陳剛，魏忠，張新勝，吳躍輝，賈亞瓊

（河南中建西部建設(shè)有限公司，河南 鄭州 450100）

0 引言

粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，具有降低水化熱、阻斷骨料堿集反應(yīng)、改善混凝土工作性能等諸多優(yōu)勢，產(chǎn)能充足、需求量大，從 1950 年起就開始應(yīng)用于混凝土中。粉煤灰中含有無定形 SiO2和 Al2O3，其活性來源在于火山灰效應(yīng)的觸發(fā)，即與氫氧化鈣及水發(fā)生二次反應(yīng)，生成水化硅酸鈣，SiO2+Ca(OH)2+H2O→CSH。自2001 年之后的 13 年間，粉煤灰產(chǎn)量增長了 3.1 倍。不過從 2013 年到 2014 年，粉煤灰產(chǎn)量 10 年來首次出現(xiàn)負增長，優(yōu)質(zhì)粉煤灰產(chǎn)能短缺問題突出。Ⅰ級粉煤灰年排灰量僅占年度總排灰量的 5% 左右，混凝土攪拌站使用的粉煤灰多以Ⅱ級和Ⅲ級為主，當(dāng)粉煤灰由于季節(jié)性生產(chǎn)特點或者環(huán)保治理等因素出現(xiàn)緊缺情況時，生產(chǎn)廠家常會使用以次充好、優(yōu)劣摻合等方式將劣質(zhì)粉煤灰銷售至攪拌站等混凝土拌和場所，使混凝土產(chǎn)品質(zhì)量處于高位風(fēng)險狀態(tài)。

孫亞寧[1]使用電鏡掃描分析等手段，重點分析了粉煤灰堿活性、硫酸鹽激發(fā)等反應(yīng)機理，闡述了低品質(zhì)粉煤灰作為摻合料及細骨料的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景。梁健俊[2]利用 X 射線熒光分析及化學(xué)溶解法等方法，研究了粉煤灰與礦渣累計粒徑特征指標(biāo)，分析了不同堿激發(fā)下凝結(jié)延遲特性規(guī)律及強度對比關(guān)系，低鈣與高鈣灰的金相結(jié)構(gòu)在活性鋁、鐵等方面存在較大不同，粉煤灰中鈣、鐵占比越高，復(fù)合體系凝時越短，體系強度釋放越快。

本文基準(zhǔn)灰為最常用的 F 類Ⅱ級灰，選取四種常見缺陷性粉煤灰作為試驗樣品，從原材料特性、進場檢測試驗、摻各類粉煤灰的混凝土試配等角度出發(fā)，探討不同缺陷類型粉煤灰下混凝土流變特征及力學(xué)響應(yīng)的對比關(guān)系。

1 試驗方法

1.1 試驗原材料特性

試驗用水泥為天瑞 P·O42.5 水泥，其特性指標(biāo)見表1。收集各類缺陷性粉煤灰，其性能指標(biāo)如表2 所示。

對基準(zhǔn)灰進行 XRD 譜型分析，分析灰內(nèi)石英、Fe2O3、莫來石等礦物組成情況，見圖1。使用掃描電鏡得到脫硫灰的顯微形態(tài)，從形態(tài)圖（圖2）可觀察到，脫硫灰在微觀層面主要由粉煤灰微粒、碎屑、不規(guī)則顆粒所填充，其中粉煤灰微粒呈球狀，這些顆粒表面附著有部分碎屑，附著物為亞硫酸鈣等起脫硫作用的物質(zhì)。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

圖1 基準(zhǔn)灰 XRD 譜型

圖2 脫硫灰顯微形態(tài)

1.2 試驗方案

試驗需進行混凝土試配 20 次，膠砂制備及檢驗 5次：

（1）基準(zhǔn)粉煤灰 A 混凝土 A20、A30、A40、A50及基準(zhǔn)膠砂 J1 的制備及檢驗。

（2）高鈣灰混凝土 B20、B30、B40、B50 及其膠砂 J2 的制備及檢驗[3]。

（3）高碳粉煤灰混凝土 C20、C30、C40、C50 及高碳灰膠砂 J3 的制備及檢驗。

（4）脫硫粉煤灰混凝土 D20、D30、D40、D50 及脫硫灰膠砂 J4 的制備及檢驗[4]。

（5）脫硝粉煤灰混凝土 E20、E30、E40、E50 及其膠砂 J5 的制備及檢驗。

混凝土使用 C20、C30、C40、C50 四個強度等級的配合比，A、B、C、D、E 分別表示普通Ⅱ級灰、高鈣灰、高碳灰、脫硫灰、脫硝灰，A20 表示使用低鈣灰拌制的 C20 混凝土，其他依次類推?；炷凉残柙嚺?20次，每次 30L[5]。混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

1.3 混凝土性能檢驗及記錄方法

（1）流動性檢驗：坍落度及擴展度測定并記錄數(shù)據(jù)；

（2）坍落度損失檢驗：記錄 0.5h、1.0h、1.5h、2.0h 時的坍落度并與初始坍落度對比；

（3）凝結(jié)時間測定：以試塊終凝為標(biāo)準(zhǔn)，終凝時試塊表面用指甲用力滑動無明顯深劃痕；

（4）抗壓強度檢驗：記錄 7d、28d 強度數(shù)據(jù)；

（5）粉煤灰安定性根據(jù) GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中得粉煤灰》中相關(guān)條款進行檢驗。

2 試驗結(jié)果分析與探討

將不同缺陷類型粉煤灰、不同強度等級下的混凝土擴展度、坍落度損失、凝結(jié)時間、抗壓強度等性能指標(biāo)檢驗結(jié)果進行匯總，見表4。

2.1 不同缺陷類型粉煤灰下混凝土擴展度對比關(guān)系

分析圖3 可知，隨著強度等級從 C20 到 C50 逐漸提高，混凝土擴展度整體呈減小趨勢。當(dāng)混凝土中摻入高碳灰時，混凝土擴展度出現(xiàn)急劇下滑現(xiàn)象，各強度等級下擴展度較摻加基準(zhǔn)粉煤灰時約降低 8% 左右，這是因為高碳灰需水量比較高，碳物質(zhì)發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)使它具有很大的表面積，大量水分子被碳所吸附，參與水泥水化的自由水?dāng)?shù)量下降，導(dǎo)致實際水灰比下降。各強度等級之間擴展度差值分別為 5mm、10mm、20mm，變化折線斜率增大明顯，表明混凝土擴展度隨水灰比降低而逐漸增大。分析其原因，混凝土強度越高其設(shè)計水灰比越低，膠凝材料總量及粉煤灰用量占比不斷攀升，對自由水的吸附作用成倍增長。在實際生產(chǎn)中，為保證混凝土和易性，使用高碳灰時單方用水量會急劇增長，導(dǎo)致實際水灰比提高，在很大程度上影響混凝土強度。其他類型缺陷性粉煤灰下混凝土的擴展度隨著強度等級的提升以約 2% 的速率逐漸下降，對擴展度的影響效果較弱。

表4 混凝土性能指標(biāo)檢驗結(jié)果

圖3 不同類型缺陷性粉煤灰混凝土擴展度對比

2.2 不同缺陷類型粉煤灰下混凝土坍損對比關(guān)系

圖4 不同類型缺陷性粉煤灰混凝土坍落度對比（C30）

由圖4 可知，混凝土初始坍落度柱狀圖出現(xiàn)“U”型結(jié)構(gòu)，高碳灰與脫硫灰的摻入對混凝土初始坍落度凹陷的貢獻相當(dāng)。隨著時間的推移，摻加 A、B、C、E 灰時經(jīng)時損失為 15mm/h，損失率約 8%/h，四種灰之間無明顯差距。高鈣灰與基準(zhǔn)灰下混凝土初始坍落度及經(jīng)時損失圖形貼合度頗高，表明高鈣灰在坍落度損失方面與基準(zhǔn)灰效用相當(dāng)。高碳灰下各經(jīng)時混凝土坍落度均為最小，這與擴展度的變化規(guī)律相對應(yīng)，碳物質(zhì)的多孔隙結(jié)構(gòu)對坍落度的降低貢獻明顯。摻加脫硫灰時經(jīng)時損失為10mm/h，損失率僅為 4%/h，究其原因，該類灰中富含亞硫酸鈣，混凝土出現(xiàn)緩凝現(xiàn)象，經(jīng)時變小。綜上，坍損受脫硫灰控制明顯，各缺陷性粉煤灰對初始坍落度的影響較大，摻加其他類型的粉煤灰對坍損無明顯效果。

2.3 不同缺陷類型粉煤灰下凝結(jié)時間對比關(guān)系

由圖5 可知，隨著強度等級的提高，各混凝土試樣凝結(jié)時間總體上呈縮短趨勢，混凝土強度每提高兩個強度等級，凝結(jié)時間大致減少 2～3 個小時。同時注意到，脫硫灰對延長混凝土凝結(jié)時間的貢獻異常明顯，最長達到21 個小時左右，與基準(zhǔn)相比延長近 7 個小時，與 1.1 節(jié)中分析相對應(yīng)，脫硫灰中的亞硫酸鈣含量高，影響外加劑中緩凝成分化學(xué)反應(yīng)，使水泥和外加劑的相容性變差，造成混凝土出現(xiàn)超緩凝現(xiàn)象，給混凝土的質(zhì)量控制及施工單位施工組織帶來諸多風(fēng)險與不確定性。各強度等級下，與基準(zhǔn)灰相比較，高碳灰混凝土的凝結(jié)時間與之保持持平或縮短趨勢，結(jié)合 2.1 節(jié)及 2.2 節(jié)的擴展度與坍落度損失分析，碳物質(zhì)的吸水效果造成的水灰比降低進一步產(chǎn)生了縮短混凝土凝結(jié)時間的連鎖反應(yīng)。

圖5 不同類型缺陷性粉煤灰混凝土凝結(jié)時間對比

2.4 不同缺陷類型粉煤灰下混凝土強度對比關(guān)系

圖6 不同類型缺陷性粉煤灰混凝土 7d 強度對比

混凝土的 7d 抗壓強度主要表征其前期力學(xué)性能，分析圖6 可知，各強度等級 7d 強度達到設(shè)計值 75%～85% 之間，就缺陷性粉煤灰來看，各試件強度有一定差異，摻加缺陷灰時試件強度較基準(zhǔn)時有一定程度的降低，摻加高碳灰時強度降低約 5MPa?？梢姡瑩郊尤毕菪苑勖夯視谝欢ǔ潭壬辖档突炷恋脑缙趶姸?，摻加高碳灰對早期強度的發(fā)展最不利。

圖7 不同類型缺陷性粉煤灰混凝土 28d 強度對比

分析圖7 可知，C40 及 C50 試件 28d 強度達設(shè)計值的 110%～120%，C20 及 C30 設(shè)計強度下混凝土28d 強度僅達到 105% 左右，低強度等級混凝土強度富余系數(shù)降低 10% 左右，可見缺陷性粉煤灰對 C30 及以下強度等級的混凝土的 28d 強度有較大的影響，縱觀各類型缺陷性粉煤灰，摻加高碳灰對強度的影響最大。

圖8 不同類型缺陷性粉煤灰混凝土體積穩(wěn)定性對比

2.5 不同缺陷類型粉煤灰下混凝土體積穩(wěn)定性對比關(guān)系

各缺陷性粉煤灰安定性試驗中煮后距離增加值及變化規(guī)律見圖8，高鈣灰和脫硫灰增加值均超過規(guī)范中規(guī)定的 5.0mm，可見這兩種缺陷性粉煤灰對水泥膠砂及混凝土產(chǎn)品體積穩(wěn)定性的保持非常不利，由此引起的混凝土體積膨脹等問題更加棘手。分析原因，高鈣灰中富含氧化鈣 f-CaO，該類型 CaO 為無定形游離狀態(tài)，遇水可生成大量的氫氧化鈣，與普通 CaO 的水化進度不同，該類型游離氧化鈣水化速率趨緩，水泥硬化后 3～6 個月，游離氧化鈣水化反應(yīng)才能充分進行，水化產(chǎn)物在硬化混凝土內(nèi)部產(chǎn)生局部膨脹，而該膨脹力又無法被混凝土抗拉強度或者孔隙結(jié)構(gòu)所抵消，以至于混凝土出現(xiàn)開裂、強度下降、坍塌等質(zhì)量問題。結(jié)合圖7 中 28d 抗壓強度測定值，也能從力學(xué)性能方面進一步驗證此兩種粉煤灰對混凝土質(zhì)量的影響非常大。

3 結(jié)論

通過分析各種類型缺陷性粉煤灰下混凝土和易性及力學(xué)強度規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）高碳灰會提高混凝土初始狀態(tài)觸發(fā)閾值，導(dǎo)致初始和易性處于半開放狀態(tài)。

（2）不同缺陷性粉煤灰對坍損的影響差異性很小。

（3）脫硫灰會大幅度延長混凝土凝結(jié)時間，給質(zhì)量控制及施工組織帶來諸多風(fēng)險。

（4）高碳灰對混凝土前期強度及后續(xù)膠材強度的釋放都非常不利。

（5）高鈣灰和脫硫灰會嚴重影響混凝土產(chǎn)品的體積穩(wěn)定性，對混凝土質(zhì)量造成嚴重危害。

[1]孔亞寧，謝國帥，徐旭．低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用[J]．混凝土，2012(6): 74-76．

[2]梁健俊，馬玉瑋，黃科．粉煤灰物理化學(xué)性能對堿激發(fā)材料的影響[J]．硅酸鹽通報，2016,35(08): 2497-2502．

[3]NATH P, Sarker P K. Use of OPC to improve setting and early strength properties of low calcium fly ash geopolyme-r concrete cured at room temperature[J].Cement & Concrete Composites,2015,55:205-214.

[4]伍勇華，姚源，南峰，等．脫硫石膏—粉煤灰—水泥膠凝體系強度及耐久性能研究[J]．硅酸鹽通報，2014，33(2): 315-320．

[5]PONIKIEWSKI T, GOLASZEWSKI J. The influence of high-calcium fly ash on the properties of fresh and hardened self-compacting concrete and high performance self-compacting concrete[J]. Journal of Cleaner Production,2014,72(72): 212-221.