水利工程大體積混凝土摻磨細(xì)爐渣的性能研究

侯麗新

（新民市金緣水利水建工程有限公司，遼寧 新民 110300）

0 引 言

電廠灰渣是火電廠爐底渣、粉煤灰的統(tǒng)稱，磨細(xì)粉煤灰是指經(jīng)粉磨達(dá)到規(guī)定細(xì)度的干燥粉煤灰產(chǎn)品，經(jīng)過磨細(xì)或分選后達(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求的粉煤灰可以改善混凝土的力學(xué)性能及其和易性，有利于控制絕熱溫升，保證工程質(zhì)量，減少水泥用量，降低投資成本[1]。對于用處不大的等級外粉煤灰和爐底渣，在建廠時許多火電廠就規(guī)劃建設(shè)堆灰場地。目前，粉煤灰已廣泛應(yīng)用于工民建和水利工程等領(lǐng)域，并取得顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，磨細(xì)粉煤灰也取得一定的應(yīng)用。然而，隨著粉煤灰資源的萎縮以及綠色環(huán)保理念的增強(qiáng)，加之電廠爐渣造成的環(huán)境污染、土地資源占用和維護(hù)耗費(fèi)成本增大等問題，電廠爐渣的使用價值未達(dá)到充分開發(fā)[2-4]。因此，研究水利工程大體積混凝土摻電廠爐渣的可行性極具現(xiàn)實意義，既可以減少土地占用，更好地保護(hù)自然環(huán)境，還可以降低工程的投資和維護(hù)成本。在使用工業(yè)廢渣時雖然需要加工粉磨，也會消耗一定的能源，但相比于其產(chǎn)生的社會經(jīng)濟(jì)效益可以忽略不計[5]。因此，文章緊緊圍繞降低能耗、可持續(xù)發(fā)展和綠色環(huán)保的原則，試驗探討水利工程大體積混凝土摻磨細(xì)爐渣的性能，通過化學(xué)成分、物理性能、微觀形態(tài)、外加劑適應(yīng)性分析揭示磨細(xì)爐渣對水泥和混凝土性能的影響，并進(jìn)一步對比分析粉煤灰與磨細(xì)爐渣的性能，以期為大體積混凝土摻磨細(xì)爐渣的配合比設(shè)計提供一定參考。

1 試驗研究

1.1 成分檢測

平行檢測Ⅱ級粉煤灰、磨細(xì)爐渣的化學(xué)成分檢測數(shù)據(jù)，如表1 所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種摻合料化學(xué)成分相差不大，Ⅱ級粉煤灰僅有燒失量低于磨細(xì)爐渣，各性能指標(biāo)符合《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》中的控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 化學(xué)成分檢測數(shù)據(jù) %

1.2 物理性能

檢測分析Ⅱ級粉煤灰和磨細(xì)爐渣的活性指數(shù)、物理性能，如表2 所示。結(jié)果表明，磨細(xì)爐渣的細(xì)度略高于粉煤灰，通過調(diào)整磨粉工藝可以將細(xì)度控制到規(guī)定范圍，其安定性、需水量比、放射性和含水量均符合現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)要求。另外，磨細(xì)爐渣的細(xì)度和比表面積均高于粉煤灰，表明兩者的顆粒形狀和級配具有明顯差異，經(jīng)粒度分析發(fā)現(xiàn)粉煤灰的平均粒徑大于磨細(xì)爐渣。在實際生產(chǎn)時必須嚴(yán)格控制細(xì)度，通過試驗分析合理確定磨細(xì)爐渣最優(yōu)細(xì)度[6]。

表2 物理性質(zhì)測試結(jié)果

磨細(xì)爐渣的摻入在一定程度上增大了水泥膠砂需水量，并且摻量越高需水量越大，磨細(xì)爐渣相較于Ⅱ級粉煤灰的需水量略高。

1.3 微觀形態(tài)

采用SEM 掃描電鏡觀測磨細(xì)爐渣的玻璃體含量和微觀形貌結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示細(xì)度相同的Ⅱ級粉煤灰和磨細(xì)爐渣顆粒形狀非常相似，大多為不規(guī)則塊或球形，但球狀顆粒大小和玻璃體含量存在不明顯差異[7-8]。磨細(xì)爐渣相對于Ⅱ級粉煤灰，其不規(guī)則顆粒較多而球狀顆粒、玻璃體含量偏少；粉煤灰顆粒表面光滑，球狀顆粒和玻璃體含量稍高，磨細(xì)爐渣與粉煤灰相同也具有微集料形態(tài)和填充效應(yīng)。

1.4 外加劑適應(yīng)性

外加劑選用DH9 型引氣劑和高效緩凝型HT-1C 減水劑，采用三級配常態(tài)混凝土配合比試驗觀測新拌混凝土的和易性，并觀測分析外加劑與磨細(xì)爐渣的適應(yīng)性。結(jié)果顯示，常態(tài)混凝土拌合物無泌漿、泌水、假凝現(xiàn)象，骨料包裹及整體和易性良好?？傮w而言，磨細(xì)爐渣與外加劑之間的適應(yīng)性較好。

2 結(jié)果與分析

2.1 水泥膠砂試驗

通過水泥膠砂試驗，研究探討20%、40%、60%磨細(xì)爐渣摻量對水泥性能的影響，水泥膠砂試驗數(shù)據(jù)，如表3 所示。

表3 水泥膠砂試驗數(shù)據(jù)

對比分析可知，磨細(xì)爐渣的摻入在不同程度上降低了水泥膠砂的抗壓、抗折強(qiáng)度比，并且摻量越高降幅越大，該變化規(guī)律與粉煤灰相同。摻量相同情況下，摻粉煤灰和磨細(xì)爐渣的水泥膠砂抗折、抗壓強(qiáng)度比相差不大，這表明磨細(xì)爐渣的活性效應(yīng)與粉煤灰基本相同[9]，水化熱測試數(shù)據(jù)，如表4 所示。

表4 水化熱測試數(shù)據(jù)

從表4 可以看出，Ⅱ級粉煤灰和磨細(xì)爐渣會降低水泥水化熱，并且摻量越高降幅越大。摻量相同情況下，磨細(xì)爐渣的水化熱降幅與粉煤灰基本相當(dāng)。

2.2 混凝土試驗

2.2.1 力學(xué)性性能

為深入探討水工混凝土性能受磨細(xì)爐渣的影響作用，原材料選用Ⅱ級粉煤灰、磨細(xì)爐渣、DH9 型引氣劑、高效緩凝型HT-1C 減水劑、海螺P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥、花崗巖骨料以及當(dāng)?shù)刈詠硭?，以三級配常態(tài)混凝土為基準(zhǔn)合理設(shè)計配合比，試驗配合比,如表5 所示。平行檢測摻磨細(xì)爐渣和粉煤灰混凝土的極限拉伸值、彈性模量、抗壓和抗拉強(qiáng)度等，力學(xué)性能試驗結(jié)果，如表6 所示。

表5 試驗配合比

表6 力學(xué)性能試驗結(jié)果

試驗表明，摻磨細(xì)爐渣的B 組試件極限拉伸值、彈性模量、抗壓和抗拉強(qiáng)度明顯高于摻粉煤灰的A組，究其原因是磨細(xì)爐渣的比表面積更大且細(xì)度更細(xì)；摻磨細(xì)爐渣與粉煤灰的混凝土強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)整體相差不大，但摻磨細(xì)爐渣的B 組略低；摻磨細(xì)爐渣的B 組試件極限拉伸值略小而彈性模量較高。因此，水工混凝土摻磨細(xì)爐渣可以在一定程度上提高抗壓強(qiáng)度，其力學(xué)性能略優(yōu)于粉煤灰[10-11]。

2.2.2 變形性能

通過自生體積變形和干縮試驗，對比分析混凝土變形性能受Ⅱ級粉煤灰、磨細(xì)爐渣的影響，混凝土變形性能，如圖1 所示。由圖1(a)可知，60d 齡期前水工混凝土具有較快的干縮變形速率，60d 后逐漸放緩，180d 齡期時開始趨于穩(wěn)定，且60d 后摻粉煤灰的A 組試件干縮率略高于摻磨細(xì)爐渣的B 組。由圖1(b)可知，兩組試件的自生體積變形表現(xiàn)出相同的發(fā)展趨勢，150d 齡期前摻磨細(xì)爐渣的B組試件整體呈微收縮狀態(tài)，之后逐漸表現(xiàn)出微膨脹狀態(tài)；研究期間，摻粉煤灰的A 組試件始終處于微膨脹狀態(tài)，并且微膨脹量明顯高于B 組。

圖1 混凝土變形性能

2.2.3 耐久性能

不同齡期的碳化深度以及不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗凍性試驗數(shù)據(jù)，耐久性試驗數(shù)據(jù)，如表7 所示。結(jié)果表明摻Ⅱ級粉煤灰的A 組和磨細(xì)爐渣的B 組抗凍、抗?jié)B等級均達(dá)到設(shè)計要求，混凝土摻兩種摻合料的耐久性相差不大，均達(dá)到設(shè)計要求。結(jié)合碳化深度值，摻磨細(xì)爐渣的B 組試件碳化深度略高于摻粉煤灰的A 組，說明粉煤灰的抗碳化能力略優(yōu)。

表7 耐久性試驗數(shù)據(jù)

2.2.4 熱學(xué)性能

經(jīng)試驗檢測，摻Ⅱ級粉煤灰的A 組和磨細(xì)爐渣的B 組試件線膨脹系數(shù)依次為5.126×10-6/℃、5.580×10-6/℃，均未超出可控范圍。采用熱物理參數(shù)儀測定混凝土絕熱溫升值，結(jié)果顯示A 組和B 組試件28d 絕熱溫升實測值依次為21.06℃、20.85℃，結(jié)合實踐經(jīng)驗摻Ⅱ級粉煤灰與磨細(xì)爐渣的絕熱溫升基本相等。

3 結(jié) 論

1）經(jīng)檢測，粉煤灰的形貌結(jié)構(gòu)、顆粒形狀、化學(xué)成分與磨細(xì)爐渣相差不大，其各性能指標(biāo)符合現(xiàn)行規(guī)范的控制標(biāo)準(zhǔn)，說明粉煤灰與磨細(xì)爐渣所發(fā)揮的微集料、形態(tài)和活性效應(yīng)等基本相同。

2）磨細(xì)爐渣與常用引氣劑、減水劑的適應(yīng)性良好，摻入適量磨細(xì)爐渣可以配制出符合耐久性、強(qiáng)度要求的混凝土，其和易性、熱學(xué)、力學(xué)、耐久和變形性能較好。在大體積混凝土中磨細(xì)爐渣具有廣發(fā)應(yīng)用前景，其利用價值顯著。

3）為明確實際工程中磨細(xì)爐渣的最佳摻量，建議結(jié)合具體情況采取適配試驗，經(jīng)試驗驗證確定最優(yōu)細(xì)度，更好地保證混凝土質(zhì)量。