CFB灰渣制备轻质早强小型预制构件研究与应用_解卫江.pdf

第 卷 第 期 年 月公 路 交 通 科 技 .收稿日期：基金项目：国家重点研发计划重点专项项目（）作者简介：解卫江（），男，山西运城人，高级工程师.（.）：.灰渣制备轻质早强小型预制构件研究与应用解卫江，李卫红，王宇强，李海潮，郭子强（.山西离隰高速公路有限公司，山西 吕梁；.长治市武汉理工大学工程技术研究院，山西 长治；.武汉理工大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉；.山西路桥建设集团有限公司，山西 太原）摘要：以循环流化床（）灰渣作为细集料，飞灰作为矿物掺合料设计配制混凝土，并制备了轻质早强混凝土小型预制构件。研究了炉渣砂率与飞灰掺量对混凝土容重、力学性能的影响。研究了碎石 灰渣混凝土的体积稳定性、抗冻性等耐久性能。从微观角度揭示了碎石 灰渣混凝土早强、体积稳定、耐久的机理，并将其应用于公路小型构件预制。结果表明：碎石 灰渣混凝土随着炉渣砂率提高，飞灰掺量提高，工作性与力学性能均先提高后降低，容重逐渐降低，最优炉渣砂率为，最佳 飞灰掺量为 ，由于灰渣密度低，最优掺量下 灰渣可降低混凝土容重的.；灰渣早期活性好，可提高混凝土早期强度；灰渣硫酸盐含量高，可降低混凝土收缩，但对混凝土力学性能、稳定性影响不大，这是因为高火山灰反应活性以及高硫含量促进了膨胀产物钙矾石的形成，但是膨胀一般发生在强度形成的早期；灰渣吸水性强，但混凝土抗冻性满足要求，主要原因是部分水分储存在炉渣孔隙内，具备一定的内养生作用，但是对混凝土强度与抗冻性影响较小；在 养护条件下，碎石 灰渣混凝土早期强度进一步提高，制备的小型预制构件单位体积质量低，构件生产效率、产品品质、成品率、安装效率均有提升，在实体工程中应用效果良好。关键词：道路工程；小型预制构件；控制变量法；循环流化床灰渣；混凝土中图分类号：.文献标识码：文章编号：（），（.，.，；.，；.，；.，.，）：，.，.（），第 期解卫江，等：灰渣制备轻质早强小型预制构件研究与应用，.；（），；（），；（），；（），.：；（）；引言 灰渣是循环流化床（）锅炉发电产生的煤系固体废弃物，包括 飞灰和 炉渣，飞灰与普通煤粉炉粉煤灰相比，具有轻质多孔、需水性强、活性好、硫钙含量高等特点。将 灰渣粉磨后用于混凝土和水泥掺合料是 灰渣资源化利用的主要途径，但是因其需水性强，仅可少量掺配使用，否则易导致混凝土流动性显著降低，以致 灰渣资源化利用率总体较低。以山西省为例，年排 炉渣达到，但资源化利用率不足。山西地区公路建设逐渐向山区转移，山区公路路堑边坡面积大、平台多，对沟盖板、拱形骨架、平台砖等小型构件需求量大，小型构件一般采用混凝土浇注预制而成，且用于非承载部位，因而对混凝土流动性强度要求低，一般的混凝土坍落度达到，强度达到 即可。但实际生产过程中，常采取提高水泥用量、高温养护等方式提高早期强度，以缩短脱模时间、提高生产效率，降低折损率、提高制品质量。另外，目前大部分构件脱模、安装等工艺仍以人工为主，构件体积较大时，施工人员劳动强度较高。炉渣呈砂状、级配连续、表面多孔密度低且有活性，具有作为混凝土轻质机制砂的潜质，飞灰比表面积大、早期活性更好，可作为混凝土用矿物掺合料，但其需水性强、硫含量高，可能会导致混凝土出现用水量高、抗冻性差、体积不稳定等问题。针对上述问题，结合 炉渣、飞灰的特性，提出利用 炉渣轻质特性降低混凝土容重，降低小型构件施工人员的劳动强度；利用 飞灰比表面积大、早期活性高的特性，提高混凝土致密性、抗冻性和早期强度，提高小型构件品质与施工效率；利用小型预制构件混凝土对流动性要求低的特点，弱化 灰渣吸水对混凝土抗冻性的影响；以 炉渣替代机制砂作为细集料，飞灰替代粉煤灰，制备轻质早强混凝土小型预制构件的技术思路。依托离隰高速、国道 改线工程.混凝土小型预制构件，通过探讨 炉渣砂率、飞灰掺量对混凝土用水量、容重、抗压强度的影响，优化 灰渣的混凝土组成，对比研究 灰渣混凝土与普通混凝土的抗冻性能、抗收缩性能、长期强度，探明高吸水率、高硫 灰渣混凝土的耐久服役性能，采用 和 等微观分析手段分析 灰渣混凝土强度高、耐久性良好的原因，研究温度、养护时间对 灰渣混凝土早期强度的影响，优化 灰渣小型构件养护工艺，开展 灰渣小型构件中试，并对小型构件的容重、品质及耐久性能进行观测，为 灰渣混凝土在小型预制构件中的规模化高效利用提供参考与示范。原材料及试验方法.原材料.飞灰与粉煤灰 飞灰和粉煤灰的理化性能及与 用于水泥和混凝土中的粉煤灰（）中级公路交通科技第 卷粉煤灰对标结果如表 所示。飞灰，含量和需水量比超过了 中级粉煤灰的要求，但与粉煤灰相比，飞灰比表面积高，达 ，早期活性高且活性持续增长，活性指数达到，超过粉煤灰 活性指数，其 活性指数更是高达。表 飞灰、粉煤灰理化性能及对标分析.技术指标 飞灰粉煤灰 级粉煤灰比表面积（）需水量比 颜色灰红灰黑.类 强度活性指数 强度活性指数 强度活性指数.炉渣与机制砂 炉渣由山西晋能集团某矸石热电厂提供，其级配基本符合 建设用砂（）中机制砂 区的要求；机制砂为山西某商混站用石灰石质机制砂，二者理化性质及与 中级砂对标结果如表 所示。可以看出，与石灰石机制砂相比，炉渣密度低，较机制砂低.，吸水率大，为.，含量、压碎值均超过级机制砂上限，但磨细后具有较高的活性，超过粉煤灰，高达。.其他材料普通硅酸盐水泥（.）由山西卓越水泥有限公司提供，比表面积为 ，抗压强表 炉渣、机制砂理化性能及对标分析.技术指标 炉渣机制砂 级砂堆积密度（）压碎值.饱和面干吸水率.强度活性指数 度为.，各项性能均满足 通用硅酸盐水泥（）中.级普通硅酸盐水泥要求；矿粉 活性指数为，各项性能均满足 用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（）中 级矿粉要求；碎石，为石灰岩破碎筛分制得，粒级范围为 ，压碎值为，其他各项性能均满足 建设用卵石、碎石（）中的要求。减水剂由山西德毅卓能提供，为多孔炉渣混凝土专用外加剂，固含量。.混凝土配合比鉴于小型预制构件对混凝土的流动性要求低，固定坍落度为 ，专用外加剂掺量为.（占胶凝材料总质量比例），采用碎石、机制砂作为集料，粉煤灰、矿粉作为矿物掺合料，配制了普通碎石机制砂混凝土（）；在 基础上，采用炉渣（）等体积代替机制砂并调整炉渣砂率为，配制了，系列碎石 炉渣混凝土；由后续研究可知 为最优砂率，在此基础上，采用 飞灰（）代替粉煤灰，并调整飞灰掺量为，配制了，系列碎石 灰渣混凝土，试验配比详见表。表 混凝土配合比.编号单位体积混凝土原材料用量（）抗压强度 水泥粉煤灰 飞灰矿粉 炉渣机制砂碎石 水 .第 期解卫江，等：灰渣制备轻质早强小型预制构件研究与应用续表 编号单位体积混凝土原材料用量（）抗压强度 水泥粉煤灰 飞灰矿粉 炉渣机制砂碎石 水 .试验方法.混凝土常规性能参照 普通混凝土拌和物性能试验方法标准（）测试新拌混凝土的坍落度，参照 混凝土物理力学性能试验方法标准（）测试混凝土的抗压强度。.混凝土耐久性能参照 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（）测试混凝土的胀缩性与抗冻性，其中胀缩性试验采用接触法，失水率为干缩质量损失占比，抗冻性试验分别采用了快冻法（对标 公路工程水泥混凝土制品 边坡砌块（）和慢冻法（对标 普通混凝土小型砌块（）。.微观检测 检 测 采 用 型 射 线 衍 射 仪（.，荷兰），衍射角度 。测试采用 型扫描电子显微镜（）（蔡司，德国）。灰渣混凝土组成与性能.炉渣砂率的影响经测试，混凝土的容重为 ，抗压强度为.，抗压强度为.。不同 炉渣砂率的碎石 炉渣混凝土的容重、需水量及抗压强度试验结果见图。结果表明，炉渣砂率对混凝土容重、用水量与强度影响显著，随着炉渣砂率的升高，混凝土容重逐渐降低，这是炉渣轻质所致，用水量先逐渐升高，当砂率超过 后，用水量急剧增加，这是由于 炉渣吸水率远高于机制砂，且多孔材料对外加剂具备一定的吸附作用所致；而混凝土强度先升后降，强度均在砂率为 时达到峰值，此 时 尽 管 混 凝 土 用 水 量 达 到 了 ，比 混凝土用水量高.，水胶比高达.，但 强度依旧可以达到.，较普通混凝土仅降低.，这可能是 炉渣的活性效应所致。以力学性能为主要指标，最优炉图 炉渣砂率对混凝土容重、用水量、抗压强度的影响.，渣砂率为，此时混凝土容重为 ，较普通混凝土降低。.飞灰掺量的影响不同飞灰掺量的碎石 灰渣混凝土的容重、用水量及抗压强度试验结果见图。结果表明，随着飞灰掺量的升高，混凝土容重公路交通科技第 卷图 飞灰掺量对混凝土容重、用水量、抗压强度的影响.，小幅下降，混凝土用水量逐渐升高，而强度先升后降，强度均在飞灰掺量为 时达到峰值，此时尽管 混凝土用水量较 又提高 ，达 到 了 ，水 胶 比 为.，但 是 其，抗 压 强 度 达 到.，.，分别较 提高.，.，这是因为 飞灰细度高，早期活性高于普通粉煤灰，而且超量取代进一步弥补了水胶比提高导致的强度降低。以力学性能为主要指标，最佳飞灰掺量为 ，此时混凝土容重为 ，较普通混凝土低.。灰渣混凝土耐久性.抗冻性能 灰渣混凝土用水量高，可能会对混凝土抗冻性产生不良影响。为此，对比研究了最优 灰渣混凝土配比 与 快速冻融 次的质量损失及慢冻 次的质量、强度损失，并与 公路工程水泥混凝土制品 边坡砌块（）和 普通混凝土小型砌块（）进行了对标分析，试验结果见表。表 灰渣混凝土与普通混凝土抗冻性.编号质量损失率 质量损失率 强度损失率 .通过分析表 可以看出，混凝土与 混凝土抗冻性相差不大，且均满足 中对于寒冷地区混凝土制品 质量损失的要求，和 中对于寒冷地区混凝土小型砌块 质量损失、强度损失的要求。一般混凝土用水量高会导致抗冻性差，碎石 灰渣混凝土用水量虽高，但是 灰渣活性高，水化过程会消耗大量水，炉渣的高吸水性，会将部分自由水储存在炉渣内部微孔内，导致胶材部位的实际水胶比降低，同时 飞灰的火山灰活性高，水化产物填充细化了胶材部分的孔隙，降低了冻融有害孔，且炉渣内部微孔也能起到缓解冻胀压力的作用，因而 灰渣混凝土抗冻性较好。.胀缩性能 灰渣硫酸盐含量高，可能会导致混凝土出现膨胀等体积不稳定的问题。为此，对比研究了 和 在温度 、湿度 条件下的体积变化率（体积变化率 为收缩）和失水率，试验结果见图。分析图 （）、图 （）可以看出，混凝土随自然养生龄期增长而持续收缩，而 混凝土在 内微膨胀而后收缩，且较 失水率高而收缩率小，在 龄期后两种混凝土干缩减弱并逐渐稳定，在 龄期收缩率只有 的 左右，且满足 普通混凝土小型砌块（第 期解卫江，等：灰渣制备轻质早强小型预制构件研究与应用图 灰渣混凝土与普通混凝土胀缩性能.）中对 型砌块.的线性收缩率要求。分析图 （）可以看出在失水率相同的情况下，灰渣混凝土的体积变化较普通混凝土小。这表明 灰渣中硫含量高，会导致混凝土产生微小的体积膨胀，但硫酸盐溶解较快，膨胀发生在早期且膨胀量微小，有利于早期强度的形成，后期膨胀减弱，在失水干缩与水泥水化收缩作用下出现收缩，但因 炉渣孔隙吸附有大量自由水，与轻集料类似，在干燥条件下缓慢释水，减少了混凝土的干燥收缩，因而累计收缩也低于普通混凝土。.长期强度观测与微观分析强度发展规律也能反映混凝土的体积稳定性。为此，对比研究了 和 在养护，的强度，试验结果见图，对 和 混凝土 龄期的胶砂部位进行取样制样，并进行 测试与 测试，试验结果见图、图。图 灰渣混凝土与普通混凝土不同龄期抗压强度.（方解石；氢氧化钙；钙矾石；石膏；石英）图 灰渣砂浆与普通砂浆 龄期 图谱.从强度发展规律来看，灰渣混凝土在早中期强度高、增长快，高于普通混凝土，但是到了 龄期，强度达到 后基本不再增长，强度略低于普通混凝土，但强度整体呈增长趋势，未发现倒缩，这也间接表明了 灰渣混凝土具有良好的稳定性。这是因为 灰渣具有较高的活性与自硬性，中前期可通过自身水化作用提高混凝土强度，中后期水化逐渐变慢对混凝土强度贡献降低，这时炉渣集料的强度成为限制混凝土强度增长的薄弱点，当强度增长到炉渣集料的承受极限时，混凝土强度不再有明显增长。对比图 和图 中 灰渣混凝土与普通混凝土 龄期的 和 可