雙摻半干法脫硫灰和礦粉對混凝土性能的影響

胡麗翔（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350）

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雙摻半干法脫硫灰和礦粉對混凝土性能的影響

胡麗翔
（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350）

研究了半干法脫硫灰對添加礦粉的混凝土性能的影響.結(jié)果表明：摻量為15%，的半干法脫硫灰可以改善混凝土的工作性，坍落度由未摻的基準(zhǔn)組170，mm增大至180，mm；不同摻量（5%，10%，15%，20%）的半干法脫硫灰均降低礦粉混凝土的力學(xué)性能；摻量為15%，的半干法脫硫灰可以降低混凝土的收縮，其90，d收縮值相比基準(zhǔn)混凝土降低了23%，；隨著半干法脫硫灰摻量的增加，混凝土的抗碳化能力是先降低后增加.當(dāng)摻量為15%，時(shí)，可獲得較高的抗碳化能力.混凝土抗凍性能隨著半干法脫硫灰摻量的增加而呈現(xiàn)出先提高后減小的趨勢.當(dāng)摻量為15%，時(shí)，混凝土可獲得最佳抗凍性能.

半干法脫硫灰；礦粉；收縮；凍融；碳化；混凝土

當(dāng)前，采用半干法脫硫工藝排出的煙氣脫硫灰即半干法脫硫灰的處置方式大多為棄置填埋，占用大量的土地，進(jìn)而造成環(huán)境污染和資源的浪費(fèi).因此，如何有效處置與利用半干法脫硫灰已成為研究熱點(diǎn).為此，近年來，研究者紛紛研究了半干法脫硫灰作為水泥基復(fù)合材料礦物摻合料［1-5］、特種水泥［6］、水泥緩凝劑［7］、蒸養(yǎng)磚［8］、特種混凝土和聚合材料［9］、土壤改良劑［10］等可行性，并取得了一定成果.為進(jìn)一步減少土地占用，降低環(huán)境污染，提高半干法脫硫灰利用率和附加值，本文開展了半干法脫硫灰和礦粉雙摻對混凝土力學(xué)性能、工作性能和耐久性能的影響研究，以期進(jìn)一步推動(dòng)半干法脫硫灰的應(yīng)用技術(shù)水平.

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：采用天津駱駝水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5型硅酸鹽水泥.

半干法脫硫灰：比表面積6，200，cm2/g，密度2，380，kg/m3.

礦粉：采用天津強(qiáng)實(shí)力提供的S95級(jí)礦粉，密度為2，830，kg/m3，比表面積420，m2/kg.

以上材料化學(xué)成分見表1.

細(xì)骨料：河沙，表觀密度2，630，kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.6.

表1 水泥、礦粉及脫硫灰的主要化學(xué)成分 %

粗骨料：石灰?guī)r碎石，顆粒級(jí)配為5～25，mm的連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2，750，kg/m3.

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

為探明半干法脫硫灰和礦粉雙摻對混凝土性能的影響，按表2設(shè)計(jì)了5種不同配合比.其中0#試樣代表僅單摻礦粉的對照組；1#-4#試樣是指半干法脫硫灰摻量分別為礦粉用量的5%，10%，15%，和20%.

表2 混凝土配合比設(shè)計(jì) kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物的坍落度、工作性方法按GB/ T50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行.混凝土的強(qiáng)度測試方法按照GB/ T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行.采用尺寸為100，mm×100，mm×515，mm的棱柱體試件作為混凝土的收縮試件.首先從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室移至恒溫恒濕室測定其初始長度，隨后測試1，3，7，14，28，45，60，90，d （從移入恒溫恒濕室內(nèi)算起）下的混凝土變形值.采用尺寸為100，mm× 100，mm×400，mm的棱柱體試件作為混凝土的凍融循環(huán)試件.試驗(yàn)方法按GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中快凍法進(jìn)行.同時(shí)，成型100，mm×100，mm×400，mm的棱柱體試件，每組3塊以進(jìn)行混凝土碳化試驗(yàn).經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，將試樣放在碳化箱的鐵架上，碳化表面間距應(yīng)不低于50 mm，測定碳化時(shí)間為3，7，14，28，d時(shí)的碳化深度.氯離子滲透性試驗(yàn)按電通量方法進(jìn)行，試驗(yàn)前先將試件（φ100，mm×50，mm）真空飽水24，h，然后將混凝土試件的側(cè)面密封，將密封后試樣安裝到試驗(yàn)箱上.試驗(yàn)過程中每隔30，min記錄一次電流大小，試驗(yàn)持續(xù)6，h，計(jì)算出試件6，h中通過的總電量，通過總電量的大小評(píng)定混凝土滲透性的高低.

2 結(jié)果與討論

2.1 半干法脫硫灰對礦粉混凝土工作性的影響

表3顯示的是半干法脫硫灰對礦粉混凝土工作性能的影響.由表3可知，摻有礦粉的混凝土初凝時(shí)間和終凝時(shí)間隨著半干法脫硫灰摻量的增加而相應(yīng)延長.摻有半干法脫硫灰和礦粉的混凝土（5%，～20%，）初凝時(shí)間相比對照組延長了1.5，h左右，而終凝時(shí)間延長了1.5～2.0，h左右.這表明半干法脫硫灰的摻入改變了水泥水化速度.這是因?yàn)榘敫煞摿蚧抑泻休^多的石膏，而石膏會(huì)與鋁酸三鈣發(fā)生反應(yīng)形成鈣礬石和低硫型硫鋁酸鹽，而形成的這些水化產(chǎn)物會(huì)覆蓋在水泥顆粒表面，這樣勢必會(huì)減少水分與水泥顆粒的接觸，從而延緩水泥的水化，進(jìn)而延長混凝土的凝結(jié)時(shí)間.

表3 混凝土工作性

此外，摻有礦粉的混凝土坍落度隨著半干法脫硫灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律.由基準(zhǔn)未摻的170，mm增大至摻量15%，的180，mm，然后降低至摻量20%，的165，mm.同時(shí)由1，h坍損可知，試驗(yàn)組混凝土1，h坍損不大于基準(zhǔn)組.這表明半干法脫硫灰在一定摻量下可以改善新拌混凝土坍落度性能.這是由半干法脫硫灰的潤滑和吸附雙重作用造成的結(jié)果.一方面半干法脫硫灰的顆粒中含有大量的表面光滑、粒徑不等的球狀玻璃體，具有良好的形態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而可以潤滑混凝土拌合物，減少用水量.然而當(dāng)超過一定摻量（15%，）后，其吸附效應(yīng)占主要作用，從而使其表現(xiàn)出較強(qiáng)吸水性，進(jìn)而表現(xiàn)出含有礦粉的混凝土坍落度降低.另外，由于半干法脫硫灰活性相比礦粉而言較低，膠凝材料總的水化速率隨著其取代礦粉量的增加而逐漸降低，進(jìn)而減小了混凝土拌合物的坍落度損失［11］.

2.2 半干法脫硫灰對摻有礦粉的混凝土力學(xué)性能的影響

圖1-2分別顯示的是半干法脫硫灰對礦粉混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響.從圖1和圖2可知，混凝土的強(qiáng)度隨著半干法脫硫灰摻量的增加均低于對照組.另外還可發(fā)現(xiàn)，在相同齡期下，混凝土強(qiáng)度均隨半干法脫硫灰摻量的增加而逐漸降低.這種現(xiàn)象主要?dú)w因于半干法脫硫灰的活性相比于水泥、礦粉而言較低.但是當(dāng)摻量為15%，時(shí)，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度接近于對照組.這主要是因?yàn)榘敫煞摿蚧倚纬傻亩嗡a(chǎn)物和AFt晶體能很好地填充孔隙，進(jìn)而增加混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性.當(dāng)摻量增加至20%，時(shí)，混凝土的力學(xué)性能反而降低，這是由于半干法脫硫灰摻量過大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成過多的AFt晶體，而過多的AFt晶體會(huì)引起混凝土結(jié)構(gòu)體積膨脹，從而會(huì)降低混凝土的力學(xué)性能.

圖1 半干法脫硫灰對抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 半干法脫硫灰對抗折強(qiáng)度的影響

2.3 半干法脫硫灰對摻有礦粉的混凝土耐久性能的影響

2.3.1 收縮性能

圖3顯示的是半干法脫硫灰對摻有礦粉的混凝土收縮性能的影響.由圖3可知，與對照組相比，試驗(yàn)組的變化趨勢是均能降低混凝土的收縮性能，但降低程度隨著半干法脫硫灰摻量的不同而不同.當(dāng)半干法脫硫灰摻量增大至15%，時(shí)，混凝土收縮率降低最大.試驗(yàn)組混凝土的收縮率在90，d齡期時(shí)，相比對照組試樣降低了23%.然而若繼續(xù)增加摻量，混凝土的收縮率就會(huì)增大，但仍低于對照組.這是因?yàn)榘敫煞摿蚧腋纳屏嘶炷恋谋Ｋ?，水分不易蒸發(fā).另外，由于脫硫灰活性低，其早期水化反應(yīng)慢，進(jìn)而使得混凝土結(jié)構(gòu)中含有的自由水含量相對增多，從而相對減少混凝土的開裂趨勢，增強(qiáng)其抗開裂性能［12-13］.另一方面，由于微集料效應(yīng)及火山灰反應(yīng)，半干法脫硫灰在水泥漿體中會(huì)生成大量的C-S-H凝膠，填充了孔隙，而這些孔隙一般都較大，C-S-H凝膠的填充相應(yīng)地補(bǔ)償了部分干縮.另外，由于礦粉用量相應(yīng)減少，干縮就會(huì)減少，同時(shí)半干法脫硫灰比表面積較大，因此親水性比礦粉好，能大大地減少因泌水而形成的開口孔的數(shù)量.然而當(dāng)摻量過大時(shí)，由于半干法脫硫灰的火山灰反應(yīng)需要較多的水分，從而降低混凝土內(nèi)部的濕度，增大混凝土收縮開裂的趨勢.

圖3 半干法脫硫灰對混凝土收縮率的影響

2.3.2 抗氯離子滲透性能

半干法脫硫灰對混凝土抗氯離子滲透性的影響結(jié)果如圖4所示.由圖4可以看出，混凝土的電通量隨著半干法脫硫灰摻量的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但均高于對照組.這表明半干法脫硫灰的加入不利于混凝土抗氯離子滲透性的改善.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是因?yàn)橄啾扔趯φ战M，摻有半干法脫硫灰的混凝土試驗(yàn)組隨著半干法脫硫灰摻量的增加（低于15%，），同時(shí)由于礦粉含量的降低，從而導(dǎo)致雙摻礦粉和半干法脫硫灰的礦物摻合料改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)效果不明顯，形成的二次水化產(chǎn)物較少.由圖4還可以看出，當(dāng)摻量高于15%，時(shí)，混凝土電通量則降低，并呈現(xiàn)出與對照組結(jié)果相近的趨勢.這是因?yàn)榘敫煞摿蚧覔搅康脑黾樱斐善涠嗡磻?yīng)形成的C-S-H凝膠數(shù)量較多，進(jìn)而可填充混凝土內(nèi)部較多孔隙，結(jié)構(gòu)密實(shí)性增強(qiáng)，從而使其電通量值降低.

圖4 半干法脫硫灰對混凝土電通量的影響

2.3.3 碳化性能

圖5顯示的是半干法脫硫灰對混凝土碳化性能的影響結(jié)果.由圖5可知，相比對照組，試驗(yàn)組混凝土的碳化深度隨著半干法脫硫灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小規(guī)律.這表明混凝土的抗碳化能力是先降低后增加.這是因?yàn)楫?dāng)半干法脫硫灰摻量較低時(shí)，混凝土內(nèi)部礦粉含量仍較多，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的CH含量較低，從而使其抗碳化能力降低.而當(dāng)摻量增加到15%，時(shí)，盡管CH含量較低，但由于半干法脫硫灰的摻量增多，導(dǎo)致其二次水化形成的C-S-H物質(zhì)不斷填充孔隙，細(xì)化了混凝土內(nèi)部孔隙，增強(qiáng)了混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性，降低了外界CO2進(jìn)入混凝土內(nèi)部的傳輸速率，從而提高了混凝土抗碳化能力.而當(dāng)摻量增加到20%，時(shí)，混凝土碳化深度增加，表明其抗碳化能力降低.這進(jìn)一步表明了混凝土內(nèi)部由于過多AFt晶體存在，造成了結(jié)構(gòu)疏松，孔隙增多，從而增加了CO2在結(jié)構(gòu)中的傳輸速率所致.

圖5 半干法脫硫灰對混凝土碳化性能的影響

2.3.4 抗凍性能

圖6顯示的是半干法脫硫灰對礦粉混凝土的相對動(dòng)彈性模量的影響.從圖6可知，混凝土的相對動(dòng)彈性模量隨著半干法脫硫灰摻量的增加先增大后減小.當(dāng)半干法脫硫灰摻量為15%，時(shí)，混凝土相對動(dòng)彈性模量達(dá)到最大.這表明半干法脫硫灰摻入到混凝土中的最佳摻量為15%，在該摻量下可以明顯改善混凝土的抗凍性.

半干法脫硫灰對混凝土質(zhì)量損失率的影響結(jié)果如圖7所示.從圖7可知，混凝土的質(zhì)量損失率變化趨勢隨著半干法脫硫灰摻量的增加而逐漸增大.

由圖6和圖7可知，半干法脫硫灰摻量為15%，時(shí)，混凝土的抗凍效果最佳.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可以從3個(gè)方面解釋.一方面是適量半干法脫硫灰的活性效應(yīng)可以降低混凝土中的CH含量，進(jìn)而減少由于CH的溶出而產(chǎn)生的孔隙數(shù)量.另一方面是半干法脫硫灰的形態(tài)效應(yīng)可以降低混凝土的拌合用水量，進(jìn)而減少混凝土內(nèi)部由于水分蒸發(fā)而帶來的孔隙.此外，半干法脫硫灰的填充效應(yīng)和活性效應(yīng)，一方面可以進(jìn)一步填充細(xì)小孔隙，另一方面可以細(xì)化混凝土內(nèi)部的孔，增大孔的彎折程度，從而提高混凝土的抗凍性能［14］.

圖6 半干法脫硫灰對混凝土相對動(dòng)彈性模量的影響

圖7 半干法脫硫灰對混凝土質(zhì)量損失的影響

3 結(jié) 論

通過以上分析，可得出如下結(jié)論.

（1）相比未摻脫硫灰的對照組而言，摻量為15%，的半干法脫硫灰可以改善礦粉混凝土的工作性，坍落度由未摻的170 mm增大至180 mm，1 h坍損由原先的50 mm降低至35 mm.

（2）摻加不同摻量的半干法脫硫灰均降低混凝土的力學(xué)性能.當(dāng)摻量為15%時(shí)，由于半干法脫硫灰的二次水化反應(yīng)形成的C-S-H凝膠和AFt晶體能較好地填充孔隙，從而使其力學(xué)性能與對照組相近.

（3）摻入適量的半干法脫硫灰可以大大改善混凝土的耐久性.其中，混凝土的收縮性能隨著半干法脫硫灰摻量的增加呈現(xiàn)出先降低后增大的規(guī)律.當(dāng)半干法脫硫灰摻量增大至15%時(shí)，混凝土收縮率降低最大.試驗(yàn)組混凝土的收縮率在90 d齡期時(shí)，相比對照組試樣降低了23%.混凝土的抗碳化能力隨著半干法脫硫灰摻量的增加而呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢.當(dāng)摻量為15%時(shí)，其抗碳化能力最佳.隨著半干法脫硫灰摻量的增加，混凝土的抗凍性能先提高后減小，其中尤以15%摻量改善效果最佳.

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Effect of Mixing Semi-dry Desulfurization Ash and Mineral Powder on Concrete Properties

HU Lixiang
（The Fourth Engineering Company of China Railway 18thBureau Group Co.，Ltd，Tianjin 300350，China）

In order to improve the application technology level of semi-dry desulfurization ash，this paper researches the effect of semi-dry desulfurization ash on the properties of the concrete mixed with mineral powder.The results show that：15%， mixing amount of semi-dry desulfurization ash could improve the workability of the concrete with the slunp increasing from 170 mm of the baseline group to 180 mm；all the different mixing amounts（5%，10%，15%，and 20%，）of semi-dry desulfurization ash lower the mechanical properties of the concrete mixed with mineral powder.15%， mixing amount of semidry desulfurization ash could reduce the shrinkage properties and the 90 d shrinkage value of concrete is reduced by 23%，compared with the baseline.The carbonation resistance of concrete is first decreased and then increased with the increase of semi-dry desulfurization ash.A rather high carbonation resistance could be obtained when the mixing rate is 15%.The frost resistance of concrete increases first and then decreases with the increase of semi-dry desulfurization ash.When the mixing amount of semi-dry desulfurization ash is 15%，the frost resistance of the concrete is the best.

semi-dry desulfurization ash；mineral powder；shrinkage；freeze-thaw；carbonation；concrete

TQ172.1

A

2095-719X（2016）02-0143-05

2015-04-03；

2015-10-06

胡麗翔（1983—），女，河北滄州人，中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司工程師.