研究探索：高硫粉煤灰在商品混凝土中的应用研究
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第5期
高硫粉煤灰在商品混凝土中的应用研究
张新胜，杜佩沛，张嘉琛，李明康
［摘要］高硫粉煤灰由于物化性质不同于普通粉煤灰而利用率较低，本文研究了高硫粉煤灰替代普通粉煤灰对胶砂强度及膨胀率的影响规律，采用 SEM 揭示其水化机理，进而探明了高硫粉煤灰对混凝土长期力学性能及耐久性的影响规律。结果发现高硫粉煤灰火山灰活性良好，配制的混凝土抗压强度更高，其在水泥水化过程生成了膨胀产物钙矾石，有效降低干燥收缩，并能降低混凝土孔隙率从而提高混凝土抗渗透性与抗冻性能。
［关键词］高硫粉煤灰；力学性能；强度；补偿收缩
引言
煤炭作为我国重要的能源资源，在能源结构中长期占据着主导地位，其常通过火电厂进行燃煤发电而转化为电力资源向各地输送进行利用。然而煤炭中均含有不定量无法充分燃烧的灰分而作为废物排放[1]，其中粉煤灰是煤经锅炉燃烧后由烟道收尘系统收集的粉末状细小废弃物[2]。一直以来粉煤灰因其自身火山灰活性而被用作水泥混合材或混凝土掺合料从而节约水泥，并具有改变混凝土水化反应过程、降低水化热等作用。但随着近年来燃煤品质的变化、电厂技术的升级等因素，排放的粉煤灰品质也发生了较大波动，其中粉煤灰中SO含量的提高对水泥基材料的影响作用最显著。SO在水泥基材料的水化过程中能够与水泥水化产生的C-A-H的发生反应生成AFt（钙矾石）[3]
但另一方面，混凝土作为水泥基材料的一种，其在凝结硬化的过程中，自身具有体积收缩的现象，这包括了水泥水化反应过程中产物自身体积变化引起的收缩，干燥环境水分迁移散失引起的干燥收缩等[4]。收缩变形是混凝土最常见的破坏形式，目前应对措施较多是采用补偿收缩的方法，即引入能在混凝土中产生微膨胀作用的材料抵消混凝土自身收缩。由此看，高硫粉煤灰的水化膨胀特性使其应用于混凝土中具有补偿收缩的潜力。但由于国内电厂转型升级起步晚，高硫粉煤灰在混凝土中实际应用研究不足，补偿干燥收缩的作用不明确，因此目前高硫粉煤灰应用率低，利用缺乏理论指导。
原材料与试验方法
1.1原材料
试验所用水泥为·O42.5普通硅酸盐水泥；高硫粉煤灰与普通粉煤灰取自于河南省巩义地区不同的热电厂，二者化学成分见表
由表可知，高硫粉煤灰的SO含量为7.6%，高于标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 15962017中的限制，且CaO含量也较普通粉煤灰高。两种粉煤灰的物理性能对比见表
1.2配合比与试验方法
水化及膨胀行为测试：分别制备掺30%普通粉煤灰砂浆及不同掺量的高硫粉煤灰砂浆，具体配比如表所示。
测试7d28d抗压强度以对比粉煤灰活性。成型尺寸为25mm25mm280mm、两端加装测头的长方体试件，标准养护1d后拆模并置于标养箱，记录不同龄期试件长度变化。同时制备小立方体胶砂试件标养28d后破碎，取碎块于无水乙醇中浸泡1d后取出置于干燥器中干燥待测。将碎块制备成合适尺寸的样品送至检测机构进行SEM测试，对比观察两种粉煤灰的水化产物形貌及基体的致密度。
混凝土性能测试：在常规C30混凝土配合比基础上改变高硫粉煤灰的替代比例进行长期力学性能测试，并对关键耐久性进行测试，耐久性试验主要依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 500822009进行，具体配合比如表所示。
结果与讨论
2.1胶砂性能对比
对两种粉煤灰及不同掺量制备的胶砂试件抗压强度进行测试，结果如图所示。可以看出，相同掺量时，高硫粉煤灰7d28d强度均高于普通粉煤灰，这说明高硫粉煤灰具有更高的火山灰活性，有作为辅助胶凝材料节约水泥的潜力。此外，随着高硫粉煤灰掺量由10%提升至30%，试件抗压强度有所降低，但降低幅度不大，这是因为高硫粉煤灰活性较好，能够与水泥水化过程中的氢氧化钙发生二次水化反应，从而一定程度弥补水泥用量减少时强度的损失。
个配合比的胶砂试件在标准养护条件下不同龄期的长度变化进行测试，结果表和图所示。可以看出，组试件长度变化规律具有较大的差异，采用30%掺量普通粉煤灰的胶砂试件未出现明显的膨胀现象，3d内收缩幅度较大，5d后趋于稳定，28d收缩率大于其余组。这主要是由于水泥水化过程中反应物与生成物的密度、化学键状态等物理化学性质不同而造成的体积减小现象。使用高硫粉煤灰的胶砂在前2d内出现了不同程度的膨胀，且膨胀率随着掺量提高而增大。掺量10%的试件在小幅膨胀后又呈现出收缩的趋势，掺量20%30%的试件收缩幅度较小，最终稳定后试件长度相比初始仍保持为膨胀状态。这种现象说明高硫粉煤灰在水泥水化过程中改变了水化产物类型，产生了具有膨胀性的物质，从而引起了宏观上的体积变化。
在不同放大倍数下对30%掺量的普通粉煤灰与高硫粉煤灰胶砂试件微观形貌进行观察，结果如图所示。图）与（）分别是低倍下普通粉煤灰试件与高硫粉煤灰形貌，可以看出普通粉煤灰胶砂由于体积收缩，基体中产生了一定的裂纹，整体形貌不如高硫粉煤灰胶砂致密。图）与（）分别是高倍下普通粉煤灰试件与高硫粉煤灰形貌，可以看出普通粉煤灰试件水化产物较为单一，主要为凝胶类产物，且一些颗粒较小的水化产物分散在表面与周围连接不紧密，因而宏观性能表现为强度较低，体积收缩。而高硫粉煤灰试件出现了针棒状钙矾石（AFt）等水化产物，其在形成过程中能够引起体积膨胀，并且部分填充在空隙中，一定程度弥补了基体的缺陷，有利于力学性能提高与体积稳定。
2.2混凝土力学性能
采用前述组配合比配制混凝土，在标准养护条件（温度(202)℃、湿度＞95%）进行养护，测定混凝土3d7d14d28d56d90d龄期的抗压强度。结果如表和图所示。
可以看出，组混凝土抗压强度随着龄期增长而增长，后期均没有出现强度倒缩现象，28d强度达到37MPa以上，满足C30混凝土强度设计要求。而在同一龄期时，组掺入高硫粉煤灰的混凝土（C1C2C3）抗压强度均高于普通粉煤灰混凝土（C0），这是因为高硫粉煤灰火山灰活性优于普通粉煤灰。此外，随着高硫粉煤灰用量的提高，混凝土14d内抗压强度逐渐增大，说明高硫粉煤灰替代普通粉煤灰与矿粉有利于早期强度的提升。但28d及以后，高硫粉煤灰同时取代普通粉煤灰与矿粉组混凝土（C3）抗压强度略低于单取代普通粉煤灰组混凝土（C2），这可能是因为矿粉活性更高，被高硫粉煤灰取代后造成基体水化产物减少，从而对抗压强度产生一定的削弱。
）干燥收缩
混凝土试件尺寸为100mm100mm400mm的长方体试件，标准养护(242)h后拆模，将各组混凝土试件置于接触式立架测试仪上，在干燥环境下对混凝土收缩率进行连续观测。环境温湿度条件为(202)、湿度不大于50%，测试结果如表和图所示。
可以看出，在干燥环境下，组混凝土早期体积变化具有明显差异，后期变化趋势相似，90d时基本趋于稳定。其中，普通混凝土（C0）呈现随着龄期增长而不断收缩的趋势，且收缩率增长幅度逐渐减小，90d时干燥收缩率超过40010-6。这是因为干燥环境下，混凝土内部毛细孔中水分迁移蒸发而不断损耗，并在此过程中水分表面张力作用于混凝土使其发生收缩。而随着高硫粉煤灰用量的提升，混凝土早期膨胀率不断提高，C3组混凝土膨胀现象最显著，最大膨胀率达到8010-6，相比较C0降低了56%，这与前述胶砂试验相似，也是因为高硫粉煤灰在水泥水化过程中生成了钙矾石引起了体积膨胀。而同时钙矾石填充孔隙有利于抵抗失水过程引起的收缩作用，因而使用高硫粉煤灰的混凝土最终收缩率低于普通混凝土。
）抗渗透性能
主要采用混凝土吸水率、渗水高度以及抗氯离子渗透电通量法对各组混凝土抗渗透性能进行评价，其中吸水率、渗水高度检测龄期为28d，电通量检测龄期为56d，具体测试结果如表所示。可以看出随着高硫粉煤灰用量的提高，混凝土吸水率有所减小，这说明混凝土内部孔隙减少，自由水容纳量降低，也间接反映了高硫粉煤灰水化产物填充孔隙的作用。而同时，渗水高度测试中高硫粉煤灰用量提高，渗水高度降低，这表现出高硫粉煤灰混凝土孔隙率降低后，减少了自由水迁移通道，相比普通混凝土具有更好的抗水渗透性能。此外，在电通量试验中也表现出相似的结果，这是因为高硫粉煤灰水化产物填充孔隙，减少了连通孔隙，氯离子迁移速率降低，因而抗氯离子渗透性能提高。
）抗冻性试验
采用快冻法对四组混凝土抗冻融循环性能进行检测，养护龄期为28d，以每50次冻融循环为一个检测周期，对各试件相对弹性模量、质量损失率进行测试，结果如表9和图所示。图）为质量损失率测试结果，可以看出各组混凝土随着冻融循环次数增多，质量损失率均逐渐增大，这是因为在试验温度反复变化过程中，混凝土孔隙中的水分不断重复冷却结冰—升温融化的过程，水结冰产生体积膨胀并逐渐破坏周边孔隙结构，从而引起混凝土表面及内部的损伤。但相同冻融循环次数下，掺入高硫粉煤灰的混凝土质量损失率较小，且随着掺量提高而降低。这说明高硫粉煤灰的水化产物填充孔隙结构后，有效地提高了内部结构密实度，降低了混凝土吸水率的同时，减少冻胀破坏的源头。而从图）混凝土相对动弹性模量变化可以看出，各组混凝土变化规律与质量损失率相似，均随着冻融循环次数增多而逐渐下降，且随着高硫粉煤灰掺量提高，下降幅度减小，这表示掺高硫粉煤灰的混凝土在冻融环境下物理力学性能损失较小。综合两种测试结果，说明高硫粉煤灰能够提高混凝土的密实度，从而提高混凝土抵抗冻融循环破坏的能力。
结论
（1）相比普通粉煤灰，高硫粉煤灰具有更高的火山灰活性，标养环境下高硫粉煤灰配制的胶砂在早期具有膨胀现象，且膨胀率随着掺量增大而提高，28d时掺20%以上高硫粉煤灰的胶砂相对0d时仍保持膨胀状态。
（2）高硫粉煤灰能够参与水泥水化反应，丰富产物类型，并生成了膨胀性产物AFt，部分填充了材料内部孔隙、弥补缺陷，从而减少收缩开裂现象，提高了基体的密实度。
（3）使用高硫粉煤灰配制的混凝土强度高于普通混凝土，后期强度发展良好，但纯高硫粉煤灰混凝土后期强度略低于矿粉—高硫粉煤灰双掺混凝土。
（4）高硫粉煤灰的掺入能够降低混凝土的干燥收缩，90d收缩率相比普通混凝土最大可降低56%。此外，由于孔隙率的降低，连通孔隙减少，从而引起混凝土吸水率、渗水高度降低，并提高了混凝土抗氯离子渗透性，同时自由水减少也导致混凝土抗冻性能得到提高。
参考文献
[1] 翁安丞，万祥龙，胡金浪，等．粉煤灰资源化技术研究进展与对策分析[J/OL]．南京工业大学学报（自然科学版）: 1-9[2024-01-05].
[2] 胡萍．粉煤灰对高性能混凝土抗裂性能的影响研究[J]．砖瓦，2023(12): 53-55
[3] 谢祥明．高硫粉煤灰磷矿渣复合材的制备及其混凝土性能研究[J]．混凝土，2010(05):73-75
[4] 王效渊．高硫粉煤灰—水泥—气泡混合轻质填料（HCBF）的工程特性及相关机理研究[D]．太原：太原理工大学，2022
供稿人：张新胜，杜佩沛等
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
【标准规范】
【会议培训】
第十届全国建筑固废和尾矿泥浆处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
2025第二十一届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2025中国商品混凝土年会
【咨询服务】
预拌混凝土质量追溯研究
高速公路及桥涵高性能混凝土技术咨询
课题研究
研发中心建设
[绿满庭院]《HJ建筑围护结构自保温技术体系》推广等
【建材“双碳”业务】
低碳胶凝材料研发与制备
复合掺合料和再生复合掺合料研发与制备
建筑垃圾处置与资源化利用
建筑垃圾再生砂粉应用技术
建筑垃圾再生轻粗骨料技术
碳化再生骨料制备技术
【期刊著作】
《常见预拌混凝土质量事故分析百例》图书
《预拌混凝土企业标准化试验室建设指南》图书
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