解衛(wèi)江，李衛(wèi)紅，王宇強，李海潮，郭子強

(1.山西離隰高速公路有限公司，山西 呂梁 033400； 2.長治市武漢理工大學(xué)工程技術(shù)研究院,山西 長治 046000；3.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；4.山西路橋建設(shè)集團有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

CFB灰渣是循環(huán)流化床(CFB)鍋爐發(fā)電產(chǎn)生的煤系固體廢棄物[1-3]，包括CFB飛灰和CFB爐渣，CFB飛灰與普通煤粉爐粉煤灰相比，具有輕質(zhì)多孔、需水性強、活性好、硫鈣含量高[4-5]等特點。將CFB灰渣粉磨后用于混凝土和水泥摻合料是CFB灰渣資源化利用的主要途徑[6-9]，但是因其需水性強，僅可少量摻配使用，否則易導(dǎo)致混凝土流動性顯著降低[10]，以致CFB灰渣資源化利用率總體較低。以山西省為例，年排CFB爐渣達到3×107t，但資源化利用率不足20%。

山西地區(qū)公路建設(shè)逐漸向山區(qū)轉(zhuǎn)移，山區(qū)公路路塹邊坡面積大、平臺多，對溝蓋板、拱形骨架、平臺磚等小型構(gòu)件需求量大，小型構(gòu)件一般采用混凝土澆注預(yù)制而成，且用于非承載部位，因而對混凝土流動性強度要求低，一般的混凝土坍落度達到150 mm，強度達到C25即可。但實際生產(chǎn)過程中，常采取提高水泥用量、高溫養(yǎng)護等方式提高早期強度，以縮短脫模時間、提高生產(chǎn)效率，降低折損率、提高制品質(zhì)量[11]。另外，目前大部分構(gòu)件脫模、安裝等工藝仍以人工為主，構(gòu)件體積較大時，施工人員勞動強度較高。

CFB爐渣呈砂狀、級配連續(xù)、表面多孔密度低且有活性，具有作為混凝土輕質(zhì)機制砂的潛質(zhì)[12-13]，CFB飛灰比表面積大、早期活性更好，可作為混凝土用礦物摻合料，但其需水性強、硫含量高，可能會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)用水量高、抗凍性差、體積不穩(wěn)定等問題。

針對上述問題，結(jié)合CFB爐渣、CFB飛灰的特性，提出利用CFB爐渣輕質(zhì)特性降低混凝土容重，降低小型構(gòu)件施工人員的勞動強度；利用CFB飛灰比表面積大、早期活性高的特性，提高混凝土致密性、抗凍性和早期強度，提高小型構(gòu)件品質(zhì)與施工效率；利用小型預(yù)制構(gòu)件混凝土對流動性要求低的特點，弱化CFB灰渣吸水對混凝土抗凍性的影響；以CFB爐渣100%替代機制砂作為細集料，CFB飛灰100%替代粉煤灰，制備輕質(zhì)早強混凝土小型預(yù)制構(gòu)件的技術(shù)思路。

依托離隰高速、國道209改線工程1.5×105m3混凝土小型預(yù)制構(gòu)件，通過探討CFB爐渣砂率、CFB飛灰摻量對混凝土用水量、容重、抗壓強度的影響，優(yōu)化CFB灰渣的混凝土組成，對比研究CFB灰渣混凝土與普通混凝土的抗凍性能、抗收縮性能、長期強度，探明高吸水率、高硫CFB灰渣混凝土的耐久服役性能，采用XRD和SEM等微觀分析手段分析CFB灰渣混凝土強度高、耐久性良好的原因，研究溫度、養(yǎng)護時間對CFB灰渣混凝土早期強度的影響，優(yōu)化CFB灰渣小型構(gòu)件養(yǎng)護工藝，開展CFB灰渣小型構(gòu)件中試，并對小型構(gòu)件的容重、品質(zhì)及耐久性能進行觀測，為 CFB灰渣混凝土在小型預(yù)制構(gòu)件中的規(guī)?；咝Ю锰峁﹨⒖寂c示范。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 CFB飛灰與粉煤灰

CFB飛灰和粉煤灰的理化性能及與《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596—2017)中Ⅲ級粉煤灰對標結(jié)果如表1所示。CFB飛灰f-CaO,SO3含量和需水量比超過了GB/T 1596—2017中Ⅲ級粉煤灰的要求，但與粉煤灰相比，CFB飛灰比表面積高，達530 m2/kg，早期活性高且活性持續(xù)增長，7 d活性指數(shù)達到78%，超過粉煤灰28 d活性指數(shù)，其28 d活性指數(shù)更是高達95%。

表1 CFB飛灰、粉煤灰理化性能及對標分析

1.1.2 CFB爐渣與機制砂

CFB爐渣由山西晉能集團某矸石熱電廠提供，其級配基本符合《建設(shè)用砂》(GB/T 14684—2011)中機制砂2區(qū)的要求；機制砂為山西某商混站用石灰石質(zhì)機制砂，二者理化性質(zhì)及與GB/T 14684—2011中Ⅱ級砂對標結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，與石灰石機制砂相比，CFB爐渣密度低，較機制砂低9.8%，吸水率大，為12.5%， f-CaO， SO3含量、壓碎值均超過Ⅱ級機制砂上限，但磨細后具有較高的活性，超過粉煤灰，高達86%。

表2 CFB爐渣、機制砂理化性能及對標分析

1.1.3 其他材料

普通硅酸鹽水泥(P·O42.5)由山西卓越水泥有限公司提供,比表面積為416 m2/kg，28 d抗壓強度為53.2 MPa，各項性能均滿足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2020)中42.5級普通硅酸鹽水泥要求；礦粉28 d活性指數(shù)為98%，各項性能均滿足《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》(GB/T 18046—2017)中S95級礦粉要求；碎石，為石灰?guī)r破碎篩分制得，粒級范圍為5～25 mm，壓碎值為20%，其他各項性能均滿足《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)中的要求。減水劑由山西德毅卓能提供，為多孔爐渣混凝土專用外加劑，固含量10%。

1.2 混凝土配合比

鑒于小型預(yù)制構(gòu)件對混凝土的流動性要求低，固定坍落度為150 mm，專用外加劑摻量為2.0%(占膠凝材料總質(zhì)量比例)，采用碎石、機制砂作為集料，粉煤灰、礦粉作為礦物摻合料，配制了普通碎石機制砂混凝土(C0)；在C0基礎(chǔ)上，采用爐渣(S)等體積代替機制砂并調(diào)整爐渣砂率為42%，40%，38%，36%，34%，配制了CS42， CS40， CS38， CS36， CS34系列碎石CFB爐渣混凝土；由后續(xù)研究可知CS38為最優(yōu)砂率，在此基礎(chǔ)上，采用CFB飛灰(F)代替粉煤灰，并調(diào)整飛灰摻量為40，80，120，160 kg/m3，配制了CFS40，CFS80，CFS120，CFS160系列碎石CFB灰渣混凝土，試驗配比詳見表3。

表3 混凝土配合比

續(xù)表3

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土常規(guī)性能

參照《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)測試新拌混凝土的坍落度，參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)測試混凝土的抗壓強度。

1.3.2 混凝土耐久性能

參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)測試混凝土的脹縮性與抗凍性，其中脹縮性試驗采用接觸法，失水率為干縮質(zhì)量損失占比，抗凍性試驗分別采用了快凍法(對標《公路工程水泥混凝土制品 邊坡砌塊》(JT/T 1148—2017))和慢凍法(對標《普通混凝土小型砌塊》(GB/T 8239—2014))。

1.3.3 微觀檢測

XRD檢測采用Empyrean型X射線衍射儀(PANalytical.B.V，荷蘭)，衍射角度5°～70°。SEM測試采用Zeiss Ultra Plus型掃描電子顯微鏡(SEM)(蔡司，德國)。

2 CFB灰渣混凝土組成與性能

2.1 CFB爐渣砂率的影響

經(jīng)測試，C0混凝土的容重為2 452 kg/m3，7 d抗壓強度為29.4 MPa，28 d抗壓強度為48.1 MPa。不同CFB爐渣砂率的碎石CFB爐渣混凝土的容重、需水量及抗壓強度試驗結(jié)果見圖1。

圖1 CFB爐渣砂率對混凝土容重、用水量、抗壓強度的影響

結(jié)果表明，CFB爐渣砂率對混凝土容重、用水量與強度影響顯著，隨著爐渣砂率的升高，混凝土容重逐漸降低，這是爐渣輕質(zhì)所致，用水量先逐漸升高，當砂率超過38%后，用水量急劇增加，這是由于CFB爐渣吸水率遠高于機制砂，且多孔材料對外加劑具備一定的吸附作用所致[14]；而混凝土強度先升后降，7，28 d強度均在砂率為38%時達到峰值，此時盡管CS38混凝土用水量達到了223 kg/m3，比C0混凝土用水量高31.2%，水膠比高達0.56，但28 d強度依舊可以達到46.3 MPa，較普通混凝土僅降低3.74%，這可能是CFB爐渣的活性效應(yīng)所致。以力學(xué)性能為主要指標，最優(yōu)爐渣砂率為38%，此時混凝土容重為2 256 kg/m3，較普通混凝土降低8%。

2.2 CFB飛灰摻量的影響

不同飛灰摻量的碎石CFB灰渣混凝土的容重、用水量及抗壓強度試驗結(jié)果見圖2。

圖2 CFB飛灰摻量對混凝土容重、用水量、抗壓強度的影響

結(jié)果表明，隨著飛灰摻量的升高，混凝土容重小幅下降，混凝土用水量逐漸升高，而強度先升后降，7，28 d強度均在飛灰摻量為120 kg/m3時達到峰值，此時盡管CFS120混凝土用水量較CS38又提高17 kg/m3，達到了240 kg/m3，水膠比為0.55，但是其7，28 d抗壓強度達到37.0，55.7 MPa，分別較C0 提高25.9%，19.5%，這是因為CFB飛灰細度高，早期活性高于普通粉煤灰，而且超量取代進一步彌補了水膠比提高導(dǎo)致的強度降低。以力學(xué)性能為主要指標，最佳飛灰摻量為120 kg/m3，此時混凝土容重為2 234 kg/m3，較普通混凝土低8.8%。

3 CFB灰渣混凝土耐久性

3.1 抗凍性能

CFB灰渣混凝土用水量高，可能會對混凝土抗凍性產(chǎn)生不良影響。為此，對比研究了最優(yōu)CFB灰渣混凝土配比CFS120與C0快速凍融100次的質(zhì)量損失及慢凍50次的質(zhì)量、強度損失，并與《公路工程水泥混凝土制品 邊坡砌塊》(JT/T 1148—2017)和《普通混凝土小型砌塊》(GB/T 8239—2014)進行了對標分析，試驗結(jié)果見表4。

表4 CFB灰渣混凝土與普通混凝土抗凍性

通過分析表4可以看出，CFS120 混凝土與C0混凝土抗凍性相差不大，且均滿足JT/T 1148—2017中對于寒冷地區(qū)混凝土制品F100質(zhì)量損失≤6%的要求，和GB/T 8239—2014中對于寒冷地區(qū)混凝土小型砌塊D35質(zhì)量損失≤5%、強度損失≤20%的要求。一般混凝土用水量高會導(dǎo)致抗凍性差，碎石CFB灰渣混凝土用水量雖高，但是CFB灰渣活性高，水化過程會消耗大量水，CFB爐渣的高吸水性，會將部分自由水儲存在爐渣內(nèi)部微孔內(nèi)，導(dǎo)致膠材部位的實際水膠比降低，同時CFB飛灰的火山灰活性高，水化產(chǎn)物填充細化了膠材部分的孔隙，降低了凍融有害孔，且爐渣內(nèi)部微孔也能起到緩解凍脹壓力的作用，因而CFB灰渣混凝土抗凍性較好。

3.2 脹縮性能

CFB灰渣硫酸鹽含量高，可能會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)膨脹等體積不穩(wěn)定的問題。為此，對比研究了CFS120和C0在溫度20 ℃、濕度65%rh條件下的體積變化率(體積變化率>0為收縮)和失水率，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 CFB灰渣混凝土與普通混凝土脹縮性能

分析圖3(a)、圖3(b)可以看出，C0混凝土隨自然養(yǎng)生齡期增長而持續(xù)收縮，而CFS120混凝土在3 d內(nèi)微膨脹而后收縮，且較C0失水率高而收縮率小，在28 d齡期后兩種混凝土干縮減弱并逐漸穩(wěn)定，CFS120在130 d齡期收縮率只有C0的2/3左右，且滿足《普通混凝土小型砌塊》(GB/T 8239—2014)中對N型砌塊0.065%的線性收縮率要求。分析圖3(c)可以看出在失水率相同的情況下，CFB灰渣混凝土的體積變化較普通混凝土小。這表明CFB灰渣中硫含量高，會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生微小的體積膨脹，但硫酸鹽溶解較快，膨脹發(fā)生在早期且膨脹量微小，有利于早期強度的形成，后期膨脹減弱，在失水干縮與水泥水化收縮作用下出現(xiàn)收縮，但因CFB爐渣孔隙吸附有大量自由水[15]，與輕集料類似，在干燥條件下緩慢釋水，減少了混凝土的干燥收縮，因而累計收縮也低于普通混凝土。

3.3 長期強度觀測與微觀分析

強度發(fā)展規(guī)律也能反映混凝土的體積穩(wěn)定性。為此，對比研究了C0和CFS120在養(yǎng)護7，28，90，180，360 d的強度，試驗結(jié)果見圖4，對C0和CFS120混凝土28 d齡期的膠砂部位進行取樣制樣，并進行XRD測試與SEM測試，試驗結(jié)果見圖5、圖6。

圖4 CFB灰渣混凝土與普通混凝土不同齡期抗壓強度

(C—方解石；P—氫氧化鈣；E—鈣礬石；G—石膏；Q—石英)

圖6 CFB灰渣混凝土與普通混凝土28 d齡期SEM圖像

從強度發(fā)展規(guī)律來看，CFB灰渣混凝土在早中期強度高、增長快，高于普通混凝土，但是到了90 d 齡期，強度達到65 MPa后基本不再增長，強度略低于普通混凝土，但強度整體呈增長趨勢，未發(fā)現(xiàn)倒縮，這也間接表明了CFB灰渣混凝土具有良好的穩(wěn)定性。這是因為CFB灰渣具有較高的活性與自硬性，中前期可通過自身水化作用提高混凝土強度，中后期水化逐漸變慢對混凝土強度貢獻降低，這時爐渣集料的強度成為限制混凝土強度增長的薄弱點，當強度增長到爐渣集料的承受極限時，混凝土強度不再有明顯增長。

對比圖5和圖6中CFB灰渣混凝土與普通混凝土90 d齡期的XRD和SEM可知，CFB灰渣混凝土中CFB爐渣周圍有大量的針棒狀鈣礬石生成，且鈣礬石直徑較為粗大，而普通混凝土中，機制砂顆粒周圍的水化產(chǎn)物主要以C-S-H為主。這是因為CFB灰渣形成溫度低，硅鋁物質(zhì)聚合度低[16]，具有較高的火山灰活性，且CaO，SO3含量較高，可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2共同作為堿激發(fā)劑與CFB灰渣中的活性硅鋁質(zhì)反應(yīng)生成AFt[17-19]，Aft的網(wǎng)狀交聯(lián)及體積膨脹，提高了混凝土的密實度、強度、抗收縮性，也有利于混凝土抗凍性的提升。這也是CFB灰渣混凝土早期強度高、干縮小、抗凍性好的主要原因。

4 小型預(yù)制構(gòu)件的制備與應(yīng)用

依托離隰高速低標號CFB灰渣混凝土研究，開展了CFB灰渣混凝土小型預(yù)制構(gòu)件的養(yǎng)護工藝研究、品質(zhì)檢測與耐久性能跟蹤觀測。

4.1 CFB灰渣混凝土小型預(yù)制構(gòu)件養(yǎng)護工藝

為了提高模具和場地的周轉(zhuǎn)率，小型混凝土預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)一般采取提高養(yǎng)護溫度的方式來加快試件強度的形成，以縮短脫模時間。為此，依托離隰高速公路小型構(gòu)件生產(chǎn)線，研究了養(yǎng)護溫度、養(yǎng)護時間對碎石CFB灰渣混凝土(CFS120)抗壓強度的影響，并與普通混凝土(C0)進行了對比，試驗結(jié)果見圖7。

圖7 養(yǎng)護時間與溫度對混凝土強度的影響

經(jīng)分析可得，無論是普通混凝土還是碎石CFB灰渣混凝土，早期抗壓強度均隨養(yǎng)護時間的延長和溫度的升高而提高，碎石CFB灰渣混凝土受養(yǎng)護溫度影響較大。分析圖7可以看出，當養(yǎng)護溫度為30 ℃時，CFS120與C0隨養(yǎng)護時間從16 h延長至24 h，強度分別提高47.7%，31.5%， CFS120增長率雖高，但是在不同養(yǎng)護時間下強度均低于C0。分析圖8可以發(fā)現(xiàn)，當養(yǎng)護時間為24 h，雖然在20，30 ℃養(yǎng)護溫度下，CFS120強度略低于C0，但是當溫度升高至40 ℃ 時，CFS120強度較C0提高27.1%，達到31.9 MPa，這表明提高養(yǎng)護溫度可大幅促進碎石CFB灰渣混凝土的早期強度形成。這可能是因為碎石CFB灰渣混凝土中自由水較多，在升溫養(yǎng)護過程中，一方面提高了混凝土內(nèi)部溫度，且水分大量蒸發(fā)降低了水膠比，有利于強度的提升;另一方面CFB灰渣中的硫多以可溶性硫酸鹽形式存在，在升溫養(yǎng)護水泥加速水化以及灰渣中f-CaO遇水釋放大量氫氧化鈣的條件下，與水泥及灰渣中活性鋁反應(yīng)形成鈣釩石，從而提高了混凝土的密實度和強度[20]。因此在使用碎石CFB灰渣混凝土預(yù)制小型構(gòu)件時，可提高養(yǎng)護溫度至40 ℃左右，以加快早期強度形成，提高生產(chǎn)效率和脫模制品質(zhì)量。

4.2 CFB灰渣混凝土小型預(yù)制構(gòu)件品質(zhì)與應(yīng)用

在離隰高速開展了CFB灰渣混凝土小型預(yù)制構(gòu)件的生產(chǎn)與應(yīng)用，對比了普通混凝土與碎石CFB灰渣混凝土小型預(yù)制構(gòu)件的平整度、折損率、斷角率等品質(zhì)指標，結(jié)果見表5。

表5 CFB灰渣混凝土與普通混凝土預(yù)制構(gòu)件品質(zhì)對比

CFB灰渣鐵含量較高，CFB灰渣混凝土顏色微紅，CFS120本身早期強度高，升溫養(yǎng)護后脫模強度進一步提高，構(gòu)件折損率低于C0，由于微膨脹斷角率略高于C0，成品率高，品質(zhì)良好。目前CFB灰渣混凝土小型預(yù)制構(gòu)件已在離隰高速試生產(chǎn)應(yīng)用1.7×104m3，CFB灰渣混凝土小型預(yù)制構(gòu)件質(zhì)輕，降低了脫模、安裝過程中施工人員的勞動強度；早期強度高，打包、運輸過程中折損率低，經(jīng)360 d持續(xù)跟蹤觀測，未發(fā)現(xiàn)體積膨脹、凍融破壞等現(xiàn)象，耐久性良好。

5 結(jié)論

(1)CFB爐渣砂率與CFB飛灰摻量對CFB灰渣混凝土容重、用水量與強度影響顯著，爐渣砂率與飛灰摻量越高，混凝土容重越低，用水量越大，而強度先升后降。最優(yōu)砂率為38%，最優(yōu)CFB飛灰摻量為120 kg/m3，CFS120比普通混凝土(C0)容重降低8.8%，7，28 d抗壓強度可達37.0,55.7 MPa，分別較C0 提高25.9%、19.5%。

(2)CFB灰渣硫酸鹽含量高，但溶解快，會導(dǎo)致混凝土在0～3 d齡期內(nèi)發(fā)生微膨脹，結(jié)合多孔爐渣吸水內(nèi)養(yǎng)生作用，碎石CFB灰渣混凝土累計收縮僅為普通混凝土的2/3，長期強度無倒縮現(xiàn)象，體積穩(wěn)定性良好。CFB灰渣吸水性強，碎石CFB灰渣混凝土用水量高，在CFB灰渣高活性反應(yīng)對水的消耗與飛灰密實孔隙、爐渣多孔緩解凍脹應(yīng)力作用下，碎石CFB灰渣混凝土抗凍性滿足預(yù)制構(gòu)件相關(guān)標準要求。

(3)碎石CFB灰渣混凝土在40 ℃養(yǎng)護下抗壓強度進一步提高，遠高于普通混凝土，大幅提高了小型構(gòu)件的品質(zhì)與生產(chǎn)效率。碎石CFB灰渣混凝土早期強度高、低收縮、抗凍性好，主要原因是CFB灰渣硫酸鹽含量較高、溶解快，在早期生成大量鈣礬石，填充了混凝土孔隙，提高了混凝土的密實度。

(4)不同電廠CFB灰渣硫鈣含量差異大，對混凝土強度、穩(wěn)定性的影響及其作用機制尚不明確，是下一步的主要研究方向。