水利工程大体积混凝土掺磨细炉渣的性能研究

侯丽新

（新民市金缘水利水建工程有限公司，辽宁 新民 110300）

0 引 言

电厂灰渣是火电厂炉底渣、粉煤灰的统称，磨细粉煤灰是指经粉磨达到规定细度的干燥粉煤灰产品，经过磨细或分选后达到现行标准要求的粉煤灰可以改善混凝土的力学性能及其和易性，有利于控制绝热温升，保证工程质量，减少水泥用量，降低投资成本[1]。对于用处不大的等级外粉煤灰和炉底渣，在建厂时许多火电厂就规划建设堆灰场地。目前，粉煤灰已广泛应用于工民建和水利工程等领域，并取得显著的社会经济效益，磨细粉煤灰也取得一定的应用。然而，随着粉煤灰资源的萎缩以及绿色环保理念的增强，加之电厂炉渣造成的环境污染、土地资源占用和维护耗费成本增大等问题，电厂炉渣的使用价值未达到充分开发[2-4]。因此，研究水利工程大体积混凝土掺电厂炉渣的可行性极具现实意义，既可以减少土地占用，更好地保护自然环境，还可以降低工程的投资和维护成本。在使用工业废渣时虽然需要加工粉磨，也会消耗一定的能源，但相比于其产生的社会经济效益可以忽略不计[5]。因此，文章紧紧围绕降低能耗、可持续发展和绿色环保的原则，试验探讨水利工程大体积混凝土掺磨细炉渣的性能，通过化学成分、物理性能、微观形态、外加剂适应性分析揭示磨细炉渣对水泥和混凝土性能的影响，并进一步对比分析粉煤灰与磨细炉渣的性能，以期为大体积混凝土掺磨细炉渣的配合比设计提供一定参考。

1 试验研究

1.1 成分检测

平行检测Ⅱ级粉煤灰、磨细炉渣的化学成分检测数据，如表1 所示，结果发现两种掺合料化学成分相差不大，Ⅱ级粉煤灰仅有烧失量低于磨细炉渣，各性能指标符合《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》中的控制标准。

表1 化学成分检测数据 %

1.2 物理性能

检测分析Ⅱ级粉煤灰和磨细炉渣的活性指数、物理性能，如表2 所示。结果表明，磨细炉渣的细度略高于粉煤灰，通过调整磨粉工艺可以将细度控制到规定范围，其安定性、需水量比、放射性和含水量均符合现行规范技术要求。另外，磨细炉渣的细度和比表面积均高于粉煤灰，表明两者的颗粒形状和级配具有明显差异，经粒度分析发现粉煤灰的平均粒径大于磨细炉渣。在实际生产时必须严格控制细度，通过试验分析合理确定磨细炉渣最优细度[6]。

表2 物理性质测试结果

磨细炉渣的掺入在一定程度上增大了水泥胶砂需水量，并且掺量越高需水量越大，磨细炉渣相较于Ⅱ级粉煤灰的需水量略高。

1.3 微观形态

采用SEM 扫描电镜观测磨细炉渣的玻璃体含量和微观形貌结构，结果显示细度相同的Ⅱ级粉煤灰和磨细炉渣颗粒形状非常相似，大多为不规则块或球形，但球状颗粒大小和玻璃体含量存在不明显差异[7-8]。磨细炉渣相对于Ⅱ级粉煤灰，其不规则颗粒较多而球状颗粒、玻璃体含量偏少；粉煤灰颗粒表面光滑，球状颗粒和玻璃体含量稍高，磨细炉渣与粉煤灰相同也具有微集料形态和填充效应。

1.4 外加剂适应性

外加剂选用DH9 型引气剂和高效缓凝型HT-1C 减水剂，采用三级配常态混凝土配合比试验观测新拌混凝土的和易性，并观测分析外加剂与磨细炉渣的适应性。结果显示，常态混凝土拌合物无泌浆、泌水、假凝现象，骨料包裹及整体和易性良好。总体而言，磨细炉渣与外加剂之间的适应性较好。

2 结果与分析

2.1 水泥胶砂试验

通过水泥胶砂试验，研究探讨20%、40%、60%磨细炉渣掺量对水泥性能的影响，水泥胶砂试验数据，如表3 所示。

表3 水泥胶砂试验数据

对比分析可知，磨细炉渣的掺入在不同程度上降低了水泥胶砂的抗压、抗折强度比，并且掺量越高降幅越大，该变化规律与粉煤灰相同。掺量相同情况下，掺粉煤灰和磨细炉渣的水泥胶砂抗折、抗压强度比相差不大，这表明磨细炉渣的活性效应与粉煤灰基本相同[9]，水化热测试数据，如表4 所示。

表4 水化热测试数据

从表4 可以看出，Ⅱ级粉煤灰和磨细炉渣会降低水泥水化热，并且掺量越高降幅越大。掺量相同情况下，磨细炉渣的水化热降幅与粉煤灰基本相当。

2.2 混凝土试验

2.2.1 力学性性能

为深入探讨水工混凝土性能受磨细炉渣的影响作用，原材料选用Ⅱ级粉煤灰、磨细炉渣、DH9 型引气剂、高效缓凝型HT-1C 减水剂、海螺P·MH42.5中热硅酸盐水泥、花岗岩骨料以及当地自来水，以三级配常态混凝土为基准合理设计配合比，试验配合比,如表5 所示。平行检测掺磨细炉渣和粉煤灰混凝土的极限拉伸值、弹性模量、抗压和抗拉强度等，力学性能试验结果，如表6 所示。

表5 试验配合比

表6 力学性能试验结果

试验表明，掺磨细炉渣的B 组试件极限拉伸值、弹性模量、抗压和抗拉强度明显高于掺粉煤灰的A组，究其原因是磨细炉渣的比表面积更大且细度更细；掺磨细炉渣与粉煤灰的混凝土强度发展系数整体相差不大，但掺磨细炉渣的B 组略低；掺磨细炉渣的B 组试件极限拉伸值略小而弹性模量较高。因此，水工混凝土掺磨细炉渣可以在一定程度上提高抗压强度，其力学性能略优于粉煤灰[10-11]。

2.2.2 变形性能

通过自生体积变形和干缩试验，对比分析混凝土变形性能受Ⅱ级粉煤灰、磨细炉渣的影响，混凝土变形性能，如图1 所示。由图1(a)可知，60d 龄期前水工混凝土具有较快的干缩变形速率，60d 后逐渐放缓，180d 龄期时开始趋于稳定，且60d 后掺粉煤灰的A 组试件干缩率略高于掺磨细炉渣的B 组。由图1(b)可知，两组试件的自生体积变形表现出相同的发展趋势，150d 龄期前掺磨细炉渣的B组试件整体呈微收缩状态，之后逐渐表现出微膨胀状态；研究期间，掺粉煤灰的A 组试件始终处于微膨胀状态，并且微膨胀量明显高于B 组。

图1 混凝土变形性能

2.2.3 耐久性能

不同龄期的碳化深度以及不同冻融循环次数下的抗冻性试验数据，耐久性试验数据，如表7 所示。结果表明掺Ⅱ级粉煤灰的A 组和磨细炉渣的B 组抗冻、抗渗等级均达到设计要求，混凝土掺两种掺合料的耐久性相差不大，均达到设计要求。结合碳化深度值，掺磨细炉渣的B 组试件碳化深度略高于掺粉煤灰的A 组，说明粉煤灰的抗碳化能力略优。

表7 耐久性试验数据

2.2.4 热学性能

经试验检测，掺Ⅱ级粉煤灰的A 组和磨细炉渣的B 组试件线膨胀系数依次为5.126×10-6/℃、5.580×10-6/℃，均未超出可控范围。采用热物理参数仪测定混凝土绝热温升值，结果显示A 组和B 组试件28d 绝热温升实测值依次为21.06℃、20.85℃，结合实践经验掺Ⅱ级粉煤灰与磨细炉渣的绝热温升基本相等。

3 结 论

1）经检测，粉煤灰的形貌结构、颗粒形状、化学成分与磨细炉渣相差不大，其各性能指标符合现行规范的控制标准，说明粉煤灰与磨细炉渣所发挥的微集料、形态和活性效应等基本相同。

2）磨细炉渣与常用引气剂、减水剂的适应性良好，掺入适量磨细炉渣可以配制出符合耐久性、强度要求的混凝土，其和易性、热学、力学、耐久和变形性能较好。在大体积混凝土中磨细炉渣具有广发应用前景，其利用价值显著。

3）为明确实际工程中磨细炉渣的最佳掺量，建议结合具体情况采取适配试验，经试验验证确定最优细度，更好地保证混凝土质量。