粉煤灰對(duì)?；癄t渣路面混凝土界面微觀結(jié)構(gòu)改善影響研究

劉鋼，王偉亞，陳北齊，周明凱，陳瀟

（1.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.長(zhǎng)治市交通局，山西 長(zhǎng)治 046000；3.長(zhǎng)治市煜杰環(huán)?？萍加邢薰?，山西 長(zhǎng)治 046200）

0 引言

玻化爐渣是煤制油工藝氣化階段，煤炭經(jīng)氣化溫度達(dá)1400～1600℃的氣流床煤氣化爐中，灰分和助融劑液化、激冷形成的玻璃質(zhì)粒狀爐渣，屬于煤氣化粗渣[1]。我國(guó)每年排放玻化爐渣約100萬(wàn)t，由于缺乏資源化應(yīng)用研究，導(dǎo)致無(wú)法大量消納玻化爐渣材料，大多被填埋處理，造成資源的浪費(fèi)。?；癄t渣與機(jī)制砂粒徑類似，最大粒徑不超過(guò)10 mm，且粒型良好，級(jí)配均勻，化學(xué)成分以SiO2、Al2O3與CaO為主，堅(jiān)固性低，可作為集料制備混凝土[2]；另一方面，?；癄t渣表面光滑、吸水率低，存在與水泥漿體粘結(jié)性差，界面強(qiáng)度低等問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外研究成果主要集中在?；癄t渣理化特性研究[3]及將?；癄t渣作為細(xì)集料用于水泥穩(wěn)定基層材料[4]。關(guān)于玻化爐渣作全集料應(yīng)用于路面混凝土領(lǐng)域內(nèi)研究鮮有報(bào)道?；炷劣伤酀{體、界面過(guò)渡區(qū)和集料3個(gè)重要環(huán)節(jié)組成，混凝土的性質(zhì)主要取決于上述3個(gè)環(huán)節(jié)各自的性質(zhì)及其相互間的關(guān)系和整體的均勻性。對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)路面混凝土，界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)及性質(zhì)對(duì)混凝土性能起著決定性作用[5]。與此同時(shí)，混凝土路面對(duì)混凝土折壓比要求更高，而抗折強(qiáng)度主要依賴其界面的粘結(jié)強(qiáng)度[6]。針對(duì)?；癄t渣存在表面光滑致密、吸水率低與水泥漿體粘結(jié)性差、界面強(qiáng)度低等問(wèn)題，可通過(guò)粉煤灰的物理填充作用與“火山灰”活性來(lái)改善玻化爐渣骨料-水泥石界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)。

本研究提出以?；癄t渣為全集料制備無(wú)粗骨料?；癄t渣路面混凝土，在分析玻化爐渣基本理化特性的基礎(chǔ)上開(kāi)展?；癄t渣路面混凝土研究。由于無(wú)粗骨料路面混凝土的抗折強(qiáng)度及折壓比低，為提高其抗折強(qiáng)度與折壓比，探究了粉煤灰對(duì)?；癄t渣路面混凝土工作性和力學(xué)性能的影響規(guī)律。并采用掃描電鏡（SEM）、X射線能譜儀（EDS）、顯微硬度（MH）等微觀測(cè)試手段探究粉煤灰對(duì)玻化爐渣集料-水泥石界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)的改善作用，以期為進(jìn)一步研究?；癄t渣路面混凝土界面區(qū)結(jié)構(gòu)與其宏觀性能之間的關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：山西晉牌P·O42.5水泥，物理力學(xué)性能見(jiàn)表1；粉煤灰：取自山西長(zhǎng)治市誠(chéng)遠(yuǎn)混凝土攪拌站，物理性能見(jiàn)表2；骨料：取自山西潞安集團(tuán)180項(xiàng)目排放的?；癄t渣與山西長(zhǎng)治市誠(chéng)遠(yuǎn)混凝土攪拌站的機(jī)制砂，骨料的物理性能見(jiàn)表3，?；癄t渣的主要化學(xué)成分見(jiàn)表4，礦物組成見(jiàn)圖1；減水劑：山西黃騰化工有限公司產(chǎn)聚羧酸系高性能減水劑，減水率25%。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 粉煤灰的物理性能

表3 玻化爐渣與機(jī)制砂的基本物理性能

表4 ?；癄t渣的主要化學(xué)成分 %

圖1 ?；癄t渣的XRD圖譜

由圖1可見(jiàn)，?；癄t渣的礦物組成主要以玻璃相礦物為主，含少量晶相礦物。其中晶相礦物主要為石英，還有莫來(lái)石、方解石及少量的硅線石。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

在前期實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用外摻法向玻化爐渣混凝土加入粉煤灰，粉煤灰用量分別為10、20、30、40 kg/m3，等體積代替?；癄t渣[7]，摻粉煤灰?；癄t渣混凝土配合比見(jiàn)表5。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試混凝土的工作性能與力學(xué)性能。

表5 摻粉煤灰玻化爐渣混凝土配合比 kg/m3

將?；癄t渣骨料及機(jī)制砂分別與水泥漿拌和，每組成型100mm×100mm×100mm試塊3～5塊進(jìn)行微觀分析（摻粉煤灰配比選2#），將其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后，用切片機(jī)切割成薄片，拋光后進(jìn)行顯微硬度測(cè)試；選取試樣中心部位的小碎塊用無(wú)水乙醇終止水化，干燥至恒重，選擇含有骨料-（粉煤灰）-水泥漿體界面過(guò)渡區(qū)的平整斷面，采用SEM進(jìn)行骨料-水泥石界面區(qū)微觀形貌觀察，采用EDS能譜進(jìn)行界面區(qū)元素分析，將骨料與水泥石的結(jié)合面作為標(biāo)尺的零刻度線，利用SEM中的標(biāo)尺以5μm為步長(zhǎng)，沿法線遠(yuǎn)離骨料方向逐點(diǎn)分析，以確定界面過(guò)渡區(qū)內(nèi)的鈣硅比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰對(duì)玻化爐渣混凝土宏觀性能的影響

2.1.1 粉煤灰對(duì)?；癄t渣混凝土工作性能的影響

?；癄t渣路面混凝土為干硬性混凝土，采用維勃稠度表征其工作性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 粉煤灰對(duì)玻化爐渣混凝土工作性影響

由表6可見(jiàn)，摻粉煤灰?；癄t渣混凝土工作性隨粉煤灰摻量增加基本呈線性增大趨勢(shì)。因?yàn)閾饺敕勖夯姨岣吡嘶炷恋臐{骨比，同時(shí)粉煤灰中玻璃微珠有利于促進(jìn)漿體流動(dòng)，從而顯著提高混凝土的粘聚性和流動(dòng)性。

2.1.2 粉煤灰對(duì)?；癄t渣混凝土力學(xué)性能的影響（見(jiàn)圖2）

圖2 粉煤灰摻量對(duì)?；癄t渣混凝土力學(xué)性能的影響

由圖2可見(jiàn)，摻粉煤灰?；癄t渣混凝土7、28 d抗折、抗壓強(qiáng)度及折壓比均隨粉煤灰用量增加呈先提高后降低的趨勢(shì)。相同條件下，不摻加粉煤灰時(shí)玻化爐渣混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度雖能達(dá)35.3 MPa，但抗折強(qiáng)度只有4.05 MPa，折壓比偏低。外摻粉煤灰后提高了玻化爐渣混凝土的折壓比。粉煤灰摻量為10 kg/m3時(shí)強(qiáng)度最高，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為46.1、5.8 MPa，較未摻粉煤灰的?；癄t渣混凝土分別提高了30.6%、43.2%。力學(xué)性能顯著提高的原因在于：粉煤灰提高了漿體對(duì)光滑?；癄t渣的包裹作用，同時(shí)填充了高比表面積無(wú)粗骨料?；癄t渣混凝土的孔隙，提高了?；癄t渣混凝土密實(shí)度，從而提高了混凝土強(qiáng)度。從90 d強(qiáng)度來(lái)看，粉煤灰摻量為20 kg/m3時(shí)抗折、抗壓強(qiáng)度最高，90 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別達(dá)7.0、53.8 MPa。這種粉煤灰最佳摻量不一致性與粉煤灰具有潛在“火山灰”活性有關(guān)，高摻量的粉煤灰會(huì)降低?；癄t渣混凝土早期強(qiáng)度，阻礙水泥水化進(jìn)程，故粉煤灰摻量在10kg/m3時(shí)?；癄t渣混凝土早期力學(xué)性能最佳；后期粉煤灰活性成分與氫氧化鈣反應(yīng)生成C-S-H凝膠水化產(chǎn)物[7]，可提高玻化爐渣混凝土后期力學(xué)性能，后期粉煤灰最佳摻量有所提高，粉煤灰摻量為20 kg/m3時(shí)?；癄t渣混凝土力學(xué)性能最佳?？梢?jiàn)，?；癄t渣混凝土中外摻粉煤灰的最佳摻量為10～20 kg/m3。

2.2 粉煤灰對(duì)?；癄t渣混凝土界面微觀結(jié)構(gòu)改善作用

2.2.1 界面區(qū)形貌分析

采用SEM對(duì)28 d機(jī)制砂骨料和玻化爐渣骨料中的骨料-水泥石界面區(qū)微觀形貌進(jìn)行觀察，并將典型微區(qū)放大至50 000倍，以便觀察界面孔洞處的水化產(chǎn)物，結(jié)果如圖3、圖4所示，圖中標(biāo)記處為EDS逐點(diǎn)掃描區(qū)（每點(diǎn)間隔20μm）。

圖3 機(jī)制砂骨料-水泥石界面區(qū)形貌

圖4 ?；癄t渣骨料-水泥石界面區(qū)形貌

由圖3可見(jiàn)，機(jī)制砂骨料-水泥石界面區(qū)孔隙發(fā)達(dá)，結(jié)構(gòu)比較疏松，少量針片狀CH完整晶體定向排列，CH晶體富集。由圖4（a）可見(jiàn)，由于?；癄t渣骨料表面光滑致密，不利于與骨料-水泥石界面區(qū)的結(jié)合，孔徑較大，界面處分層現(xiàn)象明顯，界面區(qū)大量生長(zhǎng)著針狀鈣礬石晶體和層片狀CH晶體，CH晶體在骨料界面區(qū)的擇優(yōu)定向生長(zhǎng)和AFt晶體在界面區(qū)雜亂無(wú)章的富集分布，顯著降低了玻化爐渣骨料-水泥石界面區(qū)結(jié)構(gòu)的致密性，從而削弱了界面區(qū)的承載能力，這說(shuō)明界面區(qū)是?；癄t渣混凝土中最薄弱的區(qū)域。由圖4（b）可見(jiàn)，摻入粉煤灰后玻化爐渣骨料-水泥石界面結(jié)構(gòu)特征明顯有別于圖4（a）界面，可以觀察到界面區(qū)孔隙較小，結(jié)構(gòu)致密，未發(fā)現(xiàn)較大的孔洞及未水化的水泥顆粒存在，甚至在摻粉煤灰界面區(qū)[見(jiàn)圖4（b）]的孔洞中發(fā)現(xiàn)絮狀的C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物，說(shuō)明適量的粉煤灰顆粒摻入能為Ca（OH）2結(jié)晶提供均勻分布的成核點(diǎn)，避免其在骨料表面定向排列。并且粉煤灰顆粒中的玻璃相在堿性環(huán)境下破裂溶出的活性成分可與Ca（OH）2反應(yīng)生成C-S-H凝膠水化產(chǎn)物。結(jié)果表明，摻入適量粉煤灰后能降低界面過(guò)渡區(qū)CH晶體與AFt晶體的富集，促進(jìn)C-S-H凝膠的生成，降低孔隙率，提高界面過(guò)渡區(qū)密實(shí)程度。

2.2.2 鈣硅比分析（見(jiàn)圖5、圖6）

圖5 機(jī)制砂骨料-水泥石界面區(qū)鈣硅比

圖6 ?；癄t渣骨料-水泥石界面區(qū)鈣硅比

由圖5可見(jiàn)，機(jī)制砂骨料-水泥石界面區(qū)的鈣硅比變化較大，在0～20μm區(qū)間內(nèi)鈣硅比較大，達(dá)到了20左右，并沿水泥石方向呈逐步下降的趨勢(shì)，在距界面55μm處鈣硅比趨于穩(wěn)定，由此可推斷機(jī)制砂骨料-水泥石界面區(qū)的厚度約為55μm。由圖6（a）可見(jiàn)，?；癄t渣骨料-水泥石界面區(qū)的鈣硅比在距界面0～20μm區(qū)間內(nèi)最高，達(dá)到21左右，并沿正軸方向呈逐步下降的趨勢(shì)，與機(jī)制砂骨料-水泥石界面區(qū)鈣硅比變化趨勢(shì)相同，在距界面70μm處鈣硅比趨于穩(wěn)定，由此可推斷?；癄t渣骨料-水泥石界面區(qū)的厚度約為70μm。同時(shí)，較高的鈣硅比也表明機(jī)制砂-水泥石界面區(qū)與?；癄t渣骨料-水泥石界面區(qū)CH晶體富集，與圖3及圖4（a）的形貌特征相符。由圖6（b）可見(jiàn)，摻入粉煤灰后的玻化爐渣混凝土中鈣硅比的變化有別于純?；癄t渣混凝土。摻粉煤灰后?；癄t渣骨料-水泥石界面區(qū)的鈣硅比在距界面0～30μm區(qū)間內(nèi)最高，30μm以上區(qū)間則不斷降低，在距界面60μm處趨于穩(wěn)定。因此，可推斷其界面區(qū)厚度約為60μm。

由圖5、圖6還可以看出，在距界面相同距離處，玻化爐渣骨料-水泥石界面區(qū)的鈣硅比高于機(jī)制砂-水泥石界面。這是由于?；癄t渣集料表面光滑，機(jī)制砂表面粗糙，?；癄t渣混凝土在拌和時(shí)骨料表面形成的水膜層較機(jī)制砂混凝土更多，會(huì)使更多的CH晶體富集，導(dǎo)致其鈣硅比較高。摻粉煤灰的?；癄t渣骨料-水泥石界面區(qū)的鈣硅比均低于純?；癄t渣骨料-水泥石界面區(qū)。這是因?yàn)榛炷涟韬统跗诔霈F(xiàn)釋水現(xiàn)象，造成局部水灰比增大，使界面區(qū)生成的CH晶體高于水泥石基體。適量的粉煤灰顆粒摻入能為Ca（OH）2結(jié)晶提供均勻分布的成核點(diǎn)，避免其在骨料表面定向排列，降低CH晶體富集，從而降低其鈣硅比，與圖5形貌特征相符。

2.2.3 顯微硬度分析

界面區(qū)顯微硬度是界面諸性能的綜合反映[8]，界面區(qū)顯微硬度越大，該點(diǎn)結(jié)構(gòu)相對(duì)較為致密[9]。本文對(duì)不同配比玻化爐渣骨料以及機(jī)制砂骨料與水泥石界面區(qū)顯微硬度進(jìn)行了測(cè)試，從骨料與水泥石界面開(kāi)始至水泥石基體80μm范圍內(nèi)取8～10個(gè)點(diǎn)，間隔為5～10μm，取各點(diǎn)5次測(cè)試的平均值，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 不同骨料界面區(qū)的顯微硬度

由圖7可見(jiàn)，各骨料顯微硬度均沿遠(yuǎn)離界面結(jié)合處呈逐漸增大的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)樵娇拷缑娼Y(jié)合處，在0～20μm區(qū)間內(nèi)，由于新拌混凝土釋水造成局部水灰比增大，孔隙率增加造成顯微硬度較低；而在大于20μm后，水泥水化程度提高，孔徑細(xì)化，孔隙率降低，顯微硬度隨之增強(qiáng)。界面區(qū)顯微硬度與鈣硅比具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，鈣硅比越高，界面區(qū)顯微硬度越低。這主要是因?yàn)楣橇?水泥石界面區(qū)鈣硅比越高，對(duì)應(yīng)界面區(qū)CH晶體及AFt晶體富集，結(jié)構(gòu)孔隙率高，顯微硬度也越低。在距界面結(jié)合處相同距離時(shí)，摻粉煤灰的?；癄t渣骨料-水泥石界面區(qū)的顯微硬度均高于純玻化爐渣骨料-水泥石界面區(qū)。可見(jiàn)摻入適量粉煤灰可改善?；癄t渣混凝土骨料-水泥石界面區(qū)結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，提高其界面區(qū)顯微硬度，與圖6鈣硅比變化特征相符。

3 結(jié)論

（1）玻化爐渣骨料表面光滑致密，吸水率低，與機(jī)制砂骨料相比，?；癄t渣-水泥石界面區(qū)鈣硅比高，結(jié)構(gòu)松散，顯微硬度低，與水泥漿體粘結(jié)性差，配制的?；癄t渣路面混凝土抗折強(qiáng)度低。通過(guò)摻入適量粉煤灰可提高混凝土流動(dòng)性和力學(xué)性能，粉煤灰的最佳摻量為10～20 kg/m3。粉煤灰摻量為10kg/m3時(shí)，?；癄t渣混凝土的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度較未摻粉煤灰的分別提高了30.6%、43.2%。

（2）粉煤灰提高?；癄t渣混凝土宏觀性能主要是因?yàn)楦纳屏斯饣；癄t渣骨料-水泥石界面結(jié)構(gòu)，降低了界面孔隙率，提高界面區(qū)密實(shí)程度。從鈣硅比來(lái)看，摻入粉煤灰后?；癄t渣骨料-水泥時(shí)界面區(qū)鈣硅比均低于純?；癄t渣骨料-水泥時(shí)界面區(qū)，且鈣硅比在距界面60μm處就趨于穩(wěn)定，降低了界面區(qū)厚度，改善了界面區(qū)結(jié)構(gòu)；從界面區(qū)顯微硬度來(lái)看，摻入粉煤灰后玻化爐渣骨料-水泥時(shí)界面區(qū)顯微硬度高于純?；癄t渣骨料-水泥時(shí)界面區(qū)顯微硬度，可見(jiàn)鈣硅比與界面區(qū)顯微硬度有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，鈣硅比越低，對(duì)應(yīng)的界面區(qū)顯微硬度也越高；從SEM照片中也可看出，摻入粉煤灰后，界面區(qū)孔徑變小，有效降低了孔隙率，降低了CH晶體富集，并有一定量絮狀C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物出現(xiàn)，提高了界面區(qū)密實(shí)程度。

（3）?；癄t渣路面混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度與界面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)性，界面區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的改善可顯著提高?；癄t渣混凝土的力學(xué)性能。