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        CFB爐渣代機制砂對混凝土強度的影響機理

        2023-01-12 11:09:14周明凱宇強
        建筑材料學報 2022年12期
        關鍵詞:煤氣化爐渣水泥漿

        周明凱, 王 宇強, 陳 瀟,*

        (1.武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,湖北武漢 430070;2.武漢理工大學 材料科學與工程學院,湖北武漢 430070;3.長治市武理工工程技術研究院,山西長治 046011)

        循環(huán)流化床(CFB)爐渣是低熱值燃料在CFB鍋爐燃燒形成的底渣,由于生成溫度處于中溫活化區(qū)[1],其表面呈疏松多孔的特點.CFB鍋爐一般采用爐內(nèi)脫硫,導致CFB爐渣硫鈣含量較高.CFB爐渣具有與機制砂相近的級配,若使用CFB爐渣規(guī)?;鏅C制砂,將同時解決CFB爐渣排放和機制砂短缺的問題.

        有研究發(fā)現(xiàn),使用CFB爐渣作細集料可生產(chǎn)輕質(zhì)陶?;炷粒?]、干硬性道路混凝土[3]等.CFB爐渣磨細后具有較高的水化活性[4],是一種活性集料,可以提高混凝土的強度且生成的水化產(chǎn)物有利于界面結合緊密[5];CFB爐渣輕質(zhì)吸水,而輕質(zhì)吸水集料對混凝土有內(nèi)養(yǎng)護作用[6],表現(xiàn)為輕集料-水泥石界面區(qū)的水化程度、水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠聚合度和顯微硬度較高[7];CFB爐渣還具有硫鈣含量高、壓碎值大等特點.目前對于CFB爐渣的多重特性及其對混凝土體系的作用機理尚不明確.

        為此,本文研究了CFB爐渣代砂率對混凝土強度的影響規(guī)律,分析了CFB爐渣吸水特性與水灰比、強度的關系,對比了CFB爐渣、煤氣化渣吸收水泥漿的自強化作用和作為集料的水化反應程度,并進一步對CFB爐渣與機制砂、煤氣化渣的微觀形貌進行了對比分析,從而為CFB爐渣細集料在混凝土中的資源化利用提供理論支持.

        1 試驗

        1.1 原材料

        水泥(C)為P·O 42.5級水泥;S95級礦粉(BFSP)活性指數(shù)為98%;粉煤灰(FA)為Ⅱ級粉煤灰;碎石(S)為石灰?guī)r質(zhì);減水劑(SP)為聚羧酸減水劑,固含量(質(zhì)量分數(shù),文中涉及的組成、比值等除特殊說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比)為10%;NaCl、KCl、CaSO4·2H2O及Ca(OH)2購自國藥集團化學試劑有限公司.

        細集料為機制砂(MS)、CFB爐渣(CS)、煤氣化渣(GS).機制砂為石灰石質(zhì)機制砂;CFB爐渣為山西某矸石電廠排放原渣;煤氣化渣為山西某煤基油示范項目的底渣,將其制備為細集料顆粒級配,由于其與CFB爐渣同樣疏松多孔,將其作為CFB爐渣的對比樣.細集料的化學組成、物理化學性能、級配(累計篩余)見表1~3.由表1~3可見:與機制砂相比,CFB爐渣具有壓碎值高、針片狀含量高、級配略差和飽和面干吸水率高的特點;作為對比細集料的煤氣化渣,其壓碎值、針片狀含量、飽和面干吸水率均處于CFB爐渣與機制砂之間.

        表1 細集料的化學組成Table 1 Chemical compositions of fine aggregates w/%

        1.2 配合比設計

        CFB爐渣等體積替代機制砂,設定其代砂率φ(體積分數(shù))為0%(基準組)、25%、50%、75%、100%;煤氣化渣等體積100%替代CS100中的CFB爐渣,得到GS100.參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行混凝土配合比設計,并控制混凝土坍落度均為200 mm,試件的配合比見表4.

        表2 細集料的物理化學性能Table 2 Physical and chemical properties of fine aggregates

        表3 細集料的級配Table 3 Gradations of fine aggregates w/%

        表4 試件的配合比Table 4 Mix proportions of specimens

        1.3 試驗方法

        參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試新拌混凝土的工作性能.參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試混凝土的抗壓強度.參照GB/T 14684—2011《建設用砂》對細集料進行相關檢測:壓碎值采用2.36~4.75 mm粒徑細集料,取與330 g機制砂等體積的量進行測試;針片狀含量通過稱取20 g粒徑1.18~2.36 mm的3種細集料,將針片狀顆粒(最小與最大長度之比小于0.4)挑出進行稱重計算.將細集料磨細至比表面積300 m2/kg以上,參照GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》進行磨細粉的活性檢測.根據(jù)文獻[8],對水灰比為0.5的水泥漿體試件孔溶液中的離子濃度進行計算(K+、Na+、SO2-4濃度分別約為320、110、30 mmol/L,pH值為13.15),混 凝 土 孔 溶 液 模 擬 液 按m(NaCl)∶m(KCl)∶m(CaSO4·2H2O)∶m(水)=0.642∶0.239∶0.517∶100.000,再加入過量的Ca(OH)2配制而成.

        用Panalytical B V Empyrean型X射線衍射儀(XRD)測試了CFB爐渣與煤氣化渣的水化活性,衍射角度為5°~80°.先將機制砂、煤氣化渣和CFB爐渣預濕至飽和面干狀態(tài),接著按照m(細集料)∶m(水泥)∶m(水)=6∶2∶1制備膠砂試件,再采用蔡司Ultra Plus型掃描電子顯微鏡(SEM)對其界面微觀結構進行測試.采用耐馳STA449F3型綜合熱分析儀進行熱失重-差示掃描量熱(TG-DSC)測試,升溫范圍為30~600℃,升溫速率為10℃/min.

        2 結果與討論

        2.1 新拌混凝土的性能

        新拌混凝土的性能見表5.由表5可見:隨著CFB爐渣代砂率的提高,混凝土的用水量逐漸提高,全部替代的情況下,混凝土用水量提高了77.1%,這是因為CFB爐渣吸水率高,且其多孔結構對減水劑有較強吸附作用[9],另外,針片狀含量過高導致工作性差也使其用水量增加;CS100的用水量比GS100高21.4%,這是由于CFB爐渣相比煤氣化渣吸水率更高、粒型更差.

        表5 新拌混凝土的性能Table 5 Performances of fresh concretes

        2.2 混凝土的抗壓強度

        測試了不同CFB爐渣代砂率混凝土的7、28 d抗壓強度,將其代入斯拉特公式[10]:

        式中:R7、R28為混凝土的7、28 d抗壓強度;K為抗壓強度增長率(一般為1.9~2.4).

        CFB爐渣代砂率對混凝土抗壓強度及K值的影響見圖1.由圖1可見,隨著CFB爐渣代砂率φ的提高:混凝土的7 d抗壓強度顯著降低,當φ>25%時,其降低幅度更加顯著;抗壓強度增長率K值大幅提升;28 d抗壓強度先增大后降低,且降幅較7 d抗壓強度減緩.這是因為與機制砂相比,CFB爐渣具有很高的活性[3],CFB爐渣消耗水并生成的水化產(chǎn)物提升了混凝土的中后期強度.GS100的7、28 d抗壓強度分 別 為27.8、41.1 MPa,其K值為2.52.與GS100相比,CS100的7 d抗壓強度降低了16.5%,28 d抗壓強度提高了6.1%,K值提高了68%.該結果與CS100的用水量高于GS100不符合,這是由于CFB爐渣的水化能力較煤氣化渣高,導致其對混凝土中后期抗壓強度增長的貢獻遠高于煤氣化渣.

        圖1 CFB爐渣代砂率對混凝土抗壓強度及K值的影響Fig.1 Effect of φ on compressive strength and K value of concretes

        2.3 混凝土水膠比與抗壓強度的關系

        JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》中,水膠比mW/mB與混凝土28 d抗壓強度R28的關系為:

        式中:fb為膠凝材料的28 d抗壓強度,實測值為42.5 MPa;aa、ab為碎石粗集料的回歸系數(shù),aa=0.53,ab=0.20.

        按絕干狀態(tài)和飽和面干狀態(tài)計算了不同CFB爐渣代砂率混凝土的水膠比及其28 d抗壓強度,結果見圖2.由圖2可見:摻入CFB爐渣后,絕干狀態(tài)下混凝土抗壓強度的計算值遠低于實測強度,這是因為CFB爐渣可吸收儲存的水,而不是像膠凝材料部位除水化需求外,多余的水均在混凝土硬化后期形成孔隙,對混凝土抗壓強度造成不良影響;即使排除CFB爐渣吸收的水,摻入CFB爐渣后,飽和面干狀態(tài)下混凝土抗壓強度的計算值也低于實測值,這是因為CFB爐渣的活性效應對混凝土抗壓強度有提升作用;隨著CFB爐渣代砂率的提高,飽和面干狀態(tài)下混凝土的抗壓強度與實測值的差值逐漸減小,這是由CFB爐渣壓碎值大、粒型差的負面效應逐漸增加導致的.

        圖2 CFB爐渣代砂率對混凝土水膠比和抗壓強度的影響Fig.2 Effect of φ on mW/mB and R28 of concretes

        2.4 CFB爐渣對混凝土抗壓強度的作用機理

        2.4.1 CFB爐渣的吸漿強化機理

        CFB爐渣壓碎值高,但是在混凝土環(huán)境中,CFB爐渣吸收的水泥漿硬化后與CFB爐渣融為一體,可看作強化后的集料,通過模擬試驗來驗證CFB爐渣的吸漿強化機理.取2.36~4.75 mm的CFB爐渣、煤氣化渣浸泡于不同灰水比mC/mW的水泥漿中,攪拌30 min后撈出,濾干漿液,置于塑料布上,并將其顆粒分開,潮濕養(yǎng)護28 d后,烘干過篩并測試其壓碎值,結果見表6.由表6可見:隨著水泥漿灰水比的提高,CFB爐渣與煤氣化渣壓碎值均逐漸降低,且CFB爐渣壓碎值的降低幅度大于煤氣化渣;當灰水比為1.0時,CFB爐渣的壓碎值從52.9%大幅降低到35.0%,煤氣化渣壓碎值僅降低了7.1%.CFB爐渣表面疏松多孔且吸水率高,在水泥漿環(huán)境中由于水泥漿的包裹和滲入作用,其孔隙會被水泥漿體填充,隨著水泥漿體的后期硬化,會在CFB爐渣多孔表面形成一層強化膜,并在孔隙內(nèi)部形成支撐結構從而降低其壓碎值.

        表6 CFB爐渣、煤氣化渣的壓碎值Table 6 Crushing value of CS and GS w/%

        2.4.2 CFB爐渣的自身水化機理

        將CFB爐渣與煤氣化渣置于混凝土孔溶液模擬液中進行養(yǎng)護,并對其進行XRD分析,結果見圖3.由圖3可見:隨著養(yǎng)護齡期的延長,CFB爐渣中的無水石膏逐漸溶解,并參與形成了大量鈣釩石(AFt);煤氣化渣與CFB爐渣化學成分相似,但由于生成溫度高,硅鋁質(zhì)溶解性差,導致其反應活性低,并未有大量AFt形成.

        圖3 CFB爐渣與煤氣化渣的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of CS and GS

        養(yǎng)護28 d后CFB爐渣與煤氣化渣的TG-DSC曲線見圖4.將TG-DSC曲線中50~550℃的質(zhì)量損失視為結合水的失去,并將其作為集料反應程度的判斷依據(jù).由圖4可見:CFB爐渣結合水量占總質(zhì)量的6.95%,而煤氣化渣的只占3.50%,說明CFB爐渣的水化程度遠高于煤氣化渣;從吸熱峰來看,CFB爐渣出現(xiàn)了明顯的AFt吸熱峰(91.3℃).AFt在93.7℃左右會失去14個H2O,以此作為半定量計算依據(jù)[11].由CFB爐渣在91.3℃的2.10%質(zhì)量損失可得AFt生成量約為10.45%,而煤氣化渣吸熱峰不明顯,說明CFB爐渣可以生成大量的AFt和水化硅酸鈣(C-S-H),而煤氣化渣只有少量的C-S-H生成.由于CFB爐渣中SiO2和Al2O3活性更高,且其高含量的無水石膏可以促進硅鋁質(zhì)的溶解[12],因此其水化反應程度較煤氣化渣更高.

        圖4 養(yǎng)護28 d后CFB爐渣與煤氣化渣的TG-DSC曲線Fig.4 TG-DSC curves of CS and GS after curing for 28 d

        2.4.3 CFB爐渣膠砂的界面形貌

        用SEM觀測了膠砂中機制砂、CFB爐渣及煤氣化渣大于1 000 μm的大顆粒和50 μm左右的小顆粒,結果見圖5.由圖5可見:從3種集料的不同粒徑來看,大小粒徑顆粒的膠砂界面過渡區(qū)寬度不同;對比同粒徑不同細集料發(fā)現(xiàn),CFB爐渣膠砂具有更加致密的界面結構.從大顆粒細集料來看:機制砂膠砂界面疏松多孔且有大量針棒狀AFt形成,煤氣化渣膠砂界面可以觀察到2 μm縫隙的產(chǎn)生,說明煤氣化渣大顆粒與硬化水泥凈漿的結合不緊密;反觀CFB爐渣膠砂,其與水泥凈漿幾乎融為一體,這是由于CFB爐渣活性較高,可以消耗界面及周邊的水并生成大量水化產(chǎn)物,填充界面孔隙,使CFB爐渣與水泥凈漿之間沒有明顯的分層界面,且其具有內(nèi)養(yǎng)生作用,使其周圍的水泥凈漿更加致密.值得一提的是,CFB爐渣表面呈現(xiàn)毛刺狀的水化產(chǎn)物排列,且層狀孔隙中出現(xiàn)了團簇狀的AFt,其對孔隙提供支撐作用.從小顆粒細集料來看:機制砂、煤氣化渣與水泥凈漿之間有明顯的分界線;反觀CFB爐渣,發(fā)現(xiàn)其膠砂中有大量的AFt和C-S-H生成,并結合填充于其表面和孔隙凹槽內(nèi),附近水泥水化程度明顯高于機制砂與煤氣化渣,水化產(chǎn)物結合緊密,無明顯界面產(chǎn)生.

        圖5 機制砂、CFB爐渣和煤氣化渣膠砂的SEM圖Fig.5 SEM images of mortars from MS,CS and GS

        CFB爐渣膠砂孔洞填充現(xiàn)象與其自身吸漿強化的結論一致.機制砂由于微區(qū)泌水效應[13]而形成薄弱的界面結構;而CFB爐渣通過高程度的水化反應,消耗了部分水和界面處有害的Ca(OH)2大晶粒,從而減小其界面孔隙,生成的水化產(chǎn)物與水泥水化產(chǎn)物交錯連接為一個整體,也使得界面進一步強化,且CFB爐渣儲存的水在中后期具備一定的內(nèi)養(yǎng)生作用,使其周圍的水泥凈漿更加致密.

        3 結論

        (1)CFB爐渣粒型級配不良,吸水率、壓碎值高,導致隨著CFB爐渣代砂率的提高,混凝土用水量逐漸增大,混凝土7 d抗壓強度大幅降低,而7~28 d抗壓強度增長率大幅提高,28 d抗壓強度先升高后降低.CFB爐渣對混凝土中后期強度的增長具有較好的正向作用.

        (2)CFB爐渣浸入水泥漿體中,可吸收水泥漿而發(fā)生內(nèi)部水化增強,且其水化活性越高,增強效果越好.相比原CFB爐渣,在灰水比為1.0的水泥漿中浸泡并養(yǎng)護后,CFB爐渣的壓碎值從52.9%大幅降低至35.0%.

        (3)與機制砂和煤氣化渣相比,CFB爐渣膠砂具有更致密的界面結構,其水化反應消耗了部分水和Ca(OH)2大晶粒,從而降低界面孔隙率;其生成的水化產(chǎn)物與水泥水化產(chǎn)物交錯連接為一個整體,使得界面進一步致密;其內(nèi)部儲存的水具有一定的內(nèi)養(yǎng)生作用,使其周圍的水泥凈漿更加致密.

        (4)由于CFB爐渣的高吸水性和高活性,導致按水灰比-強度理論計算的混凝土強度出現(xiàn)較大偏差,所以在進行CFB爐渣混凝土的配合比設計時,應綜合考慮CFB爐渣的高吸水性和高活性.

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