预处理粉煤灰对混凝土性能的影响

谭建华，陈 银，李 飞

(1.宜昌鑫特瑞科技有限公司，宜昌 443007；2.武汉市武昌区城建市政建设工处，武汉 430000)

粉煤灰是一种由燃煤电厂通过烟道气体中收集的固体废弃物颗粒，由于其经历1 000 ℃以上高温燃烧后冷却得到，在表面张力作用下，熔融后的硅铝组分形成了粉煤灰的光滑玻璃质表面。由于高温热历史的活化作用，粉煤灰具有一定的火山灰反应活性，可以在强碱条件下，生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶等产物，因而广泛作为混凝土的矿物掺合料[1,2]。

但是，在水泥-粉煤灰体系中，28 d龄期时粉煤灰水化度低于20%，且养护龄期达到200 d后，粉煤灰的水化度达到30%左右[3]。因此，粉煤灰作为混凝土的掺合料，存在早期活性较低的问题，这将导致混凝土早期的力学性能较低和耐久性能较差的问题。因此，通过提升粉煤灰早期反应活性，可以改善混凝土的力学性能和耐久性能[4]。

该研究通过对粉煤灰进行预处理，使粉煤灰材料表面的硅铝质成分发生预水化，缩短粉煤灰材料加入水泥基材料后所需的反应时间，从而实现预处理粉煤灰在混凝土中的快速水化过程。通过制备预处理粉煤灰，对比了预处理前后的粉煤灰对于混凝土性能的影响，包括力学性能、抗水渗透和抗氯离子渗透等。

1 实 验

1.1 原材料

实验采用的水泥为PO 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为350 m2/kg。粉煤灰为II级粉煤灰，满足国家标准GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的规定。水泥和粉煤灰的化学成分如表1所示。混凝土实验中，采用粗骨料为碎石，粒径5～25 mm，针片状含量2.8%。细骨料为河砂，细度模数2.5，含泥量0.5%。采用聚羧酸减水剂调整混凝土工作性。

表1 水泥、粉煤灰的化学成分 w/%

1.2 混凝土成型和养护

混凝土的实验配合比如表2所示。混凝土成型于100 mm ×100 mm ×100 mm塑料模具中，在(20±5) ℃环境中覆膜静置24 h，脱模后养护于(20±2) ℃，相对湿度95%以上的标准养护室中。

表2 混凝土配合比

1.3 实验方法

混凝土的力学性能依据国家标准GB50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。混凝土的抗水渗透和抗氯离子渗透等测试依据国家标准GB50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。混凝土碎片剔除碎石后，使用无水乙醇浸泡3 d终止水化，45 ℃真空干燥6 h后进行研磨处理，得到粒径小于45 μm的颗粒，作为微观测试样品。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰的预处理

预处理粉煤灰制备方法如下：首先配制溶液，其中KOH溶液和NaOH溶液为1 mol/L，三异丙醇胺(TIPA)溶液为0.02 mol/L；然后使用混合溶液浸泡粉煤灰，液固比为5∶1；将悬浮液在60 ℃水浴环境中搅拌加热6 h；过滤悬浮液并将固体用去离子水洗涤5次以上，直至预处理粉煤灰的悬浮液pH=7±0.5；再将预处理粉煤灰置于60 ℃烘箱中烘干至恒重后进行破碎和粉磨直至全部通过45 μm筛。未处理的原始粉煤灰(RFA)颗粒和预处理粉煤灰(PFA)颗粒的SEM图像如图1所示。

粉煤灰预处理前后的差别十分明显：RFA(图1(a))的表面光滑，但是经过预处理后，PFA(图1(b))的表面明显变得粗糙，表明PFA颗粒表面的玻璃质结构被腐蚀，且存在少量的纳微米级的水化产物附着于粉煤灰表面，这主要为溶液中的碱和TIPA组分会对FA表面结构产生解聚作用，加速铝相元素和硅氧四面体分子结构溶出到溶液中。此时，FA表面的活性较低的硅铝成分已经发生了水化反应，因此PFA加入水泥浆体后，可以迅速发生火山灰反应。

2.2 混凝土宏观性能

CRFA和CPFA混凝土样品在3 d、7 d和28 d的抗压强度如图2所示，其中以对照组样品的抗压强度为参比值，标记了CPFA样品的相对抗压强度比例。

在养护龄期为3 d时，CRFA混凝土样品的抗压强度为16.2 MPa，而CPFA混凝土的抗压强度为21.1 MPa。在龄期为7 d时，加入RFA的混凝土样品抗压强度为31.3 MPa，加入PFA的混凝土样品的抗压强度为39.4 MPa。在28 d时，加入原始粉煤灰RFA的混凝土抗压强度为46.4 MPa，加入预处理粉煤灰的混凝土抗压强度为55.9 MPa。与对照组(CRFA样品)相比，CPFA样品在3 d、7 d和28 d时抗压强度分别增加30%、26%和20%。这些结果表明，粉煤灰经过预处理后加入混凝土，能够显著提升早期的力学性能。

CRFA和CPFA混凝土样品在3 d，7 d和28 d的抗渗高度如图3所示。结果表明，在养护龄期为3 d时，CRFA混凝土样品的抗渗高度为91.9 mm，而CPFA混凝土的抗渗高度为75.4 mm。在龄期为7 d时，加入RFA的混凝土样品抗渗高度为63.1 mm，加入PFA的混凝土样品的抗渗高度为47.3 mm。在28 d时，加入原始粉煤灰RFA的混凝土抗渗高度为46.3 mm，加入预处理粉煤灰的混凝土抗渗高度为38.5 mm。与对照组(CRFA样品)相比，CPFA样品在3 d、7 d和28 d时抗渗高度分别降低18%、25%和17%。这些结果表明，粉煤灰经过预处理之后加入混凝土，能够改善材料体系的抗渗性，有利于提升混凝土耐久性。

CRFA和CPFA混凝土样品在3 d，7 d和28 d的电通量如图4所示。结果表明，在养护龄期为3 d时，CRFA混凝土样品的电通量为1195 C，而CPFA混凝土的电通量为908 C。在龄期为7 d时，加入RFA的混凝土样品电通量为872 C，加入PFA的混凝土样品的电通量为698 C。在28 d时，加入原始粉煤灰RFA的混凝土电通量为648 C，加入预处理粉煤灰的混凝土电通量为531 C。与对照组(CRFA样品)相比，CPFA样品在3 d、7 d和28 d时电通量分别降低24%、20%和18%。这些结果表明，粉煤灰经过预处理后加入混凝土中，能够改善材料体系的抗氯离子迁移性能，提升混凝土耐久性。

2.3 微观性能

水化28 d的CRFA和CPFA混凝土样品进行XRD分析，得到的XRD谱图如图5所示。在CRFA样品的XRD谱图中，主要水化相为氢氧化钙和钙矾石。但是，在CPFA样品的XRD谱图中，没有钙矾石的存在，主要水化相为氢氧化钙和单硫型水化硫铝酸钙。两个样品中水化相组成的改变，可能是由于相比于RFA，预处理后的PFA的火山灰反应活性更高，在早期时释放了更多的Al离子，促进了钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙的相转变。

水化28 d的CRFA和CPFA混凝土样品的热分析结果如图6所示，其结果与XRD分析基本一致。如图6所示，CRFA样品中的氢氧化钙含量高于CPFA样品，这表明由于预处理后的PFA火山灰反应更加剧烈，消耗了更多的氢氧化钙。

通过XRD和TGA对于混凝土中水化相组成的分析可知，PFA反应活性更高，能够发生更加剧烈的火山灰反应，生成更多的水化产物，有利于增加材料体系的密实度，改善混凝土的界面过渡区，提升混凝土的力学性能和耐久性能。

水化28 d的CRFA样品和CPFA样品的孔结构分析结果如图7所示。由图7可见，与CRFA样品的孔结构分布相比，CPFA样品的孔径分布位于细孔侧，表明其孔结构更细。因此，预处理后的PFA加入混凝土中，能够细化孔结构，增加材料体系的密实度，有利于混凝土的力学性能，同时孔结构的细化能够防止有害离子进入混凝土内部产生侵蚀，有利于提升耐久性能。

3 结 论

粉煤灰经过预处理后，表面变得粗糙，表明其表面的活性较低的硅铝质成分发生了一定程度的水化反应。因此预处理后的粉煤灰加入混凝土中后，能够更为快速地发生火山灰反应，释放Si元素和Al元素，促进了钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙的相转变，同时火山灰反应的增强也增加了水化产物数量，改善了混凝土的孔隙结构。这些转变可以促进混凝土的力学性能、抗渗性、抗氯离子迁移能力的提升。