粉煤灰、爐渣對混凝土抗壓強度和吸水率的影響

王寧，安巧霞*，管裕，王柯，王艷虎

（1塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

（2塔里木大學南疆巖土工程研究中心，新疆 阿拉爾 843300）

我國電廠每年都會產生大量的粉煤灰、爐渣等工業廢渣，將這些廢渣用作混凝土材料，是實現工業廢渣綜合利用的有效途徑之一。這不僅解決了廢渣堆放占用土地、破壞土壤結構和污染環境等問題［1-2］，還節省了制備混凝土的原材料，同時提高工業廢料的利用率［1］。眾多學者就粉煤灰、爐渣在混凝土中的應用進行了一系列研究，也取得了一定的成果。張濤等［3］通過對爐渣化學成分、物理特性以及爐渣混凝土抗壓強度、彈性模量、毒性特征瀝濾方法等測試結果進行分析，發現爐渣替代天然粗集料不宜超過50%。楊雷等［4］研究了粉煤灰對爐渣噴射混凝土性能的影響，發現粉煤灰摻量為10%時最有利于爐渣混凝土強度的發展。李建文等［5］研究了粉煤灰摻量對高鈦型高爐渣無砂混凝土抗壓強度的發展規律，結果表明：當摻量為20%時最利于混凝土強度的發展。張濤等［6］、王山山［7］為了提高爐渣的資源利用率，通過試驗研究了粉煤灰對爐渣混凝土工作性能和抗壓強度的影響，并探討了其影響機理。李樹山等［8］探討了粗骨料粒徑、水灰比和齡期對混凝土抗壓強度的影響。吳錦光［9］研究碎石粒徑對C80高強混凝土拌合性能、力學性能及耐久性能的影響。但是，目前對爐渣替代粗骨料多集中在垃圾焚燒后的爐渣，燃煤爐渣多以研磨后替代部分水泥居多，而燃煤爐渣替代粗骨料及考慮其與粉煤灰在混凝土中協同作用以制備中等強度混凝土制品的研究比較少。粉煤灰、爐渣協同作用于混凝土中能夠節約資源、提高工業廢渣利用率，對比單一摻合料更有利于混凝土性能的改善。

查閱相關文獻發現，粉煤灰作膠凝材料時，其替代率較佳為10%～20%［4-5］，爐渣作粗骨料替代率較佳為50%以內［3］。本研究以新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市盛源熱電有限責任公司的粉煤灰和燃煤爐渣作為摻合料，研究粉煤灰替代部分水泥（替代率分別為0%、5%、10%、15%、20%），爐渣替代部分粗骨料（替代率分別為0%、3%、5%、8%、10%），及骨料粒徑（5～20 mm、5～25 mm、5～31 mm、5～40 mm）對混凝土抗壓強度和吸水率的影響，在滿足混凝土設計強度要求下，進一步提高工業廢渣利用率，來確定本研究中粉煤灰、爐渣的最佳替代率及最佳骨料粒徑。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗選用新疆青松化工集團股份有限公司生產的青松牌P·O 42.5級水泥，各項性能指標見表1，粗骨料粒徑為5～20 mm、5～25 mm、5～31 mm、5～40 mm連續級配，物理性能詳見表2。細度模數為2.66的水洗中砂，含水率1.8%，表觀密度為2 625 kg/m3，堆積密度為1 556 kg/m3，空隙率為40.72%。二級粉煤灰（阿拉爾市盛源熱電有限責任公司）表觀密度為1 690 kg/m3，爐渣（阿拉爾市盛源熱電有限責任公司）表觀密度為1 273 kg/m3，堆積密度為461.5 kg/m3，吸水率為25.61%，空隙率為63.75%，壓碎指標為46.3%，其化學成分見表3，石子、爐渣篩分結果見表4，燃煤爐渣外貌形態如圖1所示；聚羧酸早強型高效減水劑（湖南中巖建材科技有限公司）減水率為30%，固含量為53.6%；拌和用水選用新疆生產建設兵團第一師阿拉爾市政供應的自來水。

圖1 燃煤爐渣外貌形態

表1 水泥各項性能指標

表2 不同粒徑粗骨料的物理指標

表3 粉煤灰、爐渣化學成分 %

表4 石子、爐渣篩分結果

2 混凝土配合比設計及試驗方法

本研究以民用建筑常用的C30混凝土作為基準混凝土，參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》[10]，對混凝土進行配合比設計，水灰比取0.7，混凝土基準配合比設計如表5。

表5 混凝土基準配合比設計

采用單因素試驗法，在粉煤灰替代水泥，質量替代率為15%時，燃煤爐渣替代粗骨料，質量替代率分別為0%、3%、5%、8%、10%，研究燃煤爐渣替代率對不同齡期混凝土抗壓強度和吸水率的影響，確定燃煤爐渣最佳替代率。基于以上燃煤爐渣最佳替代率，用粉煤灰替代水泥，質量替代率分別為0%、5%、10%、15%、20%，研究粉煤灰替代率對不同齡期混凝土抗壓強度和吸水率的影響，確定粉煤灰最佳替代率。在粉煤灰及燃煤爐渣最佳替代率下，研究骨料粒徑（5～20 mm、5～25 mm、5～31 mm、5～40 mm）對不同齡期混凝土抗壓強度和吸水率的影響，確定最佳骨料粒徑。

試配混凝土拌合物性能采用GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》［11］進行測定。采用150 mm×150 mm×150 mm試模成型試件，經標準養護后，混凝土的抗壓強度、吸水率指標參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》［12］的規定進行。

3 試驗結果與分析

3.1 爐渣替代率對混凝土抗壓強度和吸水率的影響

爐渣替代率對混凝土抗壓強度、吸水率的影響如圖2～3所示。當粉煤灰替代率一定時（15%），混凝土3 d、7 d抗壓強度隨著爐渣替代率的增大呈現下降-上升-下降的趨勢；28 d的抗壓強度則呈現逐步下降的趨勢，在爐渣替代率為10%時28 d抗壓強度下降至最小，為24.86 MPa；爐渣替代率為0%、3%、5%、8%時28 d抗壓強度分別為31.53 MPa、31.45 MPa、31.01 MPa、28.3 MPa。在滿足強度設計要求下，考慮到爐渣的利用率，所以確定爐渣最佳替代率為5%；且隨著爐渣替代率的增大混凝土吸水率逐漸增大，到爐渣替代率為8%時吸水率逐漸減小。這可能是爐渣表面粗糙、形狀不規則、結構疏松多孔具有較強的吸水性，不利于混凝土的強度發展，但粉煤灰本身對混凝土具有改性作用，能節約用水、改善混凝土和易性、抑制混凝土泌水、降低混凝土水化熱，在一定程度上能提高混凝土的抗壓強度［13］。隨著爐渣替代率的逐漸增大，爐渣在混凝土發展中占據主要影響因素，因此隨爐渣替代率的增大其抗壓強度、吸水率整體呈現先升后降趨勢。

圖2 爐渣替代率對混凝土抗壓強度的影響

圖3 爐渣替代率對混凝土吸水率的影響

3.2 粉煤灰替代率對混凝土抗壓強度和吸水率的影響

粉煤灰替代率對混凝土抗壓強度、吸水率的影響如圖4～5所示。當爐渣替代率一定時（5%），混凝土3 d、7 d、28 d抗壓強度隨粉煤灰替代率的增加均呈現“M”型的變化趨勢，在粉煤灰替代率為0%時28 d抗壓強度最小，為25.47 MPa，粉煤灰替代率5%時28 d抗壓強度最大，為31.84 MPa；粉煤灰替代率在0%～5%時混凝土吸水率增大，而后隨著粉煤灰替代率的增大混凝土吸水率逐漸減小。這可能是由于爐渣表面粗糙、形狀不規則、結構疏松多孔具有較強的吸水性，不利于混凝土的強度發展造成混凝土在粉煤灰替代率3%時抗壓強度下降。但粉煤灰對混凝土具有改性作用，能節約用水、改善混凝土和易性、抑制混凝土泌水［13］，其顆粒穩定表面致密，粉煤灰中的活性物質與水泥水化產物進行緩慢，隨養護時間的增加混合物中的Ca(OH)2濃度越來越大，向孔隙中不斷滲透，物料之間開始頻繁接觸生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝體［5-6］，能夠使粗骨料和水泥砂漿之間的粘結力增強，有利于混凝土強度發展。但是隨替代率的增大粉煤灰不能有效的被利用，混凝土的強度又會呈現下降趨勢［6］。復合使用粉煤灰替代水泥和爐渣替代粗骨料時，在滿足混凝土設計強度要求的前提下，盡可能提高工業廢渣利用率，因此本研究確定粉煤灰最佳替代率為15%。

圖4 粉煤灰替代率對混凝土抗壓強度的影響

圖5 粉煤灰替代率對混凝土吸水率的影響

3.3 骨料粒徑對混凝土抗壓強度和吸水率的影響

粉煤灰替代率為15%、爐渣替代率為5%時不同骨料粒徑對混凝土抗壓強度、吸水率的影響如圖6所示。混凝土3 d、28 d抗壓強度隨著骨料粒徑的增大呈現先下降后上升再下降的趨勢，7 d抗壓強度則隨著骨料粒徑的增大先減小后增大，吸水率則隨骨料粒徑增大而增大。這可能是因為隨著骨料粒徑的增大，骨料與水泥砂漿的粘結面積會減小，在骨料界面過渡區的Ca(OH)2晶體的定向排列程度增大，使得界面結構降低。而且混凝土內部粗骨料之間、爐渣內部出現較多孔隙［14］。另外在振搗過程中能改善粗骨料的均勻性，粗骨料的有害氣孔減少且周圍的水膜層變薄［8］。故混凝土抗壓強度得到一定的提高且其吸水率隨骨料粒徑的增大而增大。粒徑在不超過20 mm時混凝土28 d抗壓強度較大，能達到33.62 MPa。

圖6 骨料粒徑對混凝土抗壓強度、吸水率的影響

4 結論

通過試驗可以得出以下結論：

1）當粉煤灰替代率一定時（15%），爐渣替代率10%時混凝土的28 d抗壓強度較小，為24.86 MPa；爐渣替代率0%時混凝土的28 d抗壓強度最大，為31.53 MPa；其吸水率則隨著爐渣替代率的增大呈現先增大后減小的趨勢。當爐渣替代率一定時（5%），粉煤灰替代率0%時28 d抗壓強度最小，為25.47 MPa；粉煤灰替代率為5%時28 d抗壓強度最大，為31.84 MPa；其吸水率則隨粉煤灰替代率的增大呈現先上升后下降的趨勢。

2）從混凝土28 d抗壓強度、工業廢渣利用率兩方面綜合考慮確定最佳替代率，即為粉煤灰替代15%水泥、爐渣替代5%粗骨料，其混凝土28 d抗壓強度為31.01MPa。

3）在粉煤灰替代15%水泥、爐渣替代5%粗骨料時，混凝土的抗壓強度隨骨料粒徑的增大而減小，其吸水率則呈上升趨勢，在粉煤灰替代15%的水泥、爐渣替代5%的粗骨料時，且骨料粒徑不超過20 mm時，混凝土28 d抗壓強度達到33.62 MPa，能滿足強度為C30的混凝土強度要求。