粉煤灰渣替代細(xì)骨料對砂漿混凝土強度及抗凍性影響

張 卉，潘慧敏，石雨軒，周美茹，王冬麗

(1.燕山大學(xué)，河北省土木工程綠色建造與智能運維重點實驗室，秦皇島 066004； 2.河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北省綠色高性能建材應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，秦皇島 066004)

0 引 言

燃煤電廠排放的主要固體廢棄物是粉煤灰和粉煤灰渣，粉煤灰渣主要為鍋爐爐底排出的大粒徑灰渣，約占灰渣總量的10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[1-2]。粉煤灰渣顆粒較粗，活性較低，不能直接用作活性摻合料，利用率一直較低[2-4]。

在建筑工程中，粉煤灰渣多用于替代細(xì)骨料，對此很多學(xué)者開展了相關(guān)探索研究。Singh等[5]研究了粉煤灰渣替代細(xì)骨料混凝土的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，粉煤灰渣作為細(xì)骨料部分或全部替代天然河砂可用于生產(chǎn)C20～C30混凝土。Yang等[6]探究了粉煤灰渣替代高強混凝土細(xì)骨料的力學(xué)性能，結(jié)果表明粉煤灰渣混凝土可達(dá)到高強混凝土的強度水平。盧前明等[2]采用機(jī)械粉磨、微波輻射和摻加外加劑三種方式對粉煤灰渣進(jìn)行活化，研究發(fā)現(xiàn)這三種方式均可提高粉煤灰渣水化活性。陳云[7]通過一系列激發(fā)試驗，分析了生石灰摻量對粉煤灰渣活性的影響，研究表明通過合理激發(fā)與配比選擇，可將粉煤灰渣用于公路路面混凝土的建設(shè)。楊曉艷等[4]研究了粉煤灰渣活化處理后在預(yù)拌砂漿中的應(yīng)用，結(jié)果表明隨著粉煤灰渣取代量的增加砂漿的抗壓強度有所提高，尤其是對后期強度有明顯的改善效果。楊澤政[8]研究了用預(yù)濕粉煤灰渣替代細(xì)骨料砂漿的力學(xué)性能，結(jié)果表明養(yǎng)護(hù)28 d、粉煤灰渣體積分?jǐn)?shù)替代率為20%時試樣的性能最優(yōu)，相較于基準(zhǔn)組試件抗折強度提高9.2%，抗壓強度提高4.7%。由此可見，粉煤灰渣在水泥混凝土中替代細(xì)骨料具有可行性。

但在以往研究中，不同粒徑區(qū)間粉煤灰渣分級取代細(xì)骨料還較少，其在砂漿及混凝土中的作用機(jī)理更少見報道。同時，直接將大粒徑粉煤灰渣破碎至一定的細(xì)骨料粒徑區(qū)間，其在砂漿試件中所發(fā)揮的作用若能與篩分獲得的粉煤灰渣作用相近，則可大大提高粉煤灰渣的利用率。鑒于此，本文通過篩分和破碎兩種方式，獲得粒徑區(qū)間為0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm的粉煤灰渣，并用其等體積替代對應(yīng)粒徑區(qū)間的細(xì)骨料，分析粉煤灰渣對砂漿試件工作性和強度的影響，探究其最優(yōu)替代粒徑區(qū)間。同時結(jié)合掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)[9]等方法剖析粉煤灰渣替代細(xì)骨料后砂漿試件的強度變化機(jī)理。基于砂漿最優(yōu)替代粒徑區(qū)間的試驗結(jié)果，對粉煤灰渣替代細(xì)骨料后混凝土試件的強度和抗凍性進(jìn)行驗證。研究可為粉煤灰渣作為細(xì)骨料在砂漿及混凝土中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，拓寬粉煤灰渣的應(yīng)用領(lǐng)域，對節(jié)約細(xì)骨料資源、消耗粉煤灰渣固體廢棄物及緩解環(huán)境壓力有一定的指導(dǎo)意義。

1 實 驗

1.1 原材料

(1)水泥：秦皇島市淺野水泥有限公司P·Ⅱ 42.5水泥。

(2)細(xì)骨料：連續(xù)級配機(jī)制砂粒徑0.15～4.75 mm，細(xì)度模數(shù)2.9，屬Ⅱ區(qū)中砂。對機(jī)制砂0.6～1.18 mm粒徑區(qū)間及0.3～0.6 mm粒徑區(qū)間密度進(jìn)行測試，如表1所示。

表1 機(jī)制砂不同粒徑區(qū)間密度Table 1 Density of machine-made sand with different particle size intervals

(3)粗骨料：5～20 mm連續(xù)級配碎石。

(4)粉煤灰渣：來自綏中電廠干排粉煤灰渣。粉煤灰渣疏松多孔，表面凹凸不平[10-11]，其微觀形貌如圖1所示。采用D/MAX-2500/PCX射線衍射儀對粉煤灰渣的礦物相進(jìn)行分析，如圖2所示。由圖2可知其晶體礦物相主要為二氧化硅、莫來石、氧化鋁，另外還有少量的莫長石、鐵云母、印度石。采用ADVANT X’P-381 X射線熒光光譜儀對粉煤灰渣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表2。

(5)水：自來水。

圖1 粉煤灰渣微觀形貌Fig.1 Microstructure of fly ash slag

圖2 粉煤灰渣XRD譜Fig.2 XRD pattern of fly ash slag

表2 粉煤灰渣的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of fly ash slag

1.2 試驗方案

采用粉煤灰渣按粒徑區(qū)間等體積替代砂漿細(xì)骨料，同時為對比篩分和破碎兩種方式獲得的粉煤灰渣對砂漿的影響，將替代組分為A、B兩組，分別代表篩分替代組和破碎替代組。其中A1、A2分別表示以篩分方式獲得的0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm粒徑區(qū)間替代組，B1、B2分別表示以破碎方式獲得的0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm粒徑區(qū)間替代組。編號J0表示基準(zhǔn)組，即不進(jìn)行替代。

1.3 砂漿配合比

設(shè)計砂漿水膠比為0.5，膠砂比3 ∶1，配合比如表3所示。

表3 砂漿配合比Table 3 Mixing proportions of mortar

1.4 試件制備

篩分獲得0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm兩種粒徑區(qū)間粉煤灰渣備用，另破碎粉煤灰渣并篩分獲得0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm兩種粒徑區(qū)間備用。取上述4種粉煤灰渣各2 kg置于水中進(jìn)行預(yù)濕，24 h后取出粉煤灰渣，控水至飽和面干狀態(tài)，測量各粒徑區(qū)間飽和面干粉煤灰渣密度。篩取0.15～4.75 mm粒徑機(jī)制砂洗去泥土分成三組，其中兩組分別剔除0.6～1.18 mm和0.3～0.6 mm粒徑機(jī)制砂備用，剩余一組不做處理。按表3取料拌制砂漿，測試并記錄流動度，制作40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件。試件成模振實后，上表面覆蓋保鮮膜，24 h后拆模，置入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。

1.5 粉煤灰渣微觀形貌及能譜分析

為觀測粉煤灰渣替代細(xì)骨料后砂漿試件的微觀形貌及水化產(chǎn)物，取養(yǎng)護(hù)28 d的A2試件終止水化，烘干后進(jìn)行掃描電鏡試驗和能譜分析。為確定粉煤灰渣在氫氧化鈣環(huán)境下的反應(yīng)情況，取0.3～0.6 mm粒徑粉煤灰渣浸泡于飽和氫氧化鈣溶液，待14 d后取出并用異丙醇沖洗后終止水化，烘干后進(jìn)行掃描電鏡試驗和能譜分析[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 砂漿流動度

圖3 各組砂漿流動度Fig.3 Fluidity of each group of mortar

依據(jù)GB/T 176771—2005《水泥膠砂流動度檢驗方法》[13]采用跳桌法對各組砂漿進(jìn)行流動度測試并記錄結(jié)果，如圖3所示。由圖3可以看出，經(jīng)預(yù)濕至飽和面干狀態(tài)的粉煤灰渣替代對應(yīng)粒徑區(qū)間細(xì)骨料后，所制備的水泥砂漿流動度與基準(zhǔn)組基本相同，說明粉煤灰渣替代細(xì)骨料后仍可保證水泥砂漿具有良好的流動性。

2.2 抗壓和抗折強度

砂漿試件28 d抗壓和抗折強度如圖4所示。在圖4中可以看出，各組砂漿試件抗壓和抗折強度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而均勻增長。為定量分析各組砂漿試件的強度變化，圖5給出了以基準(zhǔn)組為標(biāo)準(zhǔn)，其余各組砂漿試件的強度變化率。

圖4 J0、A1、A2、B1、B2試件抗壓和抗折強度對比Fig.4 Comparison of compressive and flexural strength of J0, A1, A2, B1, B2 specimens

圖5 A1、A2、B1、B2試件相對J0抗壓和抗折強度變化率Fig.5 Change rate of compressive and flexural strength of A1, A2, B1, B2 specimens relative to J0

J0、A1、A2試件比較了篩分獲得粉煤灰渣替代0.6～1.18 mm與0.3～0.6 mm粒徑機(jī)制砂砂漿試件強度。就28 d強度而言，相比基準(zhǔn)組，0.6～1.18 mm 粒徑替代組砂漿試件的抗壓強度降低9.0%，抗折強度降低5.2%；0.3～0.6 mm粒徑替代組砂漿試件的抗壓強度提升3.5%，抗折強度提升0.6%，與基準(zhǔn)組強度基本一致。

J0、B1、B2試件比較了破碎獲得粉煤灰渣替代0.6～1.18 mm與0.3～0.6 mm粒徑機(jī)制砂砂漿試件強度。就28 d強度而言，相比基準(zhǔn)組，0.6～1.18 mm粒徑替代組砂漿試件的抗折強度降低7.0%，抗壓強度降低12.5%；0.3～0.6 mm粒徑替代組砂漿試件的抗折強度降低2.5%，抗壓強度提升2.0%，與篩分獲得粉煤灰渣對抗壓強度的提升效果相似。

綜上，篩分與破碎獲得粉煤灰渣最優(yōu)替代粒徑區(qū)間均為0.3～0.6 mm，且破碎與篩分這兩種方式獲得的0.3～0.6 mm粒徑粉煤灰渣替代細(xì)骨料砂漿試件有著基本一致的抗壓和抗折強度。

2.3 SEM結(jié)果和EDS分析

圖6為飽和氫氧化鈣溶液浸泡14 d的粉煤灰渣水化產(chǎn)物形貌。圖7為圖6中區(qū)域1的EDS能譜分析。由圖6可見，粉煤灰渣表面水化產(chǎn)物主要為網(wǎng)狀、纖維狀的C-S-H凝膠。由EDS能譜可知，此時C-S-H所在區(qū)域的Ca/Si原子數(shù)比為0.72。這可以表明在氫氧化鈣環(huán)境下，粉煤灰渣表面能夠水化生成C-S-H凝膠[14-15]。

圖6 飽和氫氧化鈣溶液浸泡14 d的粉煤灰渣水化產(chǎn)物形貌Fig.6 Morphology of hydration products of fly ash slag soaked in saturated calcium hydroxide solution for 14 d

圖7 圖6中區(qū)域1的EDS能譜Fig.7 EDS spectrum of zone 1 inFig.6

圖8為養(yǎng)護(hù)28 d A2試件中的粉煤灰渣水化產(chǎn)物微觀形貌。圖9、圖10分別為圖8中區(qū)域2、區(qū)域3 EDS能譜分析。由圖8可見，砂漿試件中，粉煤灰渣表面水化產(chǎn)物主要為網(wǎng)狀、纖維狀以及團(tuán)簇狀的C-S-H凝膠。由EDS能譜(圖9、圖10)可知，圖8(a)中C-S-H所在區(qū)域的Ca/Si原子數(shù)比為0.53，圖8(b)中C-S-H所在區(qū)域的Ca/Si原子數(shù)比為0.55。此時致密C-S-H凝膠生長在粉煤灰渣的表面，增強了粉煤灰渣的強度，進(jìn)而使砂漿試件的強度也有所提升。

圖8 A2試件中的粉煤灰渣水化產(chǎn)物Fig.8 Hydration products of fly ash slag in A2 specimen

圖9 圖8中區(qū)域2的EDS能譜Fig.9 EDS spectrum of zone 2 inFig.8

圖10 圖8中區(qū)域3的EDS能譜Fig.10 EDS spectrum of zone 3 inFig.8

圖11 粉煤灰渣與水泥界面區(qū)域Fig.11 Interface area between fly ash slag and cement

圖11為28 d砂漿試件中粉煤灰渣與水泥的界面區(qū)域。由于在砂漿試件中，粉煤灰渣表面水化能夠生成C-S-H凝膠，不斷生長的C-S-H凝膠增強了粉煤灰渣和水泥的膠結(jié)強度，使得裂縫發(fā)生在距離交界區(qū)域較遠(yuǎn)處，對砂漿試件的強度起到了化學(xué)增強的作用。

結(jié)合圖1分析可知粉煤灰渣形狀不規(guī)則，而凹凸不平的表面增加了粉煤灰渣與水泥之間的接觸面積，同時不規(guī)則的外形使粉煤灰渣與水泥漿互相咬合，形成了一種“嵌鎖”[16]效應(yīng)，起到了強度增強的效果。粉煤灰渣本身疏松多孔，相比機(jī)制砂具有更高的吸水性。在水泥水化過程中，經(jīng)過預(yù)濕處理的粉煤灰渣中的水分會緩慢釋放，為水泥水化提供水分，具有內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，可提高粉煤灰渣周圍水泥強度。在水化后期，粉煤灰渣表面水化物逐漸積聚增厚，減緩了粉煤灰渣內(nèi)部水向外滲透的速度，降低了粉煤灰渣內(nèi)養(yǎng)護(hù)對試件強度提高所起的作用。

3 混凝土強度與抗凍性驗證

混凝土是目前建筑領(lǐng)域應(yīng)用范圍較為廣泛的建筑材料之一[17]，為擴(kuò)大粉煤灰渣的應(yīng)用范圍，本試驗基于砂漿最優(yōu)替代粒徑區(qū)間結(jié)果，驗證了粉煤灰渣替代細(xì)骨料后混凝土試件的強度和抗凍性，并與基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行了對比。

設(shè)計混凝土水膠比為0.5，砂率37%，坍落度200 mm，配合比如表4所示。制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的基準(zhǔn)組和0.3～0.6 mm粒徑篩分粉煤灰渣替代組混凝土試件并測試各組坍落度，分別標(biāo)號J1、H1，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

表4 混凝土配合比Table 4 Mixing proportions of concrete

兩組混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 d時，從養(yǎng)護(hù)室中取出，放入20 ℃水中浸泡4 d，在試件28 d齡期時依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]采用TDS-300型凍融試驗機(jī)對上述兩組試件進(jìn)行50次凍融循環(huán)試驗。凍融試驗結(jié)束后依GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]測試兩組試件28 d抗壓強度、凍融循環(huán)50次強度、凍融循環(huán)對比試件強度、凍融循環(huán)試件凍融前后質(zhì)量，計算兩組試件質(zhì)量損失率和強度損失率[20]，結(jié)果列于表5。

表5 混凝土強度與抗凍性測試結(jié)果Table 5 Experiment results of strength and frost resistance of concrete

由表5可知，替代組與基準(zhǔn)組混凝土坍落度相近，可保證混凝土的工作性。同時，替代組與基準(zhǔn)組混凝土28 d強度基本一致的，與砂漿中的結(jié)論吻合。經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，兩組試件的強度損失和質(zhì)量損失相等，表明在50次凍融循環(huán)條件下，替代組與基準(zhǔn)組混凝土具有一致的抗凍性。

由此可見，篩分獲得的0.3～0.6 mm粒徑粉煤灰渣可在混凝土中替代對應(yīng)粒徑的細(xì)骨料，且能保證替代后混凝土的強度及50次凍融循環(huán)抗凍性。

4 結(jié) 論

(1)綜合考慮砂漿試件的抗壓強度和抗折強度，在水膠比為0.5的條件下，粉煤灰渣按粒徑區(qū)間等體積替代機(jī)制砂時，0.3～0.6 mm為最優(yōu)替代粒徑區(qū)間。當(dāng)粉煤灰渣替代粒徑區(qū)間從0.3～0.6 mm提高到0.6～1.18 mm，制作的砂漿試件的強度從略高于標(biāo)準(zhǔn)組變?yōu)榈陀跇?biāo)準(zhǔn)組。

(2)篩分與破碎獲得的粉煤灰渣等體積替代砂漿試件細(xì)骨料0.3～0.6 mm粒徑時，28 d強度與基準(zhǔn)組砂漿試件抗折抗壓強度基本一致，工作性與基準(zhǔn)組基本相當(dāng)，且28 d后強度均隨齡期均勻增長。在混凝土中利用篩分獲得的0.3～0.6 mm粒徑粉煤灰渣替代對應(yīng)粒徑的細(xì)骨料，同樣可保證混凝土的強度及50次凍融循環(huán)后的抗凍性。

(3)在不改變水膠比的情況下，預(yù)濕至飽和面干的粉煤灰渣緩慢為水泥水化提供所需水分，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，促進(jìn)水泥水化。粉煤灰渣表面生成水化硅酸鈣，提高了水泥與粉煤灰渣界面過渡區(qū)強度。凹凸不平的粉煤灰渣表面與水泥漿緊密咬合，在物理層面提高了試件的強度。