粉煤灰對玻化爐渣路面混凝土界面微觀結構改善影響研究

劉鋼，王偉亞，陳北齊，周明凱，陳瀟

（1.武漢理工大學 硅酸鹽國家重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.長治市交通局，山西 長治 046000；3.長治市煜杰環保科技有限公司，山西 長治 046200）

0 引言

玻化爐渣是煤制油工藝氣化階段，煤炭經氣化溫度達1400～1600℃的氣流床煤氣化爐中，灰分和助融劑液化、激冷形成的玻璃質粒狀爐渣，屬于煤氣化粗渣[1]。我國每年排放玻化爐渣約100萬t，由于缺乏資源化應用研究，導致無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。玻化爐渣與機制砂粒徑類似，最大粒徑不超過10 mm，且粒型良好，級配均勻，化學成分以SiO2、Al2O3與CaO為主，堅固性低，可作為集料制備混凝土[2]；另一方面，玻化爐渣表面光滑、吸水率低，存在與水泥漿體粘結性差，界面強度低等問題。

目前，國內外研究成果主要集中在玻化爐渣理化特性研究[3]及將玻化爐渣作為細集料用于水泥穩定基層材料[4]。關于玻化爐渣作全集料應用于路面混凝土領域內研究鮮有報道。混凝土由水泥漿體、界面過渡區和集料3個重要環節組成，混凝土的性質主要取決于上述3個環節各自的性質及其相互間的關系和整體的均勻性。對于低強度等級路面混凝土，界面過渡區的微觀結構及性質對混凝土性能起著決定性作用[5]。與此同時，混凝土路面對混凝土折壓比要求更高，而抗折強度主要依賴其界面的粘結強度[6]。針對玻化爐渣存在表面光滑致密、吸水率低與水泥漿體粘結性差、界面強度低等問題，可通過粉煤灰的物理填充作用與“火山灰”活性來改善玻化爐渣骨料-水泥石界面過渡區結構。

本研究提出以玻化爐渣為全集料制備無粗骨料玻化爐渣路面混凝土，在分析玻化爐渣基本理化特性的基礎上開展玻化爐渣路面混凝土研究。由于無粗骨料路面混凝土的抗折強度及折壓比低，為提高其抗折強度與折壓比，探究了粉煤灰對玻化爐渣路面混凝土工作性和力學性能的影響規律。并采用掃描電鏡（SEM）、X射線能譜儀（EDS）、顯微硬度（MH）等微觀測試手段探究粉煤灰對玻化爐渣集料-水泥石界面過渡區結構的改善作用，以期為進一步研究玻化爐渣路面混凝土界面區結構與其宏觀性能之間的關系奠定基礎。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：山西晉牌P·O42.5水泥，物理力學性能見表1；粉煤灰：取自山西長治市誠遠混凝土攪拌站，物理性能見表2；骨料：取自山西潞安集團180項目排放的玻化爐渣與山西長治市誠遠混凝土攪拌站的機制砂，骨料的物理性能見表3，玻化爐渣的主要化學成分見表4，礦物組成見圖1；減水劑：山西黃騰化工有限公司產聚羧酸系高性能減水劑，減水率25%。

表1 水泥的物理力學性能

表2 粉煤灰的物理性能

表3 玻化爐渣與機制砂的基本物理性能

表4 玻化爐渣的主要化學成分 %

圖1 玻化爐渣的XRD圖譜

由圖1可見，玻化爐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，還有莫來石、方解石及少量的硅線石。

1.2 實驗方案

在前期實驗基礎上，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，等體積代替玻化爐渣[7]，摻粉煤灰玻化爐渣混凝土配合比見表5。參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測試混凝土的工作性能與力學性能。

表5 摻粉煤灰玻化爐渣混凝土配合比 kg/m3

將玻化爐渣骨料及機制砂分別與水泥漿拌和，每組成型100mm×100mm×100mm試塊3～5塊進行微觀分析（摻粉煤灰配比選2#），將其標準養護至28 d后，用切片機切割成薄片，拋光后進行顯微硬度測試；選取試樣中心部位的小碎塊用無水乙醇終止水化，干燥至恒重，選擇含有骨料-（粉煤灰）-水泥漿體界面過渡區的平整斷面，采用SEM進行骨料-水泥石界面區微觀形貌觀察，采用EDS能譜進行界面區元素分析，將骨料與水泥石的結合面作為標尺的零刻度線，利用SEM中的標尺以5μm為步長，沿法線遠離骨料方向逐點分析，以確定界面過渡區內的鈣硅比。

2 實驗結果與分析

2.1 粉煤灰對玻化爐渣混凝土宏觀性能的影響

2.1.1 粉煤灰對玻化爐渣混凝土工作性能的影響

玻化爐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，實驗結果如表6所示。

表6 粉煤灰對玻化爐渣混凝土工作性影響

由表6可見，摻粉煤灰玻化爐渣混凝土工作性隨粉煤灰摻量增加基本呈線性增大趨勢。因為摻入粉煤灰提高了混凝土的漿骨比，同時粉煤灰中玻璃微珠有利于促進漿體流動，從而顯著提高混凝土的粘聚性和流動性。

2.1.2 粉煤灰對玻化爐渣混凝土力學性能的影響（見圖2）

圖2 粉煤灰摻量對玻化爐渣混凝土力學性能的影響

由圖2可見，摻粉煤灰玻化爐渣混凝土7、28 d抗折、抗壓強度及折壓比均隨粉煤灰用量增加呈先提高后降低的趨勢。相同條件下，不摻加粉煤灰時玻化爐渣混凝土的28 d抗壓強度雖能達35.3 MPa，但抗折強度只有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時強度最高，28 d抗壓、抗折強度分別為46.1、5.8 MPa，較未摻粉煤灰的玻化爐渣混凝土分別提高了30.6%、43.2%。力學性能顯著提高的原因在于：粉煤灰提高了漿體對光滑玻化爐渣的包裹作用，同時填充了高比表面積無粗骨料玻化爐渣混凝土的孔隙，提高了玻化爐渣混凝土密實度，從而提高了混凝土強度。從90 d強度來看，粉煤灰摻量為20 kg/m3時抗折、抗壓強度最高，90 d抗折、抗壓強度分別達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，高摻量的粉煤灰會降低玻化爐渣混凝土早期強度，阻礙水泥水化進程，故粉煤灰摻量在10kg/m3時玻化爐渣混凝土早期力學性能最佳；后期粉煤灰活性成分與氫氧化鈣反應生成C-S-H凝膠水化產物[7]，可提高玻化爐渣混凝土后期力學性能，后期粉煤灰最佳摻量有所提高，粉煤灰摻量為20 kg/m3時玻化爐渣混凝土力學性能最佳。可見，玻化爐渣混凝土中外摻粉煤灰的最佳摻量為10～20 kg/m3。

2.2 粉煤灰對玻化爐渣混凝土界面微觀結構改善作用

2.2.1 界面區形貌分析

采用SEM對28 d機制砂骨料和玻化爐渣骨料中的骨料-水泥石界面區微觀形貌進行觀察，并將典型微區放大至50 000倍，以便觀察界面孔洞處的水化產物，結果如圖3、圖4所示，圖中標記處為EDS逐點掃描區（每點間隔20μm）。

圖3 機制砂骨料-水泥石界面區形貌

圖4 玻化爐渣骨料-水泥石界面區形貌

由圖3可見，機制砂骨料-水泥石界面區孔隙發達，結構比較疏松，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，由于玻化爐渣骨料表面光滑致密，不利于與骨料-水泥石界面區的結合，孔徑較大，界面處分層現象明顯，界面區大量生長著針狀鈣礬石晶體和層片狀CH晶體，CH晶體在骨料界面區的擇優定向生長和AFt晶體在界面區雜亂無章的富集分布，顯著降低了玻化爐渣骨料-水泥石界面區結構的致密性，從而削弱了界面區的承載能力，這說明界面區是玻化爐渣混凝土中最薄弱的區域。由圖4（b）可見，摻入粉煤灰后玻化爐渣骨料-水泥石界面結構特征明顯有別于圖4（a）界面，可以觀察到界面區孔隙較小，結構致密，未發現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[見圖4（b）]的孔洞中發現絮狀的C-S-H凝膠等水化產物，說明適量的粉煤灰顆粒摻入能為Ca（OH）2結晶提供均勻分布的成核點，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境下破裂溶出的活性成分可與Ca（OH）2反應生成C-S-H凝膠水化產物。結果表明，摻入適量粉煤灰后能降低界面過渡區CH晶體與AFt晶體的富集，促進C-S-H凝膠的生成，降低孔隙率，提高界面過渡區密實程度。

2.2.2 鈣硅比分析（見圖5、圖6）

圖5 機制砂骨料-水泥石界面區鈣硅比

圖6 玻化爐渣骨料-水泥石界面區鈣硅比

由圖5可見，機制砂骨料-水泥石界面區的鈣硅比變化較大，在0～20μm區間內鈣硅比較大，達到了20左右，并沿水泥石方向呈逐步下降的趨勢，在距界面55μm處鈣硅比趨于穩定，由此可推斷機制砂骨料-水泥石界面區的厚度約為55μm。由圖6（a）可見，玻化爐渣骨料-水泥石界面區的鈣硅比在距界面0～20μm區間內最高，達到21左右，并沿正軸方向呈逐步下降的趨勢，與機制砂骨料-水泥石界面區鈣硅比變化趨勢相同，在距界面70μm處鈣硅比趨于穩定，由此可推斷玻化爐渣骨料-水泥石界面區的厚度約為70μm。同時，較高的鈣硅比也表明機制砂-水泥石界面區與玻化爐渣骨料-水泥石界面區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，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玻化爐渣混凝土。摻粉煤灰后玻化爐渣骨料-水泥石界面區的鈣硅比在距界面0～30μm區間內最高，30μm以上區間則不斷降低，在距界面60μm處趨于穩定。因此，可推斷其界面區厚度約為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-水泥石界面區的鈣硅比高于機制砂-水泥石界面。這是由于玻化爐渣集料表面光滑，機制砂表面粗糙，玻化爐渣混凝土在拌和時骨料表面形成的水膜層較機制砂混凝土更多，會使更多的CH晶體富集，導致其鈣硅比較高。摻粉煤灰的玻化爐渣骨料-水泥石界面區的鈣硅比均低于純玻化爐渣骨料-水泥石界面區。這是因為混凝土拌和初期出現釋水現象，造成局部水灰比增大，使界面區生成的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結晶提供均勻分布的成核點，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

界面區顯微硬度是界面諸性能的綜合反映[8]，界面區顯微硬度越大，該點結構相對較為致密[9]。本文對不同配比玻化爐渣骨料以及機制砂骨料與水泥石界面區顯微硬度進行了測試，從骨料與水泥石界面開始至水泥石基體80μm范圍內取8～10個點，間隔為5～10μm，取各點5次測試的平均值，結果見圖7。

圖7 不同骨料界面區的顯微硬度

由圖7可見，各骨料顯微硬度均沿遠離界面結合處呈逐漸增大的趨勢，這主要是因為越靠近界面結合處，在0～20μm區間內，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，孔徑細化，孔隙率降低，顯微硬度隨之增強。界面區顯微硬度與鈣硅比具有良好的對應關系，鈣硅比越高，界面區顯微硬度越低。這主要是因為骨料-水泥石界面區鈣硅比越高，對應界面區CH晶體及AFt晶體富集，結構孔隙率高，顯微硬度也越低。在距界面結合處相同距離時，摻粉煤灰的玻化爐渣骨料-水泥石界面區的顯微硬度均高于純玻化爐渣骨料-水泥石界面區。可見摻入適量粉煤灰可改善玻化爐渣混凝土骨料-水泥石界面區結構，降低孔隙率，提高其界面區顯微硬度，與圖6鈣硅比變化特征相符。

3 結論

（1）玻化爐渣骨料表面光滑致密，吸水率低，與機制砂骨料相比，玻化爐渣-水泥石界面區鈣硅比高，結構松散，顯微硬度低，與水泥漿體粘結性差，配制的玻化爐渣路面混凝土抗折強度低。通過摻入適量粉煤灰可提高混凝土流動性和力學性能，粉煤灰的最佳摻量為10～20 kg/m3。粉煤灰摻量為10kg/m3時，玻化爐渣混凝土的28 d抗壓、抗折強度較未摻粉煤灰的分別提高了30.6%、43.2%。

（2）粉煤灰提高玻化爐渣混凝土宏觀性能主要是因為改善了光滑玻化爐渣骨料-水泥石界面結構，降低了界面孔隙率，提高界面區密實程度。從鈣硅比來看，摻入粉煤灰后玻化爐渣骨料-水泥時界面區鈣硅比均低于純玻化爐渣骨料-水泥時界面區，且鈣硅比在距界面60μm處就趨于穩定，降低了界面區厚度，改善了界面區結構；從界面區顯微硬度來看，摻入粉煤灰后玻化爐渣骨料-水泥時界面區顯微硬度高于純玻化爐渣骨料-水泥時界面區顯微硬度，可見鈣硅比與界面區顯微硬度有良好的對應關系，鈣硅比越低，對應的界面區顯微硬度也越高；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凝膠等水化產物出現，提高了界面區密實程度。

（3）玻化爐渣路面混凝土的抗折、抗壓強度與界面區微觀結構呈正相關性，界面區微觀結構的改善可顯著提高玻化爐渣混凝土的力學性能。