譚建華，陳 銀，李 飛

(1.宜昌鑫特瑞科技有限公司，宜昌 443007；2.武漢市武昌區(qū)城建市政建設(shè)工處，武漢 430000)

粉煤灰是一種由燃煤電廠通過煙道氣體中收集的固體廢棄物顆粒，由于其經(jīng)歷1 000 ℃以上高溫燃燒后冷卻得到，在表面張力作用下，熔融后的硅鋁組分形成了粉煤灰的光滑玻璃質(zhì)表面。由于高溫?zé)釟v史的活化作用，粉煤灰具有一定的火山灰反應(yīng)活性，可以在強(qiáng)堿條件下，生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠等產(chǎn)物，因而廣泛作為混凝土的礦物摻合料[1,2]。

但是，在水泥-粉煤灰體系中，28 d齡期時(shí)粉煤灰水化度低于20%，且養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到200 d后，粉煤灰的水化度達(dá)到30%左右[3]。因此，粉煤灰作為混凝土的摻合料，存在早期活性較低的問題，這將導(dǎo)致混凝土早期的力學(xué)性能較低和耐久性能較差的問題。因此，通過提升粉煤灰早期反應(yīng)活性，可以改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性能[4]。

該研究通過對(duì)粉煤灰進(jìn)行預(yù)處理，使粉煤灰材料表面的硅鋁質(zhì)成分發(fā)生預(yù)水化，縮短粉煤灰材料加入水泥基材料后所需的反應(yīng)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)處理粉煤灰在混凝土中的快速水化過程。通過制備預(yù)處理粉煤灰，對(duì)比了預(yù)處理前后的粉煤灰對(duì)于混凝土性能的影響，包括力學(xué)性能、抗水滲透和抗氯離子滲透等。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)采用的水泥為PO 42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為350 m2/kg。粉煤灰為II級(jí)粉煤灰，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的規(guī)定。水泥和粉煤灰的化學(xué)成分如表1所示?；炷翆?shí)驗(yàn)中，采用粗骨料為碎石，粒徑5～25 mm，針片狀含量2.8%。細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量0.5%。采用聚羧酸減水劑調(diào)整混凝土工作性。

表1 水泥、粉煤灰的化學(xué)成分 w/%

1.2 混凝土成型和養(yǎng)護(hù)

混凝土的實(shí)驗(yàn)配合比如表2所示?；炷脸尚陀?00 mm ×100 mm ×100 mm塑料模具中，在(20±5) ℃環(huán)境中覆膜靜置24 h，脫模后養(yǎng)護(hù)于(20±2) ℃，相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中。

表2 混凝土配合比

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

混凝土的力學(xué)性能依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。混凝土的抗水滲透和抗氯離子滲透等測(cè)試依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。混凝土碎片剔除碎石后，使用無水乙醇浸泡3 d終止水化，45 ℃真空干燥6 h后進(jìn)行研磨處理，得到粒徑小于45 μm的顆粒，作為微觀測(cè)試樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 粉煤灰的預(yù)處理

預(yù)處理粉煤灰制備方法如下：首先配制溶液，其中KOH溶液和NaOH溶液為1 mol/L，三異丙醇胺(TIPA)溶液為0.02 mol/L；然后使用混合溶液浸泡粉煤灰，液固比為5∶1；將懸浮液在60 ℃水浴環(huán)境中攪拌加熱6 h；過濾懸浮液并將固體用去離子水洗滌5次以上，直至預(yù)處理粉煤灰的懸浮液pH=7±0.5；再將預(yù)處理粉煤灰置于60 ℃烘箱中烘干至恒重后進(jìn)行破碎和粉磨直至全部通過45 μm篩。未處理的原始粉煤灰(RFA)顆粒和預(yù)處理粉煤灰(PFA)顆粒的SEM圖像如圖1所示。

粉煤灰預(yù)處理前后的差別十分明顯：RFA(圖1(a))的表面光滑，但是經(jīng)過預(yù)處理后，PFA(圖1(b))的表面明顯變得粗糙，表明PFA顆粒表面的玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)被腐蝕，且存在少量的納微米級(jí)的水化產(chǎn)物附著于粉煤灰表面，這主要為溶液中的堿和TIPA組分會(huì)對(duì)FA表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生解聚作用，加速鋁相元素和硅氧四面體分子結(jié)構(gòu)溶出到溶液中。此時(shí)，F(xiàn)A表面的活性較低的硅鋁成分已經(jīng)發(fā)生了水化反應(yīng)，因此PFA加入水泥漿體后，可以迅速發(fā)生火山灰反應(yīng)。

2.2 混凝土宏觀性能

CRFA和CPFA混凝土樣品在3 d、7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度如圖2所示，其中以對(duì)照組樣品的抗壓強(qiáng)度為參比值，標(biāo)記了CPFA樣品的相對(duì)抗壓強(qiáng)度比例。

在養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，CRFA混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度為16.2 MPa，而CPFA混凝土的抗壓強(qiáng)度為21.1 MPa。在齡期為7 d時(shí)，加入RFA的混凝土樣品抗壓強(qiáng)度為31.3 MPa，加入PFA的混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度為39.4 MPa。在28 d時(shí)，加入原始粉煤灰RFA的混凝土抗壓強(qiáng)度為46.4 MPa，加入預(yù)處理粉煤灰的混凝土抗壓強(qiáng)度為55.9 MPa。與對(duì)照組(CRFA樣品)相比，CPFA樣品在3 d、7 d和28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度分別增加30%、26%和20%。這些結(jié)果表明，粉煤灰經(jīng)過預(yù)處理后加入混凝土，能夠顯著提升早期的力學(xué)性能。

CRFA和CPFA混凝土樣品在3 d，7 d和28 d的抗?jié)B高度如圖3所示。結(jié)果表明，在養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，CRFA混凝土樣品的抗?jié)B高度為91.9 mm，而CPFA混凝土的抗?jié)B高度為75.4 mm。在齡期為7 d時(shí)，加入RFA的混凝土樣品抗?jié)B高度為63.1 mm，加入PFA的混凝土樣品的抗?jié)B高度為47.3 mm。在28 d時(shí)，加入原始粉煤灰RFA的混凝土抗?jié)B高度為46.3 mm，加入預(yù)處理粉煤灰的混凝土抗?jié)B高度為38.5 mm。與對(duì)照組(CRFA樣品)相比，CPFA樣品在3 d、7 d和28 d時(shí)抗?jié)B高度分別降低18%、25%和17%。這些結(jié)果表明，粉煤灰經(jīng)過預(yù)處理之后加入混凝土，能夠改善材料體系的抗?jié)B性，有利于提升混凝土耐久性。

CRFA和CPFA混凝土樣品在3 d，7 d和28 d的電通量如圖4所示。結(jié)果表明，在養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí)，CRFA混凝土樣品的電通量為1195 C，而CPFA混凝土的電通量為908 C。在齡期為7 d時(shí)，加入RFA的混凝土樣品電通量為872 C，加入PFA的混凝土樣品的電通量為698 C。在28 d時(shí)，加入原始粉煤灰RFA的混凝土電通量為648 C，加入預(yù)處理粉煤灰的混凝土電通量為531 C。與對(duì)照組(CRFA樣品)相比，CPFA樣品在3 d、7 d和28 d時(shí)電通量分別降低24%、20%和18%。這些結(jié)果表明，粉煤灰經(jīng)過預(yù)處理后加入混凝土中，能夠改善材料體系的抗氯離子遷移性能，提升混凝土耐久性。

2.3 微觀性能

水化28 d的CRFA和CPFA混凝土樣品進(jìn)行XRD分析，得到的XRD譜圖如圖5所示。在CRFA樣品的XRD譜圖中，主要水化相為氫氧化鈣和鈣礬石。但是，在CPFA樣品的XRD譜圖中，沒有鈣礬石的存在，主要水化相為氫氧化鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣。兩個(gè)樣品中水化相組成的改變，可能是由于相比于RFA，預(yù)處理后的PFA的火山灰反應(yīng)活性更高，在早期時(shí)釋放了更多的Al離子，促進(jìn)了鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣的相轉(zhuǎn)變。

水化28 d的CRFA和CPFA混凝土樣品的熱分析結(jié)果如圖6所示，其結(jié)果與XRD分析基本一致。如圖6所示，CRFA樣品中的氫氧化鈣含量高于CPFA樣品，這表明由于預(yù)處理后的PFA火山灰反應(yīng)更加劇烈，消耗了更多的氫氧化鈣。

通過XRD和TGA對(duì)于混凝土中水化相組成的分析可知，PFA反應(yīng)活性更高，能夠發(fā)生更加劇烈的火山灰反應(yīng)，生成更多的水化產(chǎn)物，有利于增加材料體系的密實(shí)度，改善混凝土的界面過渡區(qū)，提升混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。

水化28 d的CRFA樣品和CPFA樣品的孔結(jié)構(gòu)分析結(jié)果如圖7所示。由圖7可見，與CRFA樣品的孔結(jié)構(gòu)分布相比，CPFA樣品的孔徑分布位于細(xì)孔側(cè)，表明其孔結(jié)構(gòu)更細(xì)。因此，預(yù)處理后的PFA加入混凝土中，能夠細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，增加材料體系的密實(shí)度，有利于混凝土的力學(xué)性能，同時(shí)孔結(jié)構(gòu)的細(xì)化能夠防止有害離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部產(chǎn)生侵蝕，有利于提升耐久性能。

3 結(jié) 論

粉煤灰經(jīng)過預(yù)處理后，表面變得粗糙，表明其表面的活性較低的硅鋁質(zhì)成分發(fā)生了一定程度的水化反應(yīng)。因此預(yù)處理后的粉煤灰加入混凝土中后，能夠更為快速地發(fā)生火山灰反應(yīng)，釋放Si元素和Al元素，促進(jìn)了鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣的相轉(zhuǎn)變，同時(shí)火山灰反應(yīng)的增強(qiáng)也增加了水化產(chǎn)物數(shù)量，改善了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。這些轉(zhuǎn)變可以促進(jìn)混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性、抗氯離子遷移能力的提升。