水利工程大體積混凝土摻磨細爐渣的性能研究

侯麗新

（新民市金緣水利水建工程有限公司，遼寧 新民 110300）

0 引 言

電廠灰渣是火電廠爐底渣、粉煤灰的統稱，磨細粉煤灰是指經粉磨達到規定細度的干燥粉煤灰產品，經過磨細或分選后達到現行標準要求的粉煤灰可以改善混凝土的力學性能及其和易性，有利于控制絕熱溫升，保證工程質量，減少水泥用量，降低投資成本[1]。對于用處不大的等級外粉煤灰和爐底渣，在建廠時許多火電廠就規劃建設堆灰場地。目前，粉煤灰已廣泛應用于工民建和水利工程等領域，并取得顯著的社會經濟效益，磨細粉煤灰也取得一定的應用。然而，隨著粉煤灰資源的萎縮以及綠色環保理念的增強，加之電廠爐渣造成的環境污染、土地資源占用和維護耗費成本增大等問題，電廠爐渣的使用價值未達到充分開發[2-4]。因此，研究水利工程大體積混凝土摻電廠爐渣的可行性極具現實意義，既可以減少土地占用，更好地保護自然環境，還可以降低工程的投資和維護成本。在使用工業廢渣時雖然需要加工粉磨，也會消耗一定的能源，但相比于其產生的社會經濟效益可以忽略不計[5]。因此，文章緊緊圍繞降低能耗、可持續發展和綠色環保的原則，試驗探討水利工程大體積混凝土摻磨細爐渣的性能，通過化學成分、物理性能、微觀形態、外加劑適應性分析揭示磨細爐渣對水泥和混凝土性能的影響，并進一步對比分析粉煤灰與磨細爐渣的性能，以期為大體積混凝土摻磨細爐渣的配合比設計提供一定參考。

1 試驗研究

1.1 成分檢測

平行檢測Ⅱ級粉煤灰、磨細爐渣的化學成分檢測數據，如表1 所示，結果發現兩種摻合料化學成分相差不大，Ⅱ級粉煤灰僅有燒失量低于磨細爐渣，各性能指標符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》中的控制標準。

表1 化學成分檢測數據 %

1.2 物理性能

檢測分析Ⅱ級粉煤灰和磨細爐渣的活性指數、物理性能，如表2 所示。結果表明，磨細爐渣的細度略高于粉煤灰，通過調整磨粉工藝可以將細度控制到規定范圍，其安定性、需水量比、放射性和含水量均符合現行規范技術要求。另外，磨細爐渣的細度和比表面積均高于粉煤灰，表明兩者的顆粒形狀和級配具有明顯差異，經粒度分析發現粉煤灰的平均粒徑大于磨細爐渣。在實際生產時必須嚴格控制細度，通過試驗分析合理確定磨細爐渣最優細度[6]。

表2 物理性質測試結果

磨細爐渣的摻入在一定程度上增大了水泥膠砂需水量，并且摻量越高需水量越大，磨細爐渣相較于Ⅱ級粉煤灰的需水量略高。

1.3 微觀形態

采用SEM 掃描電鏡觀測磨細爐渣的玻璃體含量和微觀形貌結構，結果顯示細度相同的Ⅱ級粉煤灰和磨細爐渣顆粒形狀非常相似，大多為不規則塊或球形，但球狀顆粒大小和玻璃體含量存在不明顯差異[7-8]。磨細爐渣相對于Ⅱ級粉煤灰，其不規則顆粒較多而球狀顆粒、玻璃體含量偏少；粉煤灰顆粒表面光滑，球狀顆粒和玻璃體含量稍高，磨細爐渣與粉煤灰相同也具有微集料形態和填充效應。

1.4 外加劑適應性

外加劑選用DH9 型引氣劑和高效緩凝型HT-1C 減水劑，采用三級配常態混凝土配合比試驗觀測新拌混凝土的和易性，并觀測分析外加劑與磨細爐渣的適應性。結果顯示，常態混凝土拌合物無泌漿、泌水、假凝現象，骨料包裹及整體和易性良好。總體而言，磨細爐渣與外加劑之間的適應性較好。

2 結果與分析

2.1 水泥膠砂試驗

通過水泥膠砂試驗，研究探討20%、40%、60%磨細爐渣摻量對水泥性能的影響，水泥膠砂試驗數據，如表3 所示。

表3 水泥膠砂試驗數據

對比分析可知，磨細爐渣的摻入在不同程度上降低了水泥膠砂的抗壓、抗折強度比，并且摻量越高降幅越大，該變化規律與粉煤灰相同。摻量相同情況下，摻粉煤灰和磨細爐渣的水泥膠砂抗折、抗壓強度比相差不大，這表明磨細爐渣的活性效應與粉煤灰基本相同[9]，水化熱測試數據，如表4 所示。

表4 水化熱測試數據

從表4 可以看出，Ⅱ級粉煤灰和磨細爐渣會降低水泥水化熱，并且摻量越高降幅越大。摻量相同情況下，磨細爐渣的水化熱降幅與粉煤灰基本相當。

2.2 混凝土試驗

2.2.1 力學性性能

為深入探討水工混凝土性能受磨細爐渣的影響作用，原材料選用Ⅱ級粉煤灰、磨細爐渣、DH9 型引氣劑、高效緩凝型HT-1C 減水劑、海螺P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥、花崗巖骨料以及當地自來水，以三級配常態混凝土為基準合理設計配合比，試驗配合比,如表5 所示。平行檢測摻磨細爐渣和粉煤灰混凝土的極限拉伸值、彈性模量、抗壓和抗拉強度等，力學性能試驗結果，如表6 所示。

表5 試驗配合比

表6 力學性能試驗結果

試驗表明，摻磨細爐渣的B 組試件極限拉伸值、彈性模量、抗壓和抗拉強度明顯高于摻粉煤灰的A組，究其原因是磨細爐渣的比表面積更大且細度更細；摻磨細爐渣與粉煤灰的混凝土強度發展系數整體相差不大，但摻磨細爐渣的B 組略低；摻磨細爐渣的B 組試件極限拉伸值略小而彈性模量較高。因此，水工混凝土摻磨細爐渣可以在一定程度上提高抗壓強度，其力學性能略優于粉煤灰[10-11]。

2.2.2 變形性能

通過自生體積變形和干縮試驗，對比分析混凝土變形性能受Ⅱ級粉煤灰、磨細爐渣的影響，混凝土變形性能，如圖1 所示。由圖1(a)可知，60d 齡期前水工混凝土具有較快的干縮變形速率，60d 后逐漸放緩，180d 齡期時開始趨于穩定，且60d 后摻粉煤灰的A 組試件干縮率略高于摻磨細爐渣的B 組。由圖1(b)可知，兩組試件的自生體積變形表現出相同的發展趨勢，150d 齡期前摻磨細爐渣的B組試件整體呈微收縮狀態，之后逐漸表現出微膨脹狀態；研究期間，摻粉煤灰的A 組試件始終處于微膨脹狀態，并且微膨脹量明顯高于B 組。

圖1 混凝土變形性能

2.2.3 耐久性能

不同齡期的碳化深度以及不同凍融循環次數下的抗凍性試驗數據，耐久性試驗數據，如表7 所示。結果表明摻Ⅱ級粉煤灰的A 組和磨細爐渣的B 組抗凍、抗滲等級均達到設計要求，混凝土摻兩種摻合料的耐久性相差不大，均達到設計要求。結合碳化深度值，摻磨細爐渣的B 組試件碳化深度略高于摻粉煤灰的A 組，說明粉煤灰的抗碳化能力略優。

表7 耐久性試驗數據

2.2.4 熱學性能

經試驗檢測，摻Ⅱ級粉煤灰的A 組和磨細爐渣的B 組試件線膨脹系數依次為5.126×10-6/℃、5.580×10-6/℃，均未超出可控范圍。采用熱物理參數儀測定混凝土絕熱溫升值，結果顯示A 組和B 組試件28d 絕熱溫升實測值依次為21.06℃、20.85℃，結合實踐經驗摻Ⅱ級粉煤灰與磨細爐渣的絕熱溫升基本相等。

3 結 論

1）經檢測，粉煤灰的形貌結構、顆粒形狀、化學成分與磨細爐渣相差不大，其各性能指標符合現行規范的控制標準，說明粉煤灰與磨細爐渣所發揮的微集料、形態和活性效應等基本相同。

2）磨細爐渣與常用引氣劑、減水劑的適應性良好，摻入適量磨細爐渣可以配制出符合耐久性、強度要求的混凝土，其和易性、熱學、力學、耐久和變形性能較好。在大體積混凝土中磨細爐渣具有廣發應用前景，其利用價值顯著。

3）為明確實際工程中磨細爐渣的最佳摻量，建議結合具體情況采取適配試驗，經試驗驗證確定最優細度，更好地保證混凝土質量。