双掺半干法脱硫灰和矿粉对混凝土性能的影响

胡丽翔（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350）



双掺半干法脱硫灰和矿粉对混凝土性能的影响

胡丽翔
（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350）

研究了半干法脱硫灰对添加矿粉的混凝土性能的影响.结果表明：掺量为15%，的半干法脱硫灰可以改善混凝土的工作性，坍落度由未掺的基准组170，mm增大至180，mm；不同掺量（5%，10%，15%，20%）的半干法脱硫灰均降低矿粉混凝土的力学性能；掺量为15%，的半干法脱硫灰可以降低混凝土的收缩，其90，d收缩值相比基准混凝土降低了23%，；随着半干法脱硫灰掺量的增加，混凝土的抗碳化能力是先降低后增加.当掺量为15%，时，可获得较高的抗碳化能力.混凝土抗冻性能随着半干法脱硫灰掺量的增加而呈现出先提高后减小的趋势.当掺量为15%，时，混凝土可获得最佳抗冻性能.

半干法脱硫灰；矿粉；收缩；冻融；碳化；混凝土

当前，采用半干法脱硫工艺排出的烟气脱硫灰即半干法脱硫灰的处置方式大多为弃置填埋，占用大量的土地，进而造成环境污染和资源的浪费.因此，如何有效处置与利用半干法脱硫灰已成为研究热点.为此，近年来，研究者纷纷研究了半干法脱硫灰作为水泥基复合材料矿物掺合料［1-5］、特种水泥［6］、水泥缓凝剂［7］、蒸养砖［8］、特种混凝土和聚合材料［9］、土壤改良剂［10］等可行性，并取得了一定成果.为进一步减少土地占用，降低环境污染，提高半干法脱硫灰利用率和附加值，本文开展了半干法脱硫灰和矿粉双掺对混凝土力学性能、工作性能和耐久性能的影响研究，以期进一步推动半干法脱硫灰的应用技术水平.

1 原材料与试验方法

1.1 试验原材料

水泥：采用天津骆驼水泥厂生产的P·O 42.5型硅酸盐水泥.

半干法脱硫灰：比表面积6，200，cm2/g，密度2，380，kg/m3.

矿粉：采用天津强实力提供的S95级矿粉，密度为2，830，kg/m3，比表面积420，m2/kg.

以上材料化学成分见表1.

细骨料：河沙，表观密度2，630，kg/m3，细度模数2.6.

表1 水泥、矿粉及脱硫灰的主要化学成分 %

粗骨料：石灰岩碎石，颗粒级配为5～25，mm的连续级配，表观密度为2，750，kg/m3.

1.2 混凝土配合比设计

为探明半干法脱硫灰和矿粉双掺对混凝土性能的影响，按表2设计了5种不同配合比.其中0#试样代表仅单掺矿粉的对照组；1#-4#试样是指半干法脱硫灰掺量分别为矿粉用量的5%，10%，15%，和20%.

表2 混凝土配合比设计 kg/m3

1.3 试验方法

混凝土拌合物的坍落度、工作性方法按GB/ T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行.混凝土的强度测试方法按照GB/ T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行.采用尺寸为100，mm×100，mm×515，mm的棱柱体试件作为混凝土的收缩试件.首先从标准养护室移至恒温恒湿室测定其初始长度，随后测试1，3，7，14，28，45，60，90，d （从移入恒温恒湿室内算起）下的混凝土变形值.采用尺寸为100，mm× 100，mm×400，mm的棱柱体试件作为混凝土的冻融循环试件.试验方法按GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中快冻法进行.同时，成型100，mm×100，mm×400，mm的棱柱体试件，每组3块以进行混凝土碳化试验.经标准养护后，将试样放在碳化箱的铁架上，碳化表面间距应不低于50 mm，测定碳化时间为3，7，14，28，d时的碳化深度.氯离子渗透性试验按电通量方法进行，试验前先将试件（φ100，mm×50，mm）真空饱水24，h，然后将混凝土试件的侧面密封，将密封后试样安装到试验箱上.试验过程中每隔30，min记录一次电流大小，试验持续6，h，计算出试件6，h中通过的总电量，通过总电量的大小评定混凝土渗透性的高低.

2 结果与讨论

2.1 半干法脱硫灰对矿粉混凝土工作性的影响

表3显示的是半干法脱硫灰对矿粉混凝土工作性能的影响.由表3可知，掺有矿粉的混凝土初凝时间和终凝时间随着半干法脱硫灰掺量的增加而相应延长.掺有半干法脱硫灰和矿粉的混凝土（5%，～20%，）初凝时间相比对照组延长了1.5，h左右，而终凝时间延长了1.5～2.0，h左右.这表明半干法脱硫灰的掺入改变了水泥水化速度.这是因为半干法脱硫灰中含有较多的石膏，而石膏会与铝酸三钙发生反应形成钙矾石和低硫型硫铝酸盐，而形成的这些水化产物会覆盖在水泥颗粒表面，这样势必会减少水分与水泥颗粒的接触，从而延缓水泥的水化，进而延长混凝土的凝结时间.

表3 混凝土工作性

此外，掺有矿粉的混凝土坍落度随着半干法脱硫灰掺量的增加呈现出先增大后减小的规律.由基准未掺的170，mm增大至掺量15%，的180，mm，然后降低至掺量20%，的165，mm.同时由1，h坍损可知，试验组混凝土1，h坍损不大于基准组.这表明半干法脱硫灰在一定掺量下可以改善新拌混凝土坍落度性能.这是由半干法脱硫灰的润滑和吸附双重作用造成的结果.一方面半干法脱硫灰的颗粒中含有大量的表面光滑、粒径不等的球状玻璃体，具有良好的形态效应，进而可以润滑混凝土拌合物，减少用水量.然而当超过一定掺量（15%，）后，其吸附效应占主要作用，从而使其表现出较强吸水性，进而表现出含有矿粉的混凝土坍落度降低.另外，由于半干法脱硫灰活性相比矿粉而言较低，胶凝材料总的水化速率随着其取代矿粉量的增加而逐渐降低，进而减小了混凝土拌合物的坍落度损失［11］.

2.2 半干法脱硫灰对掺有矿粉的混凝土力学性能的影响

图1-2分别显示的是半干法脱硫灰对矿粉混凝土抗压强度和抗折强度的影响.从图1和图2可知，混凝土的强度随着半干法脱硫灰掺量的增加均低于对照组.另外还可发现，在相同龄期下，混凝土强度均随半干法脱硫灰掺量的增加而逐渐降低.这种现象主要归因于半干法脱硫灰的活性相比于水泥、矿粉而言较低.但是当掺量为15%，时，发现其抗压强度和抗折强度接近于对照组.这主要是因为半干法脱硫灰形成的二次水化产物和AFt晶体能很好地填充孔隙，进而增加混凝土结构的密实性.当掺量增加至20%，时，混凝土的力学性能反而降低，这是由于半干法脱硫灰掺量过大，导致混凝土内部形成过多的AFt晶体，而过多的AFt晶体会引起混凝土结构体积膨胀，从而会降低混凝土的力学性能.

图1 半干法脱硫灰对抗压强度的影响

图2 半干法脱硫灰对抗折强度的影响

2.3 半干法脱硫灰对掺有矿粉的混凝土耐久性能的影响

2.3.1 收缩性能

图3显示的是半干法脱硫灰对掺有矿粉的混凝土收缩性能的影响.由图3可知，与对照组相比，试验组的变化趋势是均能降低混凝土的收缩性能，但降低程度随着半干法脱硫灰掺量的不同而不同.当半干法脱硫灰掺量增大至15%，时，混凝土收缩率降低最大.试验组混凝土的收缩率在90，d龄期时，相比对照组试样降低了23%.然而若继续增加掺量，混凝土的收缩率就会增大，但仍低于对照组.这是因为半干法脱硫灰改善了混凝土的保水性，水分不易蒸发.另外，由于脱硫灰活性低，其早期水化反应慢，进而使得混凝土结构中含有的自由水含量相对增多，从而相对减少混凝土的开裂趋势，增强其抗开裂性能［12-13］.另一方面，由于微集料效应及火山灰反应，半干法脱硫灰在水泥浆体中会生成大量的C-S-H凝胶，填充了孔隙，而这些孔隙一般都较大，C-S-H凝胶的填充相应地补偿了部分干缩.另外，由于矿粉用量相应减少，干缩就会减少，同时半干法脱硫灰比表面积较大，因此亲水性比矿粉好，能大大地减少因泌水而形成的开口孔的数量.然而当掺量过大时，由于半干法脱硫灰的火山灰反应需要较多的水分，从而降低混凝土内部的湿度，增大混凝土收缩开裂的趋势.

图3 半干法脱硫灰对混凝土收缩率的影响

2.3.2 抗氯离子渗透性能

半干法脱硫灰对混凝土抗氯离子渗透性的影响结果如图4所示.由图4可以看出，混凝土的电通量随着半干法脱硫灰掺量的增加而呈现出先增大后减小的趋势，但均高于对照组.这表明半干法脱硫灰的加入不利于混凝土抗氯离子渗透性的改善.产生上述现象的原因是因为相比于对照组，掺有半干法脱硫灰的混凝土试验组随着半干法脱硫灰掺量的增加（低于15%，），同时由于矿粉含量的降低，从而导致双掺矿粉和半干法脱硫灰的矿物掺合料改善混凝土内部结构效果不明显，形成的二次水化产物较少.由图4还可以看出，当掺量高于15%，时，混凝土电通量则降低，并呈现出与对照组结果相近的趋势.这是因为半干法脱硫灰掺量的增加，造成其二次水化反应形成的C-S-H凝胶数量较多，进而可填充混凝土内部较多孔隙，结构密实性增强，从而使其电通量值降低.

图4 半干法脱硫灰对混凝土电通量的影响

2.3.3 碳化性能

图5显示的是半干法脱硫灰对混凝土碳化性能的影响结果.由图5可知，相比对照组，试验组混凝土的碳化深度随着半干法脱硫灰掺量的增加呈现出先增大后减小规律.这表明混凝土的抗碳化能力是先降低后增加.这是因为当半干法脱硫灰掺量较低时，混凝土内部矿粉含量仍较多，导致混凝土内部的CH含量较低，从而使其抗碳化能力降低.而当掺量增加到15%，时，尽管CH含量较低，但由于半干法脱硫灰的掺量增多，导致其二次水化形成的C-S-H物质不断填充孔隙，细化了混凝土内部孔隙，增强了混凝土结构密实性，降低了外界CO2进入混凝土内部的传输速率，从而提高了混凝土抗碳化能力.而当掺量增加到20%，时，混凝土碳化深度增加，表明其抗碳化能力降低.这进一步表明了混凝土内部由于过多AFt晶体存在，造成了结构疏松，孔隙增多，从而增加了CO2在结构中的传输速率所致.

图5 半干法脱硫灰对混凝土碳化性能的影响

2.3.4 抗冻性能

图6显示的是半干法脱硫灰对矿粉混凝土的相对动弹性模量的影响.从图6可知，混凝土的相对动弹性模量随着半干法脱硫灰掺量的增加先增大后减小.当半干法脱硫灰掺量为15%，时，混凝土相对动弹性模量达到最大.这表明半干法脱硫灰掺入到混凝土中的最佳掺量为15%，在该掺量下可以明显改善混凝土的抗冻性.

半干法脱硫灰对混凝土质量损失率的影响结果如图7所示.从图7可知，混凝土的质量损失率变化趋势随着半干法脱硫灰掺量的增加而逐渐增大.

由图6和图7可知，半干法脱硫灰掺量为15%，时，混凝土的抗冻效果最佳.产生上述现象的原因可以从3个方面解释.一方面是适量半干法脱硫灰的活性效应可以降低混凝土中的CH含量，进而减少由于CH的溶出而产生的孔隙数量.另一方面是半干法脱硫灰的形态效应可以降低混凝土的拌合用水量，进而减少混凝土内部由于水分蒸发而带来的孔隙.此外，半干法脱硫灰的填充效应和活性效应，一方面可以进一步填充细小孔隙，另一方面可以细化混凝土内部的孔，增大孔的弯折程度，从而提高混凝土的抗冻性能［14］.

图6 半干法脱硫灰对混凝土相对动弹性模量的影响

图7 半干法脱硫灰对混凝土质量损失的影响

3 结 论

通过以上分析，可得出如下结论.

（1）相比未掺脱硫灰的对照组而言，掺量为15%，的半干法脱硫灰可以改善矿粉混凝土的工作性，坍落度由未掺的170 mm增大至180 mm，1 h坍损由原先的50 mm降低至35 mm.

（2）掺加不同掺量的半干法脱硫灰均降低混凝土的力学性能.当掺量为15%时，由于半干法脱硫灰的二次水化反应形成的C-S-H凝胶和AFt晶体能较好地填充孔隙，从而使其力学性能与对照组相近.

（3）掺入适量的半干法脱硫灰可以大大改善混凝土的耐久性.其中，混凝土的收缩性能随着半干法脱硫灰掺量的增加呈现出先降低后增大的规律.当半干法脱硫灰掺量增大至15%时，混凝土收缩率降低最大.试验组混凝土的收缩率在90 d龄期时，相比对照组试样降低了23%.混凝土的抗碳化能力随着半干法脱硫灰掺量的增加而呈现出先降低后增加的趋势.当掺量为15%时，其抗碳化能力最佳.随着半干法脱硫灰掺量的增加，混凝土的抗冻性能先提高后减小，其中尤以15%掺量改善效果最佳.

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Effect of Mixing Semi-dry Desulfurization Ash and Mineral Powder on Concrete Properties

HU Lixiang
（The Fourth Engineering Company of China Railway 18thBureau Group Co.，Ltd，Tianjin 300350，China）

In order to improve the application technology level of semi-dry desulfurization ash，this paper researches the effect of semi-dry desulfurization ash on the properties of the concrete mixed with mineral powder.The results show that：15%， mixing amount of semi-dry desulfurization ash could improve the workability of the concrete with the slunp increasing from 170 mm of the baseline group to 180 mm；all the different mixing amounts（5%，10%，15%，and 20%，）of semi-dry desulfurization ash lower the mechanical properties of the concrete mixed with mineral powder.15%， mixing amount of semidry desulfurization ash could reduce the shrinkage properties and the 90 d shrinkage value of concrete is reduced by 23%，compared with the baseline.The carbonation resistance of concrete is first decreased and then increased with the increase of semi-dry desulfurization ash.A rather high carbonation resistance could be obtained when the mixing rate is 15%.The frost resistance of concrete increases first and then decreases with the increase of semi-dry desulfurization ash.When the mixing amount of semi-dry desulfurization ash is 15%，the frost resistance of the concrete is the best.

semi-dry desulfurization ash；mineral powder；shrinkage；freeze-thaw；carbonation；concrete

TQ172.1

A

2095-719X（2016）02-0143-05

2015-04-03；

2015-10-06

胡丽翔（1983—），女，河北沧州人，中铁十八局集团第四工程有限公司工程师.