王寧，安巧霞*，管裕，王柯，王艷虎

（1塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

（2塔里木大學(xué)南疆巖土工程研究中心，新疆 阿拉爾 843300）

我國(guó)電廠每年都會(huì)產(chǎn)生大量的粉煤灰、爐渣等工業(yè)廢渣，將這些廢渣用作混凝土材料，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣綜合利用的有效途徑之一。這不僅解決了廢渣堆放占用土地、破壞土壤結(jié)構(gòu)和污染環(huán)境等問(wèn)題［1-2］，還節(jié)省了制備混凝土的原材料，同時(shí)提高工業(yè)廢料的利用率［1］。眾多學(xué)者就粉煤灰、爐渣在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究，也取得了一定的成果。張濤等［3］通過(guò)對(duì)爐渣化學(xué)成分、物理特性以及爐渣混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量、毒性特征瀝濾方法等測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)爐渣替代天然粗集料不宜超過(guò)50%。楊雷等［4］研究了粉煤灰對(duì)爐渣噴射混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量為10%時(shí)最有利于爐渣混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。李建文等［5］研究了粉煤灰摻量對(duì)高鈦型高爐渣無(wú)砂混凝土抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律，結(jié)果表明：當(dāng)摻量為20%時(shí)最利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展。張濤等［6］、王山山［7］為了提高爐渣的資源利用率，通過(guò)試驗(yàn)研究了粉煤灰對(duì)爐渣混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度的影響，并探討了其影響機(jī)理。李樹(shù)山等［8］探討了粗骨料粒徑、水灰比和齡期對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。吳錦光［9］研究碎石粒徑對(duì)C80高強(qiáng)混凝土拌合性能、力學(xué)性能及耐久性能的影響。但是，目前對(duì)爐渣替代粗骨料多集中在垃圾焚燒后的爐渣，燃煤爐渣多以研磨后替代部分水泥居多，而燃煤爐渣替代粗骨料及考慮其與粉煤灰在混凝土中協(xié)同作用以制備中等強(qiáng)度混凝土制品的研究比較少。粉煤灰、爐渣協(xié)同作用于混凝土中能夠節(jié)約資源、提高工業(yè)廢渣利用率，對(duì)比單一摻合料更有利于混凝土性能的改善。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，粉煤灰作膠凝材料時(shí)，其替代率較佳為10%～20%［4-5］，爐渣作粗骨料替代率較佳為50%以?xún)?nèi)［3］。本研究以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市盛源熱電有限責(zé)任公司的粉煤灰和燃煤爐渣作為摻合料，研究粉煤灰替代部分水泥（替代率分別為0%、5%、10%、15%、20%），爐渣替代部分粗骨料（替代率分別為0%、3%、5%、8%、10%），及骨料粒徑（5～20 mm、5～25 mm、5～31 mm、5～40 mm）對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響，在滿(mǎn)足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求下，進(jìn)一步提高工業(yè)廢渣利用率，來(lái)確定本研究中粉煤灰、爐渣的最佳替代率及最佳骨料粒徑。

1 材料與方法

1.1 原材料

試驗(yàn)選用新疆青松化工集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的青松牌P·O 42.5級(jí)水泥，各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1，粗骨料粒徑為5～20 mm、5～25 mm、5～31 mm、5～40 mm連續(xù)級(jí)配，物理性能詳見(jiàn)表2。細(xì)度模數(shù)為2.66的水洗中砂，含水率1.8%，表觀密度為2 625 kg/m3，堆積密度為1 556 kg/m3，空隙率為40.72%。二級(jí)粉煤灰（阿拉爾市盛源熱電有限責(zé)任公司）表觀密度為1 690 kg/m3，爐渣（阿拉爾市盛源熱電有限責(zé)任公司）表觀密度為1 273 kg/m3，堆積密度為461.5 kg/m3，吸水率為25.61%，空隙率為63.75%，壓碎指標(biāo)為46.3%，其化學(xué)成分見(jiàn)表3，石子、爐渣篩分結(jié)果見(jiàn)表4，燃煤爐渣外貌形態(tài)如圖1所示；聚羧酸早強(qiáng)型高效減水劑（湖南中巖建材科技有限公司）減水率為30%，固含量為53.6%；拌和用水選用新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師阿拉爾市政供應(yīng)的自來(lái)水。

圖1 燃煤爐渣外貌形態(tài)

表1 水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)

表2 不同粒徑粗骨料的物理指標(biāo)

表3 粉煤灰、爐渣化學(xué)成分 %

表4 石子、爐渣篩分結(jié)果

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

本研究以民用建筑常用的C30混凝土作為基準(zhǔn)混凝土，參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[10]，對(duì)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，水灰比取0.7，混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)如表5。

表5 混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì)

采用單因素試驗(yàn)法，在粉煤灰替代水泥，質(zhì)量替代率為15%時(shí)，燃煤爐渣替代粗骨料，質(zhì)量替代率分別為0%、3%、5%、8%、10%，研究燃煤爐渣替代率對(duì)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響，確定燃煤爐渣最佳替代率。基于以上燃煤爐渣最佳替代率，用粉煤灰替代水泥，質(zhì)量替代率分別為0%、5%、10%、15%、20%，研究粉煤灰替代率對(duì)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響，確定粉煤灰最佳替代率。在粉煤灰及燃煤爐渣最佳替代率下，研究骨料粒徑（5～20 mm、5～25 mm、5～31 mm、5～40 mm）對(duì)不同齡期混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響，確定最佳骨料粒徑。

試配混凝土拌合物性能采用GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［11］進(jìn)行測(cè)定。采用150 mm×150 mm×150 mm試模成型試件，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，混凝土的抗壓強(qiáng)度、吸水率指標(biāo)參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［12］的規(guī)定進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 爐渣替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

爐渣替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響如圖2～3所示。當(dāng)粉煤灰替代率一定時(shí)（15%），混凝土3 d、7 d抗壓強(qiáng)度隨著爐渣替代率的增大呈現(xiàn)下降-上升-下降的趨勢(shì)；28 d的抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)逐步下降的趨勢(shì)，在爐渣替代率為10%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度下降至最小，為24.86 MPa；爐渣替代率為0%、3%、5%、8%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度分別為31.53 MPa、31.45 MPa、31.01 MPa、28.3 MPa。在滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求下，考慮到爐渣的利用率，所以確定爐渣最佳替代率為5%；且隨著爐渣替代率的增大混凝土吸水率逐漸增大，到爐渣替代率為8%時(shí)吸水率逐漸減小。這可能是爐渣表面粗糙、形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)疏松多孔具有較強(qiáng)的吸水性，不利于混凝土的強(qiáng)度發(fā)展，但粉煤灰本身對(duì)混凝土具有改性作用，能節(jié)約用水、改善混凝土和易性、抑制混凝土泌水、降低混凝土水化熱，在一定程度上能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度［13］。隨著爐渣替代率的逐漸增大，爐渣在混凝土發(fā)展中占據(jù)主要影響因素，因此隨爐渣替代率的增大其抗壓強(qiáng)度、吸水率整體呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)。

圖2 爐渣替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 爐渣替代率對(duì)混凝土吸水率的影響

3.2 粉煤灰替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

粉煤灰替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響如圖4～5所示。當(dāng)爐渣替代率一定時(shí)（5%），混凝土3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰替代率的增加均呈現(xiàn)“M”型的變化趨勢(shì)，在粉煤灰替代率為0%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度最小，為25.47 MPa，粉煤灰替代率5%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度最大，為31.84 MPa；粉煤灰替代率在0%～5%時(shí)混凝土吸水率增大，而后隨著粉煤灰替代率的增大混凝土吸水率逐漸減小。這可能是由于爐渣表面粗糙、形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)疏松多孔具有較強(qiáng)的吸水性，不利于混凝土的強(qiáng)度發(fā)展造成混凝土在粉煤灰替代率3%時(shí)抗壓強(qiáng)度下降。但粉煤灰對(duì)混凝土具有改性作用，能節(jié)約用水、改善混凝土和易性、抑制混凝土泌水［13］，其顆粒穩(wěn)定表面致密，粉煤灰中的活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物進(jìn)行緩慢，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加混合物中的Ca(OH)2濃度越來(lái)越大，向孔隙中不斷滲透，物料之間開(kāi)始頻繁接觸生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝體［5-6］，能夠使粗骨料和水泥砂漿之間的粘結(jié)力增強(qiáng)，有利于混凝土強(qiáng)度發(fā)展。但是隨替代率的增大粉煤灰不能有效的被利用，混凝土的強(qiáng)度又會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)［6］。復(fù)合使用粉煤灰替代水泥和爐渣替代粗骨料時(shí)，在滿(mǎn)足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，盡可能提高工業(yè)廢渣利用率，因此本研究確定粉煤灰最佳替代率為15%。

圖4 粉煤灰替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 粉煤灰替代率對(duì)混凝土吸水率的影響

3.3 骨料粒徑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響

粉煤灰替代率為15%、爐渣替代率為5%時(shí)不同骨料粒徑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響如圖6所示?；炷? d、28 d抗壓強(qiáng)度隨著骨料粒徑的增大呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，7 d抗壓強(qiáng)度則隨著骨料粒徑的增大先減小后增大，吸水率則隨骨料粒徑增大而增大。這可能是因?yàn)殡S著骨料粒徑的增大，骨料與水泥砂漿的粘結(jié)面積會(huì)減小，在骨料界面過(guò)渡區(qū)的Ca(OH)2晶體的定向排列程度增大，使得界面結(jié)構(gòu)降低。而且混凝土內(nèi)部粗骨料之間、爐渣內(nèi)部出現(xiàn)較多孔隙［14］。另外在振搗過(guò)程中能改善粗骨料的均勻性，粗骨料的有害氣孔減少且周?chē)乃幼儽。?］。故混凝土抗壓強(qiáng)度得到一定的提高且其吸水率隨骨料粒徑的增大而增大。粒徑在不超過(guò)20 mm時(shí)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度較大，能達(dá)到33.62 MPa。

圖6 骨料粒徑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、吸水率的影響

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)粉煤灰替代率一定時(shí)（15%），爐渣替代率10%時(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度較小，為24.86 MPa；爐渣替代率0%時(shí)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度最大，為31.53 MPa；其吸水率則隨著爐渣替代率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)爐渣替代率一定時(shí)（5%），粉煤灰替代率0%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度最小，為25.47 MPa；粉煤灰替代率為5%時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度最大，為31.84 MPa；其吸水率則隨粉煤灰替代率的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

2）從混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、工業(yè)廢渣利用率兩方面綜合考慮確定最佳替代率，即為粉煤灰替代15%水泥、爐渣替代5%粗骨料，其混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為31.01MPa。

3）在粉煤灰替代15%水泥、爐渣替代5%粗骨料時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨骨料粒徑的增大而減小，其吸水率則呈上升趨勢(shì)，在粉煤灰替代15%的水泥、爐渣替代5%的粗骨料時(shí)，且骨料粒徑不超過(guò)20 mm時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到33.62 MPa，能滿(mǎn)足強(qiáng)度為C30的混凝土強(qiáng)度要求。