引起混凝土开裂的粉煤灰掺合料品质特征试验研究

唐利妹，肖 丰，王广华，溪新新，韦立锦，曹德光

(1.广西大学材料科学与工程学院，广西南宁530000;2.华润水泥南宁混凝土公司江南搅拌，广西南宁530000)

粉煤灰是目前商品混凝土用量非常大的原材料之一，在混凝土中掺入粉煤灰不仅可以改善混凝土的工作性能，减少水泥用量从而降低生产成本，又减少了环境污染、促进了资源的综合利用。然而对于不同来源的粉煤灰，由于不同的燃烧技术和工艺过程使得产生的粉煤灰中会含有不同的矿物组成，有的粉煤灰供应商为了经济效益会掺入各种各样的非粉煤灰物质。当这些杂质矿物含量达到一定水平时，如果不调整混凝土制备工艺参数，有可能会对混凝土生产产生严重的不良后果。国家标准中对混凝土用粉煤灰的细度、需水量比、烧失量、含水量、三氧化硫、游离氧化钙和安定性进行了等级标准界定。众所周知，混凝土用粉煤灰的内在特性是由粉煤灰中的玻璃相等物相组成及其颗粒形态等特征决定的。实际生产过程中，国标中的指标体系只能部分的表征出粉煤灰的内在品质，因此会造成混凝土生产企业在使用粉煤灰时出现混凝土质量波动，严重时产生开裂的严重后果［1-4］。

本文利用X射线衍射分析仪、荧光分析仪及粒度分析仪等检测手段对引起混凝土开裂与不开裂的多种粉煤灰掺合料品质特征进行表征，对粉煤灰的矿物组成、化学组成、颗粒形貌和粒径分布等品质特征进行了试验研究。试图从试验结果中将各种粉煤灰的矿物组成特性与所制备的混凝土性质进行关联，归纳分析引起水泥混凝土开裂的主要原因，并针对该原因进行快速检测粉煤灰中主要影响原因方法的探索，从而为混凝土用粉煤灰的品质鉴定提供了应用参考依据。

1 原材料及其特征

为了对不同类型的粉煤灰进行比较归纳研究，本次试验共选择了9个粉煤灰试验样品，具体见表1。

表1 试验选用的粉煤灰原料

1.1 粉煤灰的形态特征

根据粉煤灰的颗粒形状，粉煤灰可分为球形颗粒与不规则颗粒，不规则颗粒包括多孔状玻璃体、钝角颗粒、微细颗粒、含碳颗粒［5］。图1、2为4#和6#粉煤灰的SEM照片。分析发现4#粉煤灰多为不规则的片状结构还有少量的球形颗粒。6#粉煤灰大多数为球形颗粒，还有少量的不规则多孔玻璃颗粒、微细颗粒和钝角颗粒。图3、4为4#和6#粉煤灰的SEM/EDS扫描图谱。通过图3可以看出其主要组成为CaCO3、SiO2和Al2O3，并含有少量的Fe2O3、MgO等。通过图4可以看出其主要组成为SiO2和Al2O3，并含有少量的Fe2O3、残碳等。谱图中Au峰是试验过程中镀膜所产生的。

图1 4#粉煤灰SEM图

图3 4#粉煤灰SEM/EDS扫描图谱

图4 6#粉煤灰SEM/EDS扫描图谱

图2 6#粉煤灰SEM图

1.2 粉煤灰的化学成分

粉煤灰是一种火山灰质材料，来源于煤中的粘土矿物等无机组分，此外在脱硫过程中可能会加入石灰石等脱硫剂等物质。因此，粉煤灰化学成分以SiO2和 Al2O3为主，其它成分为 Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3及未燃尽有机质(烧失量)。不同来源的煤和不同燃烧条件下产生的粉煤灰，其化学成分差别很大。本文所使用的粉煤灰化学组成见表2。

表2 粉煤灰的化学组成分析结果 /%

1.3 粉煤灰的矿物组成

表3是粉煤灰的主要矿物组成。

表3 粉煤灰的主要矿物组成 /%

采用丹东通达TD-2500 X射线衍射分析仪对试验粉煤灰样品进行物相分析，图5和图6是2种代表性样品的XRD衍射图谱，由图可知，本试验研究中的粉煤灰中的主要矿物种类是玻璃体、石英、莫来石和方解石。

图5 4#粉煤灰的XRD

图6 6#粉煤灰的XRD

1.4 粉煤灰的颗粒组成

采用丹东市百特BT-9300H激光粒度仪对各样品进行检测，其测试结果如图7和表4。

表4 各粉煤灰样品粒度特征值

图7 1#-5#粉煤灰的颗粒分布

由图7和表4可见4#和5#粉煤灰的粒度明显小于其他粉煤灰样品。

1.5 代表性粉煤灰的差热分析特征

图8和图9是4#、5#、6#、9#粉煤灰的差热图谱，由图可见4#和5#粉煤灰在700℃ ～800℃之间存在一个明显的吸热谷，5#在600℃左右存在一个放热峰，其他粉煤灰在该温度段不存在明显的吸热峰和放热峰。两处热效应都对应了失重过程。

图8 4#、5#、6#和9#样品的 DTA曲线比较

图9 4#、5#、6#和9#样品的TG曲线图比较

由图的TG可看出，4#和5#的在750℃ ～850℃的范围内，4#粉煤灰失重为11.21%，5#粉煤灰失重为9.26%。另外在600℃左右有约3%的重量损失。

2 试验结果及其分析

比较各种粉煤灰的XRD结果可以发现，4#和5#粉煤灰中出现较明显的方解石矿物，其方解石含量明显大于其他粉煤灰，从图5和图6热分析结果可以进一步证实750℃ ～850℃的范围内，4#和5#粉煤灰失重属于方解石的分解吸热失重过程。以方解石计，4#和5#中的碳酸钙的含量分别为25%和21%。5#样在600℃左右的3%重量损失属于未燃尽的煤炭。表2中4#和5#粉煤灰含有较多的CaO和烧失量进一步印证了上述结论。

对各种粉煤灰的颗粒分布特征进行比较发现，4#和5#粉煤灰的颗粒度明显偏小，以比表面积指标进行比较，4#和5#粉煤灰的比表面积是其他粉煤灰的1倍左右，4#粉煤灰又大于5#粉煤灰，这与其中方解石含量相对应，这说明方解石在粉煤灰中是以极小的颗粒存在的，方解石易磨性较好是导致含方解石较多的粉煤灰比表面积较大的原因。

将上述粉煤灰特性的差异与表1中混凝土特性进行比较可以发现，含方解石较多的4#和5#粉煤灰出现了裂纹。因此可以得出结论，粉煤灰中含有20%以上的细颗粒方解石时，如果仍然按照粉煤灰进行使用，容易引起混凝土的开裂现象产生。

根据GB1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的规定，对用于混凝土中的粉煤灰进行了相关技术指标的规定，对于C类バ级粉煤灰，要求氧化钙含量10%以下，烧失量15%以下，45um方孔筛筛余不大于45%。按照以上指标，5#样品与C类三级粉煤灰的指标要求相近，细度则较细，但其性能已经偏离粉煤灰的基本特性，呈现出非正常粉煤灰的特征，导致使用4#和5#掺合料样品的混凝土需水量增大，并引起混凝土裂纹产生。因此在实际使用过程中，需要对此类非正常粉煤灰进行有效的鉴别。

3 非正常粉煤灰的鉴别方法试验探索

对于上述非正常粉煤灰，因含有大量的方解石，因此可利用此特征对其进行鉴别。一方面要检测方解石的存在与否，二是检测其含量。只有含有一定的方解石数量之后，才可能引起粉煤灰特性的质变。显然，XRD定量分析和TG分析技术具有定性和定量分析粉煤灰中方解石含量的能力。

XRD定量分析采用外标法进行定性定量分析，通过测定不同方解石含量的粉煤灰中方解石特征峰的峰背比，建立快速测定粉煤灰中方解石含量的工作曲线，由此检测待测样品中的方解石含量。图10为粉煤灰中方解石含量在0～40%范围内的方解石含量检测工作曲线，通过这条工作曲线，对4#和5#样品进行了验证试验，结果见表5。

图10 测定粉煤灰中方解石含量的工作曲线

特定温度段失重技术则利用方解石热分解温度在750℃ ～850℃范围的特征，采用特定温度段的烧失量法对粉煤灰中的方解石含量进行检测。具体方法是将一定重量的干燥样品置于700℃下进行灼烧至恒重，目的是消除未燃尽煤炭的影响，随后升温到900℃灼烧至恒重，900℃和700℃之间的重量差可视为方解石的分解失重量。按照此方法对上述4#和5#样品进行了检测，并配置了20%方解石含量的试样进行对比，结果见表5。

表5 对比样、4#和5#样品的XRD和特定温度段失重法定量检测结果 /%

比较表5的结果可见，XRD和特定温度段失重法定量检测结果相近，与对比样的结果也说明，上述2种检测方法可用于粉煤灰中方解石含量的生产控制过程。

4 结论

粉煤灰混凝土掺合料的生产过程中有可能引入较多的方解石，当方解石含量达到20%以上时，将会引起粉煤灰掺合料特性的改变，如需水量比相对较大，混凝土表面出现裂纹等，因此有必要对其进行甄别;采用XRD外标定量分析法或特定温度段失重分析法，可以检测出粉煤灰中方解石的含量，第二种方法简便易行，可适用于常规实验室条件，对含有方解石粉煤灰的品质控制具有现实意义。

［1］ 杨红彩，郑水林.粉煤灰的性质及综合利用现状与展望［J］.中国非金属矿工业导刊，2003.4

［2］ 郭艳玲.粉煤灰的性质及综合利用分析［J］.

［3］ 李慎新.粉煤灰的性质与应用［J］.《中华文化论坛》，2008.8

［4］ 聂轶苗，刘淑贤，牛福生，张晋霞，白丽梅.粉煤灰研究进展及展望［J］.混 凝 土，2010年第 4期

［5］ 李广彬，王琼，韩曦，於林锋.超细粉煤灰的特性研究［J］.