磨細爐渣作為大體積混凝土摻合料的試驗研究

翟祥軍，張 虹

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 研究內容

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)粉磨達到規(guī)定細度的產(chǎn)品稱磨細粉煤灰，再經(jīng)分選或磨細后，符合相關標準等級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性能，減少混凝土溫升，提高工程質量，節(jié)約水泥，降低成本。對爐底渣和等級外的粉煤灰，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用，取得了巨大成功，帶來了巨大經(jīng)濟效益和社會效應；磨細粉煤灰也在水電工程中得到了一定程度的應用。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，火電廠堆灰場的電廠爐渣占用大量土地，造成環(huán)境污染，耗費維護成本，尚未開發(fā)可利用價值。因此，堆灰場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)廢渣在使用的時候需要粉磨加工，也存在能耗，但是與其帶來的經(jīng)濟效益、社會效應相比，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)，試驗研究磨細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對比分析，掌握磨細爐渣的化學成分、微觀形貌、物理性能；研究磨細爐渣對水泥的性能影響、與外加劑的適應性、對硬化混凝土性能的影響等。同時將磨細爐渣與粉煤灰進行全面的對比分析，以此來判斷磨細爐渣作為大體積混凝土摻合料的可行性。

2 設計試驗

(1)平行檢測電廠磨細爐渣、Ⅱ級粉煤灰的化學成分。

(2)通過SEM，從微觀形貌結構、玻璃體含量分析電廠磨細爐渣。

(3)對比分析電廠磨細爐渣、Ⅱ級粉煤灰的物理性能、活性指數(shù)。

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

(5)選取三級配常態(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水利力鵬程(原北京利力新技術開發(fā)公司)的FS引氣劑，觀察混凝土拌和物的和易性，驗證電廠磨細爐渣與外加劑的適應性。

(6)選取三級配常態(tài)混凝土，分別采用電廠磨細爐渣、Ⅱ級粉煤灰作為摻合料，分別進行混凝土配合比設計，了解電廠磨細爐渣對混凝土性能的影響。所用原材料：42.5級中熱硅酸鹽水泥；磨細電廠磨細爐渣(以下簡稱“H”)、攀鋼Ⅱ級粉煤灰；ZB-1A緩凝高效減水劑和FS引氣劑復合；石灰?guī)r骨料。

表1 化學成分 %

3 試驗研究

3.1 化學成分

攀鋼Ⅱ級粉煤灰、磨細爐渣都是來源于電廠灰渣，兩者化學成分基本一致(見表1)，僅磨細爐渣的燒失量高于Ⅱ級粉煤灰，但滿足DL/T5055—2007中對Ⅱ級灰燒失量的控制標準。

3.2 形貌結構、玻璃體含量

掃描電鏡照片見圖1。從圖1可以看出，相同細度的磨細爐渣、攀鋼Ⅱ級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，磨細爐渣具備微集料填充效應、形態(tài)效應的條件。

圖1 掃描電鏡

3.3 磨細爐渣的物理性能

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

表2 物理性能

表3 摻磨細爐渣、粉煤灰后水泥膠砂抗壓、抗折強度及強度比

3.4 摻入磨細爐渣對水泥的性能影響

摻入磨細爐渣前后水泥物理性能見表2～4，通過表2～4可知：

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

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

(3)摻入磨細爐渣、粉煤灰后水泥水化熱。摻入磨細爐渣、攀鋼Ⅱ級灰后，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 與外加劑的適應性

根據(jù)適應性試驗結果，判斷磨細爐渣與復合外加劑是否存在適應性問題。復合外加劑采用浙江龍游ZB-1A緩凝高效減水劑和北京國水利力FS引氣劑復合，選取三級配常態(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，摻磨細爐渣、攀鋼Ⅱ級灰的混凝土拌和物和易性均較好。

3.6 對混凝土性能的影響

3.6.1 混凝土配合比

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

3.6.2 混凝土力學性能

摻磨細爐渣的混凝土、摻攀鋼Ⅱ級粉煤灰混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、極限拉伸值見表6、7。從表6、7可以看出，摻磨細爐渣的混凝土明顯要高些，這可能與磨細爐渣粉磨細度更細、比表面積更大有關；從強度發(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，摻磨細爐渣的混凝土彈性模量略高、極限拉伸值略小。總體而言，摻磨細爐渣的混凝土的力學性能不比摻攀鋼Ⅱ級粉煤灰的差，還能提高混凝土抗壓強度。

表5 混凝土配合比參數(shù)及材料用量

注：粗骨料級配比例，三級配小石∶中石∶大石=30∶30∶40。

表6 混凝土抗壓強度

表7 混凝土抗拉強度、彈性模量、極限拉伸

3.6.3 混凝土變形性能

對摻磨細爐渣、Ⅱ級粉煤灰的混凝土分別進行了干縮、自生體積變形試驗，研究磨細爐渣對混凝土變形性能的影響，結果見圖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，測至210 d，混凝土干縮變形已基本穩(wěn)定；60 d齡期以后，摻磨細爐渣的混凝土干縮率略小于摻粉煤灰。摻磨細爐渣、Ⅱ級粉煤灰的混凝土自生體積變形發(fā)展趨勢相似，摻磨細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級粉煤灰的混凝土一直處于微膨脹，其膨脹量大于摻磨細爐渣。

圖2 混凝土干燥收縮變化趨勢線

圖3 混凝土自生體積變形曲線

3.6.4 混凝土耐久性能

混凝土耐久性試驗結果見表8。從表8可以看出，摻磨細爐渣、Ⅱ級粉煤灰的混凝土抗?jié)B等級、抗凍等級均滿足設計要求，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。從碳化試驗結果來看，摻磨細爐渣的混凝土抗碳化能力略弱。

表8 混凝土耐久性

3.6.5 混凝土熱學性能

摻磨細爐渣、Ⅱ級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。混凝土絕熱溫升試驗采用混凝土熱物理參數(shù)測定儀進行， C9020三級配常態(tài)混凝土，摻30%磨細爐渣，28 d絕熱溫升實測值為21.67 ℃，擬合計算值為22.08 ℃，最終計算值為23.95 ℃。根據(jù)經(jīng)驗，與摻Ⅱ級粉煤灰的混凝土最終溫升相近。

4 結 語

(1)磨細爐渣的化學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Ⅱ級灰燒失量的控制標準。

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

(3)磨細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)采用磨細爐渣作為摻和料，能優(yōu)化設計出滿足強度、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、力學性能、變形性能、耐久性能、熱學性能等。

(5)電廠磨細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)其利用價值，變廢為寶。

(6)針對具體工程的實際情況，建議深入研究磨細爐渣的最優(yōu)細度，以最優(yōu)細度作為生產(chǎn)控制指標，保證產(chǎn)品質量。