粉煤灰和氣化渣對混凝土力學性能的影響

向舒暢 葉 博 馬 豪 曹 煉

（北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

粉煤灰是燃煤電廠煤炭燃燒后在煙道收集的粉塵[1,2]，由于特殊的熱歷程，粉煤灰具有良好的顆粒形貌以及較好的火山灰活性。粉煤灰摻入混凝土后能有效降低混凝土水化熱，有利于提高混凝土抗凍[3]、抗滲性能以及抗腐蝕性能[4,5]。

氣化粗渣是煤氣化工業中煤燃燒后在爐底排放的廢渣[6]。由于煤的不完全燃燒，氣化粗渣中含碳量一般較高。爐渣中主要結晶相以方解石和石英為主，非結晶相（玻璃相）主要以鋁硅酸鹽為主[7]。氣化渣粒徑與細集料相似，結合氣化渣的粒徑優勢以及氣化渣自身含水率高的性能特點，利用氣化渣作為細集料相比于利用氣化渣作為粉體材料可降低氣化渣的干燥和研磨成本。

本文采用粉煤灰作為輔助膠凝材料，氣化渣作為細集料，研究不同粉煤灰和氣化渣摻量對混凝土不同齡期抗壓強度和抗折強度的影響。

2 原材料和實驗方法

2.1 原材料

實驗主要原材料包括寧夏賽馬水泥廠生產的P·O42.5水泥，寧夏西夏熱電廠生產的二級粉煤灰，比表面積為460m2/kg，化學組成如表1所示。氣化粗渣取自寧夏寧東能源化工基地某渣場。天然砂選擇寧夏銀川某砂場水洗山砂，細度模數2.8，粗骨料選用寧夏銀川某石料場產碎石。

表1 粉煤灰和氣化粗渣化學組成（單位：wt%）

2.2 實驗方法

抗壓強度采用100mm×100mm×100mm立方體試件進行測定。抗折強度采用100mm×100mm×300mm棱柱體試件，采用三點受彎實驗進行測試。粉煤灰混凝土實驗配合比如表2所示。表2中，粉煤灰摻量指粉煤灰作為礦物摻合料代替普通硅酸鹽水泥的質量百分比。氣化渣摻比指的是氣化渣代替天然砂的質量百分比。

表2 粉煤灰混凝土實驗配合比

3 實驗結果分析

3.1 混凝土抗壓強度

測定不同氣化渣摻比、不同粉煤灰摻量的粉煤灰混凝土7d、28d、56d和90d抗壓強度，結果如圖1所示。由圖1可見，對于未摻加氣化渣的粉煤灰混凝土7d強度，與不摻加粉煤灰混凝土相比，當粉煤灰摻量為10%，混凝土抗壓強度增加9.7%；粉煤灰摻量為20%，混凝土抗壓強度降低11.4%；粉煤灰摻量為30%，混凝土抗壓強度降低16.7%。對于28d強度，與不摻加粉煤灰混凝土相比，當粉煤灰摻量為10%，混凝土抗壓強度降低4.9%；粉煤灰摻量為20%，混凝土抗壓強度降低12%；粉煤灰摻量為30%，混凝土抗壓強度降低17.5%。對于56d強度，與不摻加粉煤灰混凝土相比，當粉煤灰摻量為10%，混凝土抗壓強度增長2.8%；粉煤灰摻量為20%，混凝土抗壓強度降低3.8%；粉煤灰摻量為30%，混凝土抗壓強度降低11.6%。對于90d強度，與不摻加粉煤灰混凝土相比，當粉煤灰摻量為10%，混凝土抗壓強度增長11.8%；粉煤灰摻量為20%，混凝土抗壓強度降低7.2%；粉煤灰摻量為30%，混凝土抗壓強度降低10.7%。

圖1 不同氣化渣摻比的粉煤灰混凝土抗壓強度

由此可見，摻加0%～10%粉煤灰后，從整體上來看抗壓強度呈增長趨勢。粉煤灰會提高混凝土強度，這與已有研究結果一致。

氣化渣對混凝土抗壓強度的影響，從相同齡期強度增長幅度來看，采用0%～30%質量摻量的氣化渣替代天然砂，混凝土抗壓強度呈現增長趨勢，氣化渣參量為30%時強度增長幅度最大。這可能是由于30%摻量的氣化渣對混凝土的密實度提高效果最好的原因。與28d立方體抗壓強度相比，56d齡期混凝土立方體抗壓強度隨氣化渣摻量從4.53%增加到28.9%。對于混凝土90d齡期抗壓強度，摻加粉煤灰和氣化渣均有利于強度提升。綜合考慮，建議氣化渣取代天然砂的最佳替代率不超過30%。

3.2 混凝土抗折強度

實驗測試了不同氣化渣摻比、不同粉煤灰摻量的粉煤灰混凝土28d抗折強度。結果如圖2（a）所示。結果顯示，粉煤灰摻量在0～30%范圍內變化，氣化渣代替天然砂替代率小于30%，混凝土抗折強度最佳。當不摻加粉煤灰，氣化渣摻量大于30%，混凝土抗折強度隨著氣化渣摻量的增加呈降低趨勢。從圖2（b）折壓比可看出，混凝土隨粉煤灰摻量增大折壓比略微增大，當氣化渣摻量不大于30%，折壓比隨氣化渣摻比的增大而增大，氣化渣摻量大于30%，折壓比隨氣化渣摻比的增大而減小。

圖2 不同氣化渣摻比的粉煤灰混凝土抗折強度及折壓比

4 結束語

本文采用粉煤灰作為輔助膠凝材料，氣化渣作為細集料，研究了不同粉煤灰摻量和氣化渣摻量對混凝土不同齡期抗壓強度和抗折強度的影響。得出的主要結論如下：

（1）氣化渣代替天然砂對抗壓強度有影響。氣化渣摻量為0%～30%時，能夠發揮氣化渣的粒徑優勢，增加混凝土密實度，有利于抗壓強度發展。

（2）粉煤灰摻量不大于10%時，混凝土的抗折、抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增大而增大；氣化渣摻量不大于30%時，折壓比隨氣化渣摻比的增大而增大，氣化渣摻量大于30%，折壓比隨氣化渣摻比的增大而減小。