ⅱ級(jí)粉煤灰的技術(shù)要求，但細(xì)度略大于粉煤灰，這主要跟粉磨工藝有關(guān)，可以采取措施，將細(xì)度粉磨到規(guī)定范圍值。從細(xì)度、比表面積來看，雖然磨細(xì)爐渣的細(xì)度較大，但比表面積反而比粉煤灰還大，這說明兩者的顆粒級(jí)配、顆粒形狀不盡相同，粒度分析結(jié)果顯示，磨細(xì)爐渣的平均粒徑較粉煤灰大。在實(shí)際使用過程中，針對(duì)具體工程的實(shí)際情況，需要深入研究磨細(xì)爐渣的最優(yōu)細(xì)度，以此細(xì)度作為生產(chǎn)控制指標(biāo)。

表2 物理性能

表3 摻磨細(xì)爐渣、粉煤灰后水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度及強(qiáng)度比

3.4 摻入磨細(xì)爐渣對(duì)水泥的性能影響

摻入磨細(xì)爐渣前后水泥物理性能見表2～4，通過表2～4可知：

(1)摻入磨細(xì)爐渣、磨細(xì)爐渣后水泥膠砂流動(dòng)度及需水量比。摻入磨細(xì)爐渣后，水泥膠砂需水量比增大，摻量越大，需水量比越大；摻入磨細(xì)爐渣的水泥膠砂需水量較Ⅱ級(jí)粉煤灰大。

(2)摻入磨細(xì)爐渣后水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度比。摻入磨細(xì)爐渣后水泥膠砂抗壓強(qiáng)度比、抗折強(qiáng)度比降低，摻量越大，抗壓、抗折強(qiáng)度比越小，這與粉煤灰的規(guī)律一致。同摻量條件下，摻入磨細(xì)爐渣、粉煤灰后，水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度比基本接近，說明磨細(xì)爐渣具有活性效應(yīng)，且與Ⅱ級(jí)粉煤灰基本相當(dāng)。

(3)摻入磨細(xì)爐渣、粉煤灰后水泥水化熱。摻入磨細(xì)爐渣、攀鋼Ⅱ級(jí)灰后，水泥水化熱均降低，摻量越大，水化熱降低幅度越大。同樣摻量下，磨細(xì)爐渣降低水泥水化熱的幅度接近粉煤灰。

3.5 與外加劑的適應(yīng)性

根據(jù)適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果，判斷磨細(xì)爐渣與復(fù)合外加劑是否存在適應(yīng)性問題。復(fù)合外加劑采用浙江龍游ZB-1A緩凝高效減水劑和北京國(guó)水利力FS引氣劑復(fù)合，選取三級(jí)配常態(tài)混凝土。從常態(tài)混凝土拌和物性能來看，和易性良好，無泌水、泌漿現(xiàn)象，骨料包裹良好，無假凝現(xiàn)象?？傮w上，摻磨細(xì)爐渣、攀鋼Ⅱ級(jí)灰的混凝土拌和物和易性均較好。

3.6 對(duì)混凝土性能的影響

3.6.1 混凝土配合比

為研究磨細(xì)爐渣對(duì)混凝土力學(xué)性能、變形性能、耐久性能、熱學(xué)性能等影響，采用如表5所示的配合比，分別摻粉煤灰、磨細(xì)爐渣進(jìn)行混凝土配合比及其硬化性能平行試驗(yàn)。

3.6.2 混凝土力學(xué)性能

摻磨細(xì)爐渣的混凝土、摻攀鋼Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限拉伸值見表6、7。從表6、7可以看出，摻磨細(xì)爐渣的混凝土明顯要高些，這可能與磨細(xì)爐渣粉磨細(xì)度更細(xì)、比表面積更大有關(guān)；從強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)來看，摻粉煤灰的混凝土略高，但差別不大；從彈性模量、極限拉伸值來看，摻磨細(xì)爐渣的混凝土彈性模量略高、極限拉伸值略小?？傮w而言，摻磨細(xì)爐渣的混凝土的力學(xué)性能不比摻攀鋼Ⅱ級(jí)粉煤灰的差，還能提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

表5 混凝土配合比參數(shù)及材料用量

注：粗骨料級(jí)配比例，三級(jí)配小石∶中石∶大石=30∶30∶40。

表6 混凝土抗壓強(qiáng)度

表7 混凝土抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限拉伸

3.6.3 混凝土變形性能

對(duì)摻磨細(xì)爐渣、Ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土分別進(jìn)行了干縮、自生體積變形試驗(yàn)，研究磨細(xì)爐渣對(duì)混凝土變形性能的影響，結(jié)果見圖2、3。從混凝土干縮發(fā)展來看，60 d前干縮變形速率較快，60 d后干縮變形速率減緩，180 d后逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)，測(cè)至210 d，混凝土干縮變形已基本穩(wěn)定；60 d齡期以后，摻磨細(xì)爐渣的混凝土干縮率略小于摻粉煤灰。摻磨細(xì)爐渣、Ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土自生體積變形發(fā)展趨勢(shì)相似，摻磨細(xì)爐渣的混凝土先處于微收縮狀態(tài)，到150 d齡期以后，呈現(xiàn)微膨脹狀態(tài)；摻Ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土一直處于微膨脹，其膨脹量大于摻磨細(xì)爐渣。

圖2 混凝土干燥收縮變化趨勢(shì)線

圖3 混凝土自生體積變形曲線

3.6.4 混凝土耐久性能

混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果見表8。從表8可以看出，摻磨細(xì)爐渣、Ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土抗?jié)B等級(jí)、抗凍等級(jí)均滿足設(shè)計(jì)要求，兩種摻合料均能配制出滿足耐久性要求的大體積混凝土，兩種摻和料的混凝土耐久性基本無差別。從碳化試驗(yàn)結(jié)果來看，摻磨細(xì)爐渣的混凝土抗碳化能力略弱。

表8 混凝土耐久性

3.6.5 混凝土熱學(xué)性能

摻磨細(xì)爐渣、Ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土線膨脹系數(shù)分別為5.055×10-6、5.461×10-6/℃，在灰?guī)r骨料混凝土正常范圍內(nèi)?；炷两^熱溫升試驗(yàn)采用混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行， C9020三級(jí)配常態(tài)混凝土，摻30%磨細(xì)爐渣，28 d絕熱溫升實(shí)測(cè)值為21.67 ℃，擬合計(jì)算值為22.08 ℃，最終計(jì)算值為23.95 ℃。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，與摻Ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土最終溫升相近。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)磨細(xì)爐渣的化學(xué)成分與粉煤灰基本一致，其燒失量比粉煤灰略高，但滿足DL/T5055—2007中對(duì)Ⅱ級(jí)灰燒失量的控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2)磨細(xì)爐渣的化學(xué)組成、顆粒形狀、形貌結(jié)構(gòu)與粉煤灰基本相同，說明磨細(xì)爐渣與粉煤灰一樣，也具有一定的活性效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)。

(3)磨細(xì)爐渣作為混凝土摻和料，與目前常用的減水劑、引氣劑無不相容性現(xiàn)象。

(4)采用磨細(xì)爐渣作為摻和料，能優(yōu)化設(shè)計(jì)出滿足強(qiáng)度、耐久性要求的大體積混凝土；與摻粉煤灰的混凝土一樣，具有良好的和易性、力學(xué)性能、變形性能、耐久性能、熱學(xué)性能等。

(5)電廠磨細(xì)爐渣具有作為大體積混凝土摻和料的潛力，建議積極開發(fā)其利用價(jià)值，變廢為寶。

(6)針對(duì)具體工程的實(shí)際情況，建議深入研究磨細(xì)爐渣的最優(yōu)細(xì)度，以最優(yōu)細(xì)度作為生產(chǎn)控制指標(biāo)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。