摘要: 研究燃煤炉渣粉掺量(外掺含量分别为胶凝材料的0%、5%、10%、15%、20%)对粉煤灰–炉渣混凝土物理力学性能的影响。试验结果表明：随着燃煤炉渣粉掺量的增加，混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度等呈现逐渐上升的趋势，从掺量和强度综合考虑，燃煤炉渣粉掺量为20%可以配制56 d抗压强度为37.19 MPa混凝土；混凝土的吸水率随着燃煤炉渣粉掺量的增大而增大，该研究对于燃煤炉渣粉在工程中的应用具有一定价值。
Abstract:
Abstract
The effect of the content of coal-fired slag powder (0%, 5%, 10%, 15% and 20% of cementitious material respectively) on the physical and mechanical properties of fly ash-slag concrete was studied. The test results show that with the increase of the content of coal-fired slag powder, the compressive strength, splitting tensile strength and axial compressive strength of concrete show a gradual upward trend. Considering the content and strength, when the content of coal-fired slag powder is 20%, the concrete with 56 d compressive strength of 37.19 MPa can be prepared; the water absorption rate of concrete increases with the increase of the content of coal-fired slag powder. This study has certain value for the application of coal-fired slag powder in engineering.
1. 前言
目前，我国火力燃煤发电约占全国发电总量的七成，燃煤发电仍然占据着主导地位 [1]，将这些废渣加以再利用于建筑材料，是实现工业废渣综合利用的有效途径之一。这样做解决了部分废渣堆放占用土地、破坏土壤结构和污染环境等问题 [2] [3]。目前，国内外对燃煤炉渣混凝土的试验研究也取得了一定的成果，研究发现，燃煤炉渣适量掺入混凝土中，不仅能提高工业废料的利用率，还能产生显著的社会效应、经济效益和环保效益。其中，宋远明等 [4] [5] 采用化学分析方法，研究了燃煤灰渣的火山灰反应活性。周俊龙 [6]、吴耀鸿 [7] 分别对燃煤炉渣的成分、性质进行了详细地分析，研究煤渣对水泥混凝土性能的影响，通过相关试验指出煤渣具有一定的活性，可用作混凝土的掺和料。李燕 [8] 对废渣用作混凝土掺和料进行了系统的试验研究，研究表明可以用沸腾炉渣制备高性能混凝土。潘攀 [9] 研究煤渣粉掺量对混凝土相关性能的影响，结果表明：煤渣粉可作为高性能混凝土的掺合料。但是对燃煤炉渣粉加入粉煤灰–燃煤炉渣混凝土中少有研究，本次试验在满足强度设计要求下进一步提高工业废渣的利用率，不仅节约建筑成本还反应出显著的环境效益，所以对一定掺量的燃煤炉渣粉掺入粉煤灰–炉渣混凝土的研究还是具有一定意义的。
本文以新疆阿拉尔市青松化工电厂的燃煤炉渣作为掺和料，燃煤炉渣粉以一定掺量的胶凝材料(掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%)用其制备混凝土材料。研究燃煤炉渣粉掺量对粉煤灰–炉渣混凝土物理力学性质的影响。
2. 原材料
试验选用新疆青松化工集团股份有限公司生产的青松牌P.O42.5级水泥，各项性能指标见表1；粗骨料粒径为5~20 mm连续级配破碎卵石，表观密度为2730 kg/m3，堆积密度1580 kg/m3，空隙率42.12%；细度模数为2.66的水洗中砂，含水率1.8%，表观密度为2625 kg/m3，堆积密度1556 kg/m3，空隙率40.72%；新疆阿拉尔市青松化工电厂的二级粉煤灰，表观密度为1690 kg/m3，新疆阿拉尔市青松化工电厂的炉渣如图1所示，其表观密度为1273 kg/m3，堆积密度461.5 kg/m3，吸水率25.61%，空隙率63.75%，压碎指标为46.3%，其化学成分见表2；湖南中岩建材科技有限公司的聚羧酸早强型高效减水剂，减水率为30%，固含量为53.6%；拌和用水为阿拉尔市政供应的自来水。
Table 1. Various performance indexes of cement
表1. 水泥各项性能指标
Table 2. Chemical composition of fly ash and slag
表2. 粉煤灰、炉渣化学成分
3. 混凝土配合比设计及试验方法
本文针对民用建筑常用的C30混凝土进行试配，研究燃煤炉渣粉掺量对粉煤灰–炉渣混凝土物理力学性能的影响。参照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》 [10]，以C30为基准混凝土，炉渣粉以0%、5%、10%、15%和20%掺量的胶凝材料外掺，对混凝土进行配合比设计，水灰比0.7。混凝土配合比设计如表3。
试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试验方法标准》 [11] 进行测定。采用150 mm × 150 mm × 150 mm试模成型试件，经标准养护后，混凝土的抗压强度、吸水率指标参照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》 [12] 的规定进行。
4. 试验结果与分析
4.1. 燃煤炉渣粉掺量对混凝土力学性能的影响
燃煤炉渣粉掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%对粉煤灰–炉渣混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度和钢筋握裹强度的影响如图2~图5所示。
结果表明，随着燃煤炉渣粉掺量的增加粉煤灰–炉渣混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、28 d轴心抗压强度和钢筋握裹强度大体趋势先降低后增加，燃煤炉渣粉20%掺量时56 d抗压强度能达到37.19 MPa、56 d劈裂抗拉强度2.15 MPa、28 d轴心抗压强度33.73 MPa和钢筋握裹强度29.95 MPa。这是由于煤渣粉为多孔、不规则表面粗糙 [7] 的颗粒，燃煤炉渣粉前期只起填充性作用，不利于混凝土的强度，但随养护时间的增加煤渣粉中的活性二氧化硅及活性二氧化铝与Ca(OH)2发生了反应，物料之间开始频繁接触生成C-S-H、C-A-H等胶凝体 [13]，提高混凝土的整体强度。
Figure 3. Splitting compressive strength
图3. 劈裂抗压强度
Figure 5. Bond strength of reinforcement
图5. 钢筋握裹强度
4.2. 燃煤炉渣粉掺量对混凝土物理性能的影响
燃煤炉渣粉掺量分别为0%、5%、10%、15%、20%对粉煤灰–炉渣混凝土含水率、吸水率、相对含水率、孔隙率和表观密度的影响如图6~图9所示。
结果表明，随着燃煤炉渣粉掺量的增加炉渣混凝土的吸水率、质量逐渐增大，而坍落度则逐渐减小，孔隙率整体呈现上升趋势，表观密度则呈现下降趋势。这是由于燃煤炉渣粉颗粒表面粗糙、形状不规则 [7] 会增大与砂浆之间的黏合力，故引起坍落度降低、强度得到一定的提高。燃煤炉渣结构疏松多孔具有较强的吸水性，故随着燃煤炉渣粉掺量的增加吸水率性能逐渐增大。
Figure 6. Water content rate, water absorption rate, and relative water content rate
图6. 含水率、吸水率、相对含水率
5. 结论与展望
通过试验可以得出以下结论：
1) 随着燃煤炉渣粉掺量的增加，粉煤灰–炉渣混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、28 d轴心抗压强度和钢筋握裹强度大体趋势先降低后增加。从掺量和强度综合考虑，燃煤炉渣粉20%掺量时56 d抗压强度能达到37.19 MPa、56 d劈裂抗拉强度2.15 MPa、28 d轴心抗压强度33.73 MPa和钢筋握裹强度29.95 MPa。
2) 随着燃煤炉渣粉掺量的增加，粉煤灰–炉渣混凝土的吸水率、孔隙率和质量逐渐增大。
3) 由于燃煤炉渣粉中含有较高含量的碱和MgO，基于本文开展的试验，尚无法对燃煤炉渣粉中所含的碱性物质和氧化物对混凝土耐久性的影响提供足够的科学依据，需进一步开展耐久性相关试验研究。