磨细炉渣作为大体积混凝土掺合料的试验研究

翟祥军，张 虹

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 研究内容

火电厂的粉煤灰、炉底渣等统称为电厂灰渣。干燥的粉煤灰经粉磨达到规定细度的产品称磨细粉煤灰，再经分选或磨细后，符合相关标准等级的粉煤灰用作混凝土掺合料，可改善混凝土和易性及物理力学性能，减少混凝土温升，提高工程质量，节约水泥，降低成本。对炉底渣和等级外的粉煤灰，由于用处不大，各火电厂建厂开始就规划堆灰场堆放。目前，分选粉煤灰已经在水电工程和工民建中得到广泛应用，取得了巨大成功，带来了巨大经济效益和社会效应；磨细粉煤灰也在水电工程中得到了一定程度的应用。随着绿色环保理念地提升，一方面，粉煤灰资源萎缩，另一方面，火电厂堆灰场的电厂炉渣占用大量土地，造成环境污染，耗费维护成本，尚未开发可利用价值。因此，堆灰场的电厂炉渣用作大体积混凝土掺合料的可行性研究具有重要意义，如果可行，不仅可以节省工程投资，减少维护成本，还可以节约土地，有利环保。虽然工业废渣在使用的时候需要粉磨加工，也存在能耗，但是与其带来的经济效益、社会效应相比，完全可以忽略。为此，本文从绿色环保、可持续发展、降低能耗的角度出发，试验研究磨细炉渣作为大体积混凝土掺合料的可行性，与粉煤灰的性能指标对比分析，掌握磨细炉渣的化学成分、微观形貌、物理性能；研究磨细炉渣对水泥的性能影响、与外加剂的适应性、对硬化混凝土性能的影响等。同时将磨细炉渣与粉煤灰进行全面的对比分析，以此来判断磨细炉渣作为大体积混凝土掺合料的可行性。

2 设计试验

(1)平行检测电厂磨细炉渣、Ⅱ级粉煤灰的化学成分。

(2)通过SEM，从微观形貌结构、玻璃体含量分析电厂磨细炉渣。

(3)对比分析电厂磨细炉渣、Ⅱ级粉煤灰的物理性能、活性指数。

(4)掺入30%、50%、60%电厂磨细炉渣，研究磨细炉渣对水泥各项性能的影响。

(5)选取三级配常态混凝土配合比，外加剂采用浙江龙游ZB-1A缓凝高效减水剂和北京国水利力鹏程(原北京利力新技术开发公司)的FS引气剂，观察混凝土拌和物的和易性，验证电厂磨细炉渣与外加剂的适应性。

(6)选取三级配常态混凝土，分别采用电厂磨细炉渣、Ⅱ级粉煤灰作为掺合料，分别进行混凝土配合比设计，了解电厂磨细炉渣对混凝土性能的影响。所用原材料：42.5级中热硅酸盐水泥；磨细电厂磨细炉渣(以下简称“H”)、攀钢Ⅱ级粉煤灰；ZB-1A缓凝高效减水剂和FS引气剂复合；石灰岩骨料。

表1 化学成分 %

3 试验研究

3.1 化学成分

攀钢Ⅱ级粉煤灰、磨细炉渣都是来源于电厂灰渣，两者化学成分基本一致(见表1)，仅磨细炉渣的烧失量高于Ⅱ级粉煤灰，但满足DL/T5055—2007中对Ⅱ级灰烧失量的控制标准。

3.2 形貌结构、玻璃体含量

扫描电镜照片见图1。从图1可以看出，相同细度的磨细炉渣、攀钢Ⅱ级粉煤灰的颗粒形状基本相同，主要由球形和不规则块状颗粒组成，但所含玻璃体的含量和球状颗粒大小有所不同，但差别不大。相比较，磨细炉渣球状颗粒稍少，不规则颗粒略多，玻璃体含量略低；粉煤灰球状颗粒稍多，表面更光滑，玻璃体含量略高；与粉煤灰一样，磨细炉渣具备微集料填充效应、形态效应的条件。

图1 扫描电镜

3.3 磨细炉渣的物理性能

磨细炉渣的含水量、需水量比、安定性、放射性均满足DL/T5055—2007对Ⅱ级粉煤灰的技术要求，但细度略大于粉煤灰，这主要跟粉磨工艺有关，可以采取措施，将细度粉磨到规定范围值。从细度、比表面积来看，虽然磨细炉渣的细度较大，但比表面积反而比粉煤灰还大，这说明两者的颗粒级配、颗粒形状不尽相同，粒度分析结果显示，磨细炉渣的平均粒径较粉煤灰大。在实际使用过程中，针对具体工程的实际情况，需要深入研究磨细炉渣的最优细度，以此细度作为生产控制指标。

表2 物理性能

表3 掺磨细炉渣、粉煤灰后水泥胶砂抗压、抗折强度及强度比

3.4 掺入磨细炉渣对水泥的性能影响

掺入磨细炉渣前后水泥物理性能见表2～4，通过表2～4可知：

(1)掺入磨细炉渣、磨细炉渣后水泥胶砂流动度及需水量比。掺入磨细炉渣后，水泥胶砂需水量比增大，掺量越大，需水量比越大；掺入磨细炉渣的水泥胶砂需水量较Ⅱ级粉煤灰大。

(2)掺入磨细炉渣后水泥胶砂抗压、抗折强度比。掺入磨细炉渣后水泥胶砂抗压强度比、抗折强度比降低，掺量越大，抗压、抗折强度比越小，这与粉煤灰的规律一致。同掺量条件下，掺入磨细炉渣、粉煤灰后，水泥胶砂抗压、抗折强度比基本接近，说明磨细炉渣具有活性效应，且与Ⅱ级粉煤灰基本相当。

(3)掺入磨细炉渣、粉煤灰后水泥水化热。掺入磨细炉渣、攀钢Ⅱ级灰后，水泥水化热均降低，掺量越大，水化热降低幅度越大。同样掺量下，磨细炉渣降低水泥水化热的幅度接近粉煤灰。

3.5 与外加剂的适应性

根据适应性试验结果，判断磨细炉渣与复合外加剂是否存在适应性问题。复合外加剂采用浙江龙游ZB-1A缓凝高效减水剂和北京国水利力FS引气剂复合，选取三级配常态混凝土。从常态混凝土拌和物性能来看，和易性良好，无泌水、泌浆现象，骨料包裹良好，无假凝现象。总体上，掺磨细炉渣、攀钢Ⅱ级灰的混凝土拌和物和易性均较好。

3.6 对混凝土性能的影响

3.6.1 混凝土配合比

为研究磨细炉渣对混凝土力学性能、变形性能、耐久性能、热学性能等影响，采用如表5所示的配合比，分别掺粉煤灰、磨细炉渣进行混凝土配合比及其硬化性能平行试验。

3.6.2 混凝土力学性能

掺磨细炉渣的混凝土、掺攀钢Ⅱ级粉煤灰混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、极限拉伸值见表6、7。从表6、7可以看出，掺磨细炉渣的混凝土明显要高些，这可能与磨细炉渣粉磨细度更细、比表面积更大有关；从强度发展系数来看，掺粉煤灰的混凝土略高，但差别不大；从弹性模量、极限拉伸值来看，掺磨细炉渣的混凝土弹性模量略高、极限拉伸值略小。总体而言，掺磨细炉渣的混凝土的力学性能不比掺攀钢Ⅱ级粉煤灰的差，还能提高混凝土抗压强度。

表5 混凝土配合比参数及材料用量

注：粗骨料级配比例，三级配小石∶中石∶大石=30∶30∶40。

表6 混凝土抗压强度

表7 混凝土抗拉强度、弹性模量、极限拉伸

3.6.3 混凝土变形性能

对掺磨细炉渣、Ⅱ级粉煤灰的混凝土分别进行了干缩、自生体积变形试验，研究磨细炉渣对混凝土变形性能的影响，结果见图2、3。从混凝土干缩发展来看，60 d前干缩变形速率较快，60 d后干缩变形速率减缓，180 d后逐渐呈现稳定趋势，测至210 d，混凝土干缩变形已基本稳定；60 d龄期以后，掺磨细炉渣的混凝土干缩率略小于掺粉煤灰。掺磨细炉渣、Ⅱ级粉煤灰的混凝土自生体积变形发展趋势相似，掺磨细炉渣的混凝土先处于微收缩状态，到150 d龄期以后，呈现微膨胀状态；掺Ⅱ级粉煤灰的混凝土一直处于微膨胀，其膨胀量大于掺磨细炉渣。

图2 混凝土干燥收缩变化趋势线

图3 混凝土自生体积变形曲线

3.6.4 混凝土耐久性能

混凝土耐久性试验结果见表8。从表8可以看出，掺磨细炉渣、Ⅱ级粉煤灰的混凝土抗渗等级、抗冻等级均满足设计要求，两种掺合料均能配制出满足耐久性要求的大体积混凝土，两种掺和料的混凝土耐久性基本无差别。从碳化试验结果来看，掺磨细炉渣的混凝土抗碳化能力略弱。

表8 混凝土耐久性

3.6.5 混凝土热学性能

掺磨细炉渣、Ⅱ级粉煤灰的混凝土线膨胀系数分别为5.055×10-6、5.461×10-6/℃，在灰岩骨料混凝土正常范围内。混凝土绝热温升试验采用混凝土热物理参数测定仪进行， C9020三级配常态混凝土，掺30%磨细炉渣，28 d绝热温升实测值为21.67 ℃，拟合计算值为22.08 ℃，最终计算值为23.95 ℃。根据经验，与掺Ⅱ级粉煤灰的混凝土最终温升相近。

4 结 语

(1)磨细炉渣的化学成分与粉煤灰基本一致，其烧失量比粉煤灰略高，但满足DL/T5055—2007中对Ⅱ级灰烧失量的控制标准。

(2)磨细炉渣的化学组成、颗粒形状、形貌结构与粉煤灰基本相同，说明磨细炉渣与粉煤灰一样，也具有一定的活性效应、形态效应、微集料效应。

(3)磨细炉渣作为混凝土掺和料，与目前常用的减水剂、引气剂无不相容性现象。

(4)采用磨细炉渣作为掺和料，能优化设计出满足强度、耐久性要求的大体积混凝土；与掺粉煤灰的混凝土一样，具有良好的和易性、力学性能、变形性能、耐久性能、热学性能等。

(5)电厂磨细炉渣具有作为大体积混凝土掺和料的潜力，建议积极开发其利用价值，变废为宝。

(6)针对具体工程的实际情况，建议深入研究磨细炉渣的最优细度，以最优细度作为生产控制指标，保证产品质量。