磨細(xì)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(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 研究內(nèi)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(dá)到規(guī)定細(xì)度的產(chǎn)品稱磨細(xì)粉煤灰，再經(jīng)分選或磨細(xì)后，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)性能，減少混凝土溫升，提高工程質(zhì)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(yīng)用，取得了巨大成功，帶來了巨大經(jīng)濟效益和社會效應(yīng)；磨細(xì)粉煤灰也在水電工程中得到了一定程度的應(yīng)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(hù)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(hù)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(yīng)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(xì)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(biāo)對比分析，掌握磨細(xì)爐渣的化學(xué)成分、微觀形貌、物理性能；研究磨細(xì)爐渣對水泥的性能影響、與外加劑的適應(yīng)性、對硬化混凝土性能的影響等。同時將磨細(xì)爐渣與粉煤灰進(jìn)行全面的對比分析，以此來判斷磨細(xì)爐渣作為大體積混凝土摻合料的可行性。

2 設(shè)計試驗

(1)平行檢測電廠磨細(xì)爐渣、Ⅱ級粉煤灰的化學(xué)成分。

(2)通過SEM，從微觀形貌結(jié)構(gòu)、玻璃體含量分析電廠磨細(xì)爐渣。

(3)對比分析電廠磨細(xì)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(xì)爐渣，研究磨細(xì)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(shù)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(xì)爐渣與外加劑的適應(yīng)性。

(6)選取三級配常態(tài)混凝土，分別采用電廠磨細(xì)爐渣、Ⅱ級粉煤灰作為摻合料，分別進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計，了解電廠磨細(xì)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(xì)電廠磨細(xì)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(fù)合；石灰?guī)r骨料。

表1 化學(xué)成分 %

3 試驗研究

3.1 化學(xué)成分

攀鋼Ⅱ級粉煤灰、磨細(xì)爐渣都是來源于電廠灰渣，兩者化學(xué)成分基本一致(見表1)，僅磨細(xì)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(biāo)準(zhǔn)。

3.2 形貌結(jié)構(gòu)、玻璃體含量

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

圖1 掃描電鏡

3.3 磨細(xì)爐渣的物理性能

磨細(xì)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(shù)要求，但細(xì)度略大于粉煤灰，這主要跟粉磨工藝有關(guān)，可以采取措施，將細(xì)度粉磨到規(guī)定范圍值。從細(xì)度、比表面積來看，雖然磨細(xì)爐渣的細(xì)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(jié)果顯示，磨細(xì)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(xì)爐渣的最優(yōu)細(xì)度，以此細(xì)度作為生產(chǎn)控制指標(biāo)。

表2 物理性能

表3 摻磨細(xì)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(xì)爐渣對水泥的性能影響

摻入磨細(xì)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(xì)爐渣、磨細(xì)爐渣后水泥膠砂流動度及需水量比。摻入磨細(xì)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(xì)爐渣的水泥膠砂需水量較Ⅱ級粉煤灰大。

(2)摻入磨細(xì)爐渣后水泥膠砂抗壓、抗折強度比。摻入磨細(xì)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(xì)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(xì)爐渣具有活性效應(yīng)，且與Ⅱ級粉煤灰基本相當(dāng)。

(3)摻入磨細(xì)爐渣、粉煤灰后水泥水化熱。摻入磨細(xì)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(xì)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(yīng)性

根據(jù)適應(yīng)性試驗結(jié)果，判斷磨細(xì)爐渣與復(fù)合外加劑是否存在適應(yīng)性問題。復(fù)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(fù)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。總體上，摻磨細(xì)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(xì)爐渣對混凝土力學(xué)性能、變形性能、耐久性能、熱學(xué)性能等影響，采用如表5所示的配合比，分別摻粉煤灰、磨細(xì)爐渣進(jìn)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(xué)性能

摻磨細(xì)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(xì)爐渣的混凝土明顯要高些，這可能與磨細(xì)爐渣粉磨細(xì)度更細(xì)、比表面積更大有關(guān)；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(xì)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(xì)爐渣的混凝土的力學(xué)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(xì)爐渣、Ⅱ級粉煤灰的混凝土分別進(jìn)行了干縮、自生體積變形試驗，研究磨細(xì)爐渣對混凝土變形性能的影響，結(jié)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(xì)爐渣的混凝土干縮率略小于摻粉煤灰。摻磨細(xì)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(xì)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(xì)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(jié)果見表8。從表8可以看出，摻磨細(xì)爐渣、Ⅱ級粉煤灰的混凝土抗?jié)B等級、抗凍等級均滿足設(shè)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(jié)果來看，摻磨細(xì)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(xué)性能

摻磨細(xì)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(nèi)。混凝土絕熱溫升試驗采用混凝土熱物理參數(shù)測定儀進(jìn)行， C9020三級配常態(tài)混凝土，摻30%磨細(xì)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(jié) 語

(1)磨細(xì)爐渣的化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)。

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

(3)磨細(xì)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(xì)爐渣作為摻和料，能優(yōu)化設(shè)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(xué)性能、變形性能、耐久性能、熱學(xué)性能等。

(5)電廠磨細(xì)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(xì)爐渣的最優(yōu)細(xì)度，以最優(yōu)細(xì)度作為生產(chǎn)控制指標(biāo)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。