爐渣混凝土物理力學性能試驗研究

（新疆交投建設管理有限責任公司，新疆烏魯木齊市，830099） 張廣輝

混凝土做為建筑、橋梁、水利等工程建設項目中使用最廣泛的建筑材料，隨著混凝土需求量增大[1]，水泥和石子的需求也一直呈現上升趨勢[2]，而水泥生產量的增多，資源消耗、環(huán)境污染等問題也接踵而來。相關數據表明，生產1t水泥熟料將排放約0.86tCO2[2]，這是導致全球變暖的主要氣體之一，如果大規(guī)模的進行排放就會影響我們賴以生存的環(huán)境，長此以往形成惡性循環(huán)；另外，生產水泥熟料的各種原材料屬于不可再生資源，長期過度使用和消耗最終將導致能源的枯竭。

目前，燃煤發(fā)電約占我國總發(fā)電量的70%[3]。燃煤發(fā)電仍然占據著非常重要的地位，燃煤發(fā)電產生的工業(yè)廢物也在增加。然而，大多數工業(yè)廢渣未經適當處理就被運到人口稀少的地方，露天堆放或掩埋在現場。這些處理方法不僅耗時、勞動密集、成本高昂，而且容易對環(huán)境造成許多不可逆轉的危害[4]。主要表現為大量的土地被占用不能最大發(fā)揮自身的用途，我國人多地少的矛盾日益激化，此外，工業(yè)廢渣還嚴重影響土壤結構，使植被無法正常生長[5]。填埋區(qū)的表面可能在輕度時引起沉降，或在重度時形成表面沉降。在清除和堆放過程中飛出的灰塵、灰燼和沙子也造成了相當嚴重的環(huán)境污染。為了減少水泥熟料的生產，減少混凝土中水泥和石料的消耗，使水泥和混凝土行業(yè)走上可持續(xù)發(fā)展之路，回收工業(yè)廢渣，變廢為寶，化害為利，減輕環(huán)境負擔[6]，實現經濟可持續(xù)發(fā)展和人與自然和諧發(fā)展。將這些廢渣加以再利用于建筑材料，不僅解決了部分廢渣堆放占用土地、破壞土壤結構和污染環(huán)境等問題，也是實現工業(yè)廢渣綜合利用的有效途徑之一。

本文通過以粉煤灰和燃煤礦渣顆粒為外加劑，替代部分膠凝材料、粗骨料和燃煤礦渣粉，研究了粉煤灰、燃煤礦渣顆粒替代率對混凝土物理力學性能的影響，研究成果為工業(yè)廢渣的有效利用提供了參考。

1 試驗

試驗依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》[7]（JTG E30）進行，抗壓強度采用（150×150×150）mm的標準試塊，通過測定其3d、7d和28d的抗壓強度，分析爐渣混凝土物理力學性能。

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗水泥采用新疆天山牌P.O.42.5R 普通硅酸鹽水泥，水泥物理性能指標滿足技術性能指標要求，標準稠度用水量為25.9%、燒失量為2.82%；初凝時間176min、終凝時間245min；3d 抗壓強度25.2MPa、28d 抗壓強度為47.2MPa，3d 抗折強度3.8MPa、28d抗折強度6.6MPa。

1.1.2 粗骨料

試驗用粗骨料粒徑為5～20mm、5～25mm、5～31.5mm 和5～40mm 連續(xù)級配粗骨料，其物理性能指標見表1。

1.1.3 試驗砂

試驗用砂表觀密度2.60g/cm3、堆積密度1.55g/cm3、細度模數2.6g/cm3、含泥量1.8%、吸水率0.8%。

1.1.4 爐渣、粉煤灰

試驗用粉煤灰為新疆昌吉某粉煤灰公司提供二級粉煤灰，外觀呈現黑灰色粉末，表觀密度1.690g/cm3；試驗用爐渣為新疆烏魯木齊市某熱電有限責任公司的燃煤爐渣，表觀密度1.273g/cm3、堆積密度0.462g/cm3、壓碎值為46.3%、空隙率63.75%，吸水率為25.61%，顆粒篩分結果見圖1，粉煤灰及爐渣集料化學成分見表2。

圖1 級配曲線

表2 粉煤灰及爐渣化學成分

1.1.5 減水劑

采用聚羧酸早強高效減水劑，摻量為1.0%～2.0%，減水率30%。

1.2 試驗方案設計

1.2.1 粉煤灰摻量確定

粉煤灰中的活性物質與水泥水化產物反應較緩，隨著水化反應進行，拌合物中氫氧化鈣濃度變大，逐漸生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝體，混凝土中摻加一定比例的粉煤灰具有節(jié)約用水、改善拌合物和易性、抑制泌水及改善強度等作用。為了確定本次試驗最佳粉煤灰摻量，在爐渣集料為5%時，進行不同粉煤灰替代率（0%、5%、10%、15%、20%）的混凝土7d、28d 抗壓強度試驗，試驗結果如圖2所示，綜合考慮在滿設計強度前提下，盡可能提高爐渣利用率，本文采用15%的爐渣替代率進行配合比設計工作。

圖2 粉煤灰替代率對抗壓強度影響

1.2.2 配合比設計

試驗參照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55-2011），試驗按15%質量分數的粉煤灰替換膠凝材料，采用分別采用0%、3%、5%、8%、10%爐渣集料等量替換混凝土中的粒徑為5～40mm粗集料，配制強度等級為C30、水灰比0.7、共計5 組。爐渣混凝土配合比設計如表3所示。

表3 爐渣混凝土配合比設計

2 試驗結果與分析

2.1 物理性能影響分析

圖3～圖6為粉煤灰替換15%質量分數膠凝時爐渣混凝土，在不同爐渣集料替代條件下（0%、3%、5%、8%、10%爐渣集料等量替換混凝土中的粒徑為5mm～40mm 粗集料）坍落度、含水率、空隙率以及表觀密度和爐渣集料替代率關系曲線。

圖4 替代率對含水率的影響

圖5 替代率與空隙率和表觀密度的關系曲線

圖6 替代率對試件質量的影響

由圖3～圖6 分析可知，粉煤灰替換15%質量分數膠凝時，爐渣混凝土坍落度、表觀密度和試件質量隨著爐渣集料替代率的增加呈現降低趨勢；爐渣混凝土含水率和空隙率隨著爐渣集料替代率的增加呈現上升趨勢。從技術指標變化趨勢可知，爐渣集料替代部分石子后，混凝土工作性能受到較大影響，同時也降低了混凝土自重和混凝土密室程度。原因是爐渣集料自身密度較粗骨料低，替代率越高混凝土質量和密度下降越明顯；爐渣集料表面粗糙、形狀不規(guī)則、比表面積大、吸水性較強，隨著爐渣集料的加入，導致水泥漿不足，混凝土集料間內摩擦增大，最終使坍落度降低，使混凝土和易性降低出現和出現泌水現象不利于混凝土工作性能；多孔和疏松的結構降低混凝土自身密室程度也不利于混凝土強度的發(fā)展。值得關注的是，爐渣集料替代率為3%和5%時，坍落度、空隙率以及試件質量等指標較為接近替代率5%時，下降幅度較對照組分別為21.4%、1.7%和2%，在后續(xù)的配合設計中可做為爐渣集料替代率參考依據。

2.2 抗壓強度影響分析

圖7、圖8 為粉煤灰替換15%質量分數膠凝時爐渣混凝土，在不同爐渣集料替代條件下（0%、3%、5%、8%、10%爐渣集料等量替換混凝土中的粒徑為5mm～40mm 粗集料）立方體標準抗壓強度以及劈裂抗拉強度與爐渣集料替代率關系曲線。

圖7 抗壓強度變化曲線

圖8 劈裂抗拉強度變化曲線

由圖7、圖8分析可知，隨著爐渣集料替代率的增加混凝土立方體標準抗壓強度逐漸降低，劈裂抗拉強度變化規(guī)律與抗壓強度一致，但下降幅度不明顯；混凝土抗壓強度和劈裂彎拉強度隨養(yǎng)護齡期增加而增強。粉煤灰等量替換15%質量分數膠凝材料時，爐渣混凝土28d 抗壓強度在爐渣集料替換率0%、3%、5%、8%和10%條件下分別為31.53MPa、31.45MPa、31.01MPa、28.3MPa 和25.1MPa，爐渣集料替換率為10%時，混凝土抗壓強度較對照組（替代率為0%）下降20.4%；粉煤灰等量替換15%質量分數膠凝材料時，爐渣混凝土28d 抗壓強度在爐渣集料替換率0%、3%、5%、8%和10%條件下分別為2.18MPa、2.18MPa、2.17MPa、2.17MPa 和2.14MPa，5種替代率條件下爐渣混凝土劈裂抗拉強度變化較小，爐渣集料替換率為10%時，混凝土劈裂抗壓強度較對照組（替代率為0%）下降1.8%，結果表明爐渣替代率變化對混凝土劈裂彎拉強度影響不明顯。分析其原因，粗骨料在混凝土中能夠起到骨架作用，對混凝土抗壓強度形成至關重要，由于爐渣表面粗糙、密度較低以及多孔的結構特性其吸水性較強，當爐渣爐渣的替代部分骨料后，混凝土密實度和集料整體強度降低，不利于強度的形成，隨著替代率的增加，混凝土抗壓強度衰減則更為明顯。綜合考慮混凝土強度設計指標及爐渣集料利用率，在進行C30爐渣混凝土配合比設計時，爐渣集料替換率5%時較為合適。

3 結論

本文分析了不同爐渣骨料替代一定質量分數普通石料對坍落度、含水率以及混凝土的抗壓強度、劈裂彎拉強度指標的影響。粉煤灰替代率15%，爐渣集料替代率5%，爐渣混凝土坍落度、表觀密度和試件質量、抗壓強度隨著爐渣集料替代率的增加呈現降低趨勢；爐渣混凝土含水率和空隙率隨著爐渣集料替代率的增加呈現上升趨勢。綜合考慮28d 混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度技術指標以及爐渣利用率，認為粉煤灰替代率15%，爐渣集料替代率5%時性能較佳，28d 抗壓強度31.01Mpa，滿足設計要求。粉煤灰替代率15%，混凝土28d 抗壓強度隨爐渣替代率增加而降低，劈裂抗拉強度受替代率影響不明顯。