低等级粉煤灰混凝土的力学性能研究

蒋 涛 曹峰铭

0 引言

粉煤灰混凝土是指将粉煤灰在混凝土搅拌前或搅拌过程中与其他组分一起掺入所制得的混凝土。在水泥混凝土中掺入适量粉煤灰后，不但可以节约水泥，而且混凝土的许多性能都可能得到改善。我国作为火力发电大国，每年粉煤灰排放量超过1.6亿t，粉煤灰资源十分丰富，但是我国电厂排放的粉煤灰中适于做粉煤灰水泥混合材的优质干排灰较少(Ⅰ级，Ⅱ级灰占5%，已基本用于水泥混合材和高强混凝土的活性掺合料)，95%以上为Ⅲ级灰或等外灰[1]，这些低质湿排灰活性较低，利用不便，不能直接用作水泥混合材。另外，目前粉煤灰混凝土中粉煤灰取代水泥量一般为10%～20%，并且其早期强度较低，当取代水泥量大于20%时就会导致混凝土强度特别是早期强度大幅度下降，这些原因导致我国的粉煤灰利用率较低，历年积存的粉煤灰已超过10亿t，造成了较大的环境污染。因此，在我国现阶段，如何提高粉煤灰的利用率成为科研人员的一项重要任务。基于我国建设工程中用量较大的是C30级左右的混凝土且大部分未掺或仅掺少量的粉煤灰。本研究以C30级混凝土为基准，高掺量掺入低等级粉煤灰经过一定的技术处理后配制C30级混凝土。

1 原材料

粉煤灰:本次实验所用的粉煤灰为大唐耒阳火力发电厂湿排原状粉煤灰，其化学成分和技术性能如表1所示。

表1 粉煤灰的化学成分及性能

水泥:衡阳市某品牌42.5R普通水泥。生石灰:衡阳市售磨细生石灰粉，80μ m方孔筛筛余1.3%。生石膏:衡阳市某水泥厂生石膏，SO3含量37.8%。粗骨料:湘江河卵石，最大粒径不超过30 mm。轻骨料:湘江河砂，细度模数2.4，属Ⅱ区中砂。化学激发剂:主要成分为硫酸钠和氢氧化钙混合物，掺入量1.3%。

2 试验方法与试验结果

2.1 粉煤灰活化处理

采用化学激发、水热激发与机械磨细相结合的高效复合活化技术对低等级粉煤灰进行活化处理，将其制备成具有高活性的活化粉煤灰，其活化处理方法为:将湿排粉煤灰与适量生石灰、石膏及激发剂等混合均匀并陈化一周，在105℃下烘干磨细(细度为45 μ m方孔筛筛余 5%左右)，即成为活化粉煤灰。

2.2 试验及试件

本次试验的粉煤灰混凝土以C30为基准。每组混凝土拌合物150 mm×150 mm×150 mm立方体试块成型24 h后脱模，然后于标养室中养护至试验龄期。按GBJ 81-85普通混凝土力学性能试验方法对试件进行抗压强度试验。

2.3 试验结果

表2 C30基准粉煤灰混凝土不同掺入量的混凝土的立方体抗压强度

由表2可知，随着粉煤灰掺入量的增加，早期强度逐渐下降，但后期强度基本上逐步增长，在15%～35%之间时，早期强度和后期强度均高于原状粉煤灰强度，故掺入量不宜大于35%。

3 机理分析

1)磨细后的粉煤灰，从活性效应上来说:通过磨细使粘结在一起的粗大多孔的玻璃体解体，释放出内部具有活性的玻璃微珠，改善了表面特性，减少了体系内摩擦，改善了骨料的级配，从而增强了粉煤灰的物理活性;另一方面，破坏了玻璃体表面坚固的保护膜，使内部活性SiO2，Al2O3溶出，聚合度降低，粉煤灰早期和后期反应能力均得以提高。从形态效应来说:玻璃微珠在粉煤灰中的比例增大，“滚珠”作用更为明显，减小内摩阻力，流动性更好。从微骨料效应来说:粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善了混凝土的孔结构和增大了密实度[1]。因此，粉煤灰混凝土强度得以提高。2)激发剂中的成分硫酸盐和氢氧化钙物质在水泥水化时起的激发作用在于:Na2SO4易溶解于水，且可与体系中Ca(OH)2反应生成高度分散的Ca-SO4，这种CaSO4比外掺的石膏更容易生成水化硫铝酸钙AFt，另一方面，Na2SO4可与体系中的Ca(OH)2反应生成NaOH，增加了体系的碱性，因此Na2SO4的激发实际上是强碱和硫酸盐的双重激发。采用Na2SO4激发时，水化产物的纤维状和网状结构更为完善，水化包裹层紧密度小，有利于Ca2+的扩散。Ca2+扩散到粉煤灰颗粒内部与内部活性SiO2，Al2O3反应，使得粉煤灰的活性激发得以继续发挥。其次也能置换出C-S-H凝胶中的部分，被置换出的在外层又与Ca2+作用生成 C-S-H，使粉煤灰活性激发得以继续进行;同时的存在又促进活性Al2O3的溶出，并且还可以吸附于玻璃体表面Al3+网络中间体活化点上，使Si—O和A1—O键断裂，这样更利于水化反应的进行。另外生成的CaSO4和AFt有一定的膨胀作用，可以填补水化空间的空隙，使硬化体的密实度提高，起到补偿收缩的作用。

4 结语

1)采用化学激发、水热激发与机械磨细相结合的高效复合活化技术对低等级粉煤灰进行活化处理，可以有效提高粉煤灰混凝土的强度，且粉煤灰的掺入量不宜超过35%。2)本研究侧重于强度方面，后续研究将注重粉煤灰混凝土耐久性的研究，解决强碱可能会引起碱骨料反应，硫酸盐可能会导致后期形成钙矾石(AFt)引起体积膨胀破坏及生石灰可能会引起体积安定性的问题。

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