粉煤灰、炉渣对混凝土抗压强度和吸水率的影响

王宁，安巧霞*，管裕，王柯，王艳虎

（1塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

（2塔里木大学南疆岩土工程研究中心，新疆 阿拉尔 843300）

我国电厂每年都会产生大量的粉煤灰、炉渣等工业废渣，将这些废渣用作混凝土材料，是实现工业废渣综合利用的有效途径之一。这不仅解决了废渣堆放占用土地、破坏土壤结构和污染环境等问题［1-2］，还节省了制备混凝土的原材料，同时提高工业废料的利用率［1］。众多学者就粉煤灰、炉渣在混凝土中的应用进行了一系列研究，也取得了一定的成果。张涛等［3］通过对炉渣化学成分、物理特性以及炉渣混凝土抗压强度、弹性模量、毒性特征沥滤方法等测试结果进行分析，发现炉渣替代天然粗集料不宜超过50%。杨雷等［4］研究了粉煤灰对炉渣喷射混凝土性能的影响，发现粉煤灰掺量为10%时最有利于炉渣混凝土强度的发展。李建文等［5］研究了粉煤灰掺量对高钛型高炉渣无砂混凝土抗压强度的发展规律，结果表明：当掺量为20%时最利于混凝土强度的发展。张涛等［6］、王山山［7］为了提高炉渣的资源利用率，通过试验研究了粉煤灰对炉渣混凝土工作性能和抗压强度的影响，并探讨了其影响机理。李树山等［8］探讨了粗骨料粒径、水灰比和龄期对混凝土抗压强度的影响。吴锦光［9］研究碎石粒径对C80高强混凝土拌合性能、力学性能及耐久性能的影响。但是，目前对炉渣替代粗骨料多集中在垃圾焚烧后的炉渣，燃煤炉渣多以研磨后替代部分水泥居多，而燃煤炉渣替代粗骨料及考虑其与粉煤灰在混凝土中协同作用以制备中等强度混凝土制品的研究比较少。粉煤灰、炉渣协同作用于混凝土中能够节约资源、提高工业废渣利用率，对比单一掺合料更有利于混凝土性能的改善。

查阅相关文献发现，粉煤灰作胶凝材料时，其替代率较佳为10%～20%［4-5］，炉渣作粗骨料替代率较佳为50%以内［3］。本研究以新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市盛源热电有限责任公司的粉煤灰和燃煤炉渣作为掺合料，研究粉煤灰替代部分水泥（替代率分别为0%、5%、10%、15%、20%），炉渣替代部分粗骨料（替代率分别为0%、3%、5%、8%、10%），及骨料粒径（5～20 mm、5～25 mm、5～31 mm、5～40 mm）对混凝土抗压强度和吸水率的影响，在满足混凝土设计强度要求下，进一步提高工业废渣利用率，来确定本研究中粉煤灰、炉渣的最佳替代率及最佳骨料粒径。

1 材料与方法

1.1 原材料

试验选用新疆青松化工集团股份有限公司生产的青松牌P·O 42.5级水泥，各项性能指标见表1，粗骨料粒径为5～20 mm、5～25 mm、5～31 mm、5～40 mm连续级配，物理性能详见表2。细度模数为2.66的水洗中砂，含水率1.8%，表观密度为2 625 kg/m3，堆积密度为1 556 kg/m3，空隙率为40.72%。二级粉煤灰（阿拉尔市盛源热电有限责任公司）表观密度为1 690 kg/m3，炉渣（阿拉尔市盛源热电有限责任公司）表观密度为1 273 kg/m3，堆积密度为461.5 kg/m3，吸水率为25.61%，空隙率为63.75%，压碎指标为46.3%，其化学成分见表3，石子、炉渣筛分结果见表4，燃煤炉渣外貌形态如图1所示；聚羧酸早强型高效减水剂（湖南中岩建材科技有限公司）减水率为30%，固含量为53.6%；拌和用水选用新疆生产建设兵团第一师阿拉尔市政供应的自来水。

图1 燃煤炉渣外貌形态

表1 水泥各项性能指标

表2 不同粒径粗骨料的物理指标

表3 粉煤灰、炉渣化学成分 %

表4 石子、炉渣筛分结果

2 混凝土配合比设计及试验方法

本研究以民用建筑常用的C30混凝土作为基准混凝土，参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[10]，对混凝土进行配合比设计，水灰比取0.7，混凝土基准配合比设计如表5。

表5 混凝土基准配合比设计

采用单因素试验法，在粉煤灰替代水泥，质量替代率为15%时，燃煤炉渣替代粗骨料，质量替代率分别为0%、3%、5%、8%、10%，研究燃煤炉渣替代率对不同龄期混凝土抗压强度和吸水率的影响，确定燃煤炉渣最佳替代率。基于以上燃煤炉渣最佳替代率，用粉煤灰替代水泥，质量替代率分别为0%、5%、10%、15%、20%，研究粉煤灰替代率对不同龄期混凝土抗压强度和吸水率的影响，确定粉煤灰最佳替代率。在粉煤灰及燃煤炉渣最佳替代率下，研究骨料粒径（5～20 mm、5～25 mm、5～31 mm、5～40 mm）对不同龄期混凝土抗压强度和吸水率的影响，确定最佳骨料粒径。

试配混凝土拌合物性能采用GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》［11］进行测定。采用150 mm×150 mm×150 mm试模成型试件，经标准养护后，混凝土的抗压强度、吸水率指标参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》［12］的规定进行。

3 试验结果与分析

3.1 炉渣替代率对混凝土抗压强度和吸水率的影响

炉渣替代率对混凝土抗压强度、吸水率的影响如图2～3所示。当粉煤灰替代率一定时（15%），混凝土3 d、7 d抗压强度随着炉渣替代率的增大呈现下降-上升-下降的趋势；28 d的抗压强度则呈现逐步下降的趋势，在炉渣替代率为10%时28 d抗压强度下降至最小，为24.86 MPa；炉渣替代率为0%、3%、5%、8%时28 d抗压强度分别为31.53 MPa、31.45 MPa、31.01 MPa、28.3 MPa。在满足强度设计要求下，考虑到炉渣的利用率，所以确定炉渣最佳替代率为5%；且随着炉渣替代率的增大混凝土吸水率逐渐增大，到炉渣替代率为8%时吸水率逐渐减小。这可能是炉渣表面粗糙、形状不规则、结构疏松多孔具有较强的吸水性，不利于混凝土的强度发展，但粉煤灰本身对混凝土具有改性作用，能节约用水、改善混凝土和易性、抑制混凝土泌水、降低混凝土水化热，在一定程度上能提高混凝土的抗压强度［13］。随着炉渣替代率的逐渐增大，炉渣在混凝土发展中占据主要影响因素，因此随炉渣替代率的增大其抗压强度、吸水率整体呈现先升后降趋势。

图2 炉渣替代率对混凝土抗压强度的影响

图3 炉渣替代率对混凝土吸水率的影响

3.2 粉煤灰替代率对混凝土抗压强度和吸水率的影响

粉煤灰替代率对混凝土抗压强度、吸水率的影响如图4～5所示。当炉渣替代率一定时（5%），混凝土3 d、7 d、28 d抗压强度随粉煤灰替代率的增加均呈现“M”型的变化趋势，在粉煤灰替代率为0%时28 d抗压强度最小，为25.47 MPa，粉煤灰替代率5%时28 d抗压强度最大，为31.84 MPa；粉煤灰替代率在0%～5%时混凝土吸水率增大，而后随着粉煤灰替代率的增大混凝土吸水率逐渐减小。这可能是由于炉渣表面粗糙、形状不规则、结构疏松多孔具有较强的吸水性，不利于混凝土的强度发展造成混凝土在粉煤灰替代率3%时抗压强度下降。但粉煤灰对混凝土具有改性作用，能节约用水、改善混凝土和易性、抑制混凝土泌水［13］，其颗粒稳定表面致密，粉煤灰中的活性物质与水泥水化产物进行缓慢，随养护时间的增加混合物中的Ca(OH)2浓度越来越大，向孔隙中不断渗透，物料之间开始频繁接触生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝体［5-6］，能够使粗骨料和水泥砂浆之间的粘结力增强，有利于混凝土强度发展。但是随替代率的增大粉煤灰不能有效的被利用，混凝土的强度又会呈现下降趋势［6］。复合使用粉煤灰替代水泥和炉渣替代粗骨料时，在满足混凝土设计强度要求的前提下，尽可能提高工业废渣利用率，因此本研究确定粉煤灰最佳替代率为15%。

图4 粉煤灰替代率对混凝土抗压强度的影响

图5 粉煤灰替代率对混凝土吸水率的影响

3.3 骨料粒径对混凝土抗压强度和吸水率的影响

粉煤灰替代率为15%、炉渣替代率为5%时不同骨料粒径对混凝土抗压强度、吸水率的影响如图6所示。混凝土3 d、28 d抗压强度随着骨料粒径的增大呈现先下降后上升再下降的趋势，7 d抗压强度则随着骨料粒径的增大先减小后增大，吸水率则随骨料粒径增大而增大。这可能是因为随着骨料粒径的增大，骨料与水泥砂浆的粘结面积会减小，在骨料界面过渡区的Ca(OH)2晶体的定向排列程度增大，使得界面结构降低。而且混凝土内部粗骨料之间、炉渣内部出现较多孔隙［14］。另外在振捣过程中能改善粗骨料的均匀性，粗骨料的有害气孔减少且周围的水膜层变薄［8］。故混凝土抗压强度得到一定的提高且其吸水率随骨料粒径的增大而增大。粒径在不超过20 mm时混凝土28 d抗压强度较大，能达到33.62 MPa。

图6 骨料粒径对混凝土抗压强度、吸水率的影响

4 结论

通过试验可以得出以下结论：

1）当粉煤灰替代率一定时（15%），炉渣替代率10%时混凝土的28 d抗压强度较小，为24.86 MPa；炉渣替代率0%时混凝土的28 d抗压强度最大，为31.53 MPa；其吸水率则随着炉渣替代率的增大呈现先增大后减小的趋势。当炉渣替代率一定时（5%），粉煤灰替代率0%时28 d抗压强度最小，为25.47 MPa；粉煤灰替代率为5%时28 d抗压强度最大，为31.84 MPa；其吸水率则随粉煤灰替代率的增大呈现先上升后下降的趋势。

2）从混凝土28 d抗压强度、工业废渣利用率两方面综合考虑确定最佳替代率，即为粉煤灰替代15%水泥、炉渣替代5%粗骨料，其混凝土28 d抗压强度为31.01MPa。

3）在粉煤灰替代15%水泥、炉渣替代5%粗骨料时，混凝土的抗压强度随骨料粒径的增大而减小，其吸水率则呈上升趋势，在粉煤灰替代15%的水泥、炉渣替代5%的粗骨料时，且骨料粒径不超过20 mm时，混凝土28 d抗压强度达到33.62 MPa，能满足强度为C30的混凝土强度要求。