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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第5期

高硫粉煤灰在商品混凝土中的應用研究

張新勝，杜佩沛，張嘉琛，李明康

［摘要］高硫粉煤灰由于物化性質不同于普通粉煤灰而利用率較低，本文研究了高硫粉煤灰替代普通粉煤灰對膠砂強度及膨脹率的影響規律，采用 SEM 揭示其水化機理，進而探明了高硫粉煤灰對混凝土長期力學性能及耐久性的影響規律。結果發現高硫粉煤灰火山灰活性良好，配制的混凝土抗壓強度更高，其在水泥水化過程生成了膨脹產物鈣礬石，有效降低干燥收縮，并能降低混凝土孔隙率從而提高混凝土抗滲透性與抗凍性能。

［關鍵詞］高硫粉煤灰；力學性能；強度；補償收縮

引言

煤炭作為我國重要的能源資源，在能源結構中長期占據著主導地位，其常通過火電廠進行燃煤發電而轉化為電力資源向各地輸送進行利用。然而煤炭中均含有不定量無法充分燃燒的灰分而作為廢物排放^[1]，其中粉煤灰是煤經鍋爐燃燒后由煙道收塵系統收集的粉末狀細小廢棄物^[2]。一直以來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摻合料從而節約水泥，并具有改變混凝土水化反應過程、降低水化熱等作用。但隨著近年來燃煤品質的變化、電廠技術的升級等因素，排放的粉煤灰品質也發生了較大波動，其中粉煤灰中SO含量的提高對水泥基材料的影響作用最顯著。SO在水泥基材料的水化過程中能夠與水泥水化產生的C-A-H的發生反應生成AFt（鈣礬石）^[3]

但另一方面，混凝土作為水泥基材料的一種，其在凝結硬化的過程中，自身具有體積收縮的現象，這包括了水泥水化反應過程中產物自身體積變化引起的收縮，干燥環境水分遷移散失引起的干燥收縮等^[4]。收縮變形是混凝土最常見的破壞形式，目前應對措施較多是采用補償收縮的方法，即引入能在混凝土中產生微膨脹作用的材料抵消混凝土自身收縮。由此看，高硫粉煤灰的水化膨脹特性使其應用于混凝土中具有補償收縮的潛力。但由于國內電廠轉型升級起步晚，高硫粉煤灰在混凝土中實際應用研究不足，補償干燥收縮的作用不明確，因此目前高硫粉煤灰應用率低，利用缺乏理論指導。

原材料與試驗方法

1.1原材料

試驗所用水泥為·O42.5普通硅酸鹽水泥；高硫粉煤灰與普通粉煤灰取自于河南省鞏義地區不同的熱電廠，二者化學成分見表

由表可知，高硫粉煤灰的SO含量為7.6%，高于標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 15962017中的限制，且CaO含量也較普通粉煤灰高。兩種粉煤灰的物理性能對比見表

1.2配合比與試驗方法

水化及膨脹行為測試：分別制備摻30%普通粉煤灰砂漿及不同摻量的高硫粉煤灰砂漿，具體配比如表所示。

測試7d28d抗壓強度以對比粉煤灰活性。成型尺寸為25mm25mm280mm、兩端加裝測頭的長方體試件，標準養護1d后拆模并置于標養箱，記錄不同齡期試件長度變化。同時制備小立方體膠砂試件標養28d后破碎，取碎塊于無水乙醇中浸泡1d后取出置于干燥器中干燥待測。將碎塊制備成合適尺寸的樣品送至檢測機構進行SEM測試，對比觀察兩種粉煤灰的水化產物形貌及基體的致密度。

混凝土性能測試：在常規C30混凝土配合比基礎上改變高硫粉煤灰的替代比例進行長期力學性能測試，并對關鍵耐久性進行測試，耐久性試驗主要依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 500822009進行，具體配合比如表所示。

結果與討論

2.1膠砂性能對比

對兩種粉煤灰及不同摻量制備的膠砂試件抗壓強度進行測試，結果如圖所示。可以看出，相同摻量時，高硫粉煤灰7d28d強度均高于普通粉煤灰，這說明高硫粉煤灰具有更高的火山灰活性，有作為輔助膠凝材料節約水泥的潛力。此外，隨著高硫粉煤灰摻量由10%提升至30%，試件抗壓強度有所降低，但降低幅度不大，這是因為高硫粉煤灰活性較好，能夠與水泥水化過程中的氫氧化鈣發生二次水化反應，從而一定程度彌補水泥用量減少時強度的損失。

個配合比的膠砂試件在標準養護條件下不同齡期的長度變化進行測試，結果表和圖所示。可以看出，組試件長度變化規律具有較大的差異，采用30%摻量普通粉煤灰的膠砂試件未出現明顯的膨脹現象，3d內收縮幅度較大，5d后趨于穩定，28d收縮率大于其余組。這主要是由于水泥水化過程中反應物與生成物的密度、化學鍵狀態等物理化學性質不同而造成的體積減小現象。使用高硫粉煤灰的膠砂在前2d內出現了不同程度的膨脹，且膨脹率隨著摻量提高而增大。摻量10%的試件在小幅膨脹后又呈現出收縮的趨勢，摻量20%30%的試件收縮幅度較小，最終穩定后試件長度相比初始仍保持為膨脹狀態。這種現象說明高硫粉煤灰在水泥水化過程中改變了水化產物類型，產生了具有膨脹性的物質，從而引起了宏觀上的體積變化。

在不同放大倍數下對30%摻量的普通粉煤灰與高硫粉煤灰膠砂試件微觀形貌進行觀察，結果如圖所示。圖）與（）分別是低倍下普通粉煤灰試件與高硫粉煤灰形貌，可以看出普通粉煤灰膠砂由于體積收縮，基體中產生了一定的裂紋，整體形貌不如高硫粉煤灰膠砂致密。圖）與（）分別是高倍下普通粉煤灰試件與高硫粉煤灰形貌，可以看出普通粉煤灰試件水化產物較為單一，主要為凝膠類產物，且一些顆粒較小的水化產物分散在表面與周圍連接不緊密，因而宏觀性能表現為強度較低，體積收縮。而高硫粉煤灰試件出現了針棒狀鈣礬石（AFt）等水化產物，其在形成過程中能夠引起體積膨脹，并且部分填充在空隙中，一定程度彌補了基體的缺陷，有利于力學性能提高與體積穩定。

2.2混凝土力學性能

采用前述組配合比配制混凝土，在標準養護條件（溫度(202)℃、濕度＞95%）進行養護，測定混凝土3d7d14d28d56d90d齡期的抗壓強度。結果如表和圖所示。

可以看出，組混凝土抗壓強度隨著齡期增長而增長，后期均沒有出現強度倒縮現象，28d強度達到37MPa以上，滿足C30混凝土強度設計要求。而在同一齡期時，組摻入高硫粉煤灰的混凝土（C1C2C3）抗壓強度均高于普通粉煤灰混凝土（C0），這是因為高硫粉煤灰火山灰活性優于普通粉煤灰。此外，隨著高硫粉煤灰用量的提高，混凝土14d內抗壓強度逐漸增大，說明高硫粉煤灰替代普通粉煤灰與礦粉有利于早期強度的提升。但28d及以后，高硫粉煤灰同時取代普通粉煤灰與礦粉組混凝土（C3）抗壓強度略低于單取代普通粉煤灰組混凝土（C2），這可能是因為礦粉活性更高，被高硫粉煤灰取代后造成基體水化產物減少，從而對抗壓強度產生一定的削弱。

）干燥收縮

混凝土試件尺寸為100mm100mm400mm的長方體試件，標準養護(242)h后拆模，將各組混凝土試件置于接觸式立架測試儀上，在干燥環境下對混凝土收縮率進行連續觀測。環境溫濕度條件為(202)、濕度不大于50%，測試結果如表和圖所示。

可以看出，在干燥環境下，組混凝土早期體積變化具有明顯差異，后期變化趨勢相似，90d時基本趨于穩定。其中，普通混凝土（C0）呈現隨著齡期增長而不斷收縮的趨勢，且收縮率增長幅度逐漸減小，90d時干燥收縮率超過40010^-6。這是因為干燥環境下，混凝土內部毛細孔中水分遷移蒸發而不斷損耗，并在此過程中水分表面張力作用于混凝土使其發生收縮。而隨著高硫粉煤灰用量的提升，混凝土早期膨脹率不斷提高，C3組混凝土膨脹現象最顯著，最大膨脹率達到8010^-6，相比較C0降低了56%，這與前述膠砂試驗相似，也是因為高硫粉煤灰在水泥水化過程中生成了鈣礬石引起了體積膨脹。而同時鈣礬石填充孔隙有利于抵抗失水過程引起的收縮作用，因而使用高硫粉煤灰的混凝土最終收縮率低于普通混凝土。

）抗滲透性能

主要采用混凝土吸水率、滲水高度以及抗氯離子滲透電通量法對各組混凝土抗滲透性能進行評價，其中吸水率、滲水高度檢測齡期為28d，電通量檢測齡期為56d，具體測試結果如表所示。可以看出隨著高硫粉煤灰用量的提高，混凝土吸水率有所減小，這說明混凝土內部孔隙減少，自由水容納量降低，也間接反映了高硫粉煤灰水化產物填充孔隙的作用。而同時，滲水高度測試中高硫粉煤灰用量提高，滲水高度降低，這表現出高硫粉煤灰混凝土孔隙率降低后，減少了自由水遷移通道，相比普通混凝土具有更好的抗水滲透性能。此外，在電通量試驗中也表現出相似的結果，這是因為高硫粉煤灰水化產物填充孔隙，減少了連通孔隙，氯離子遷移速率降低，因而抗氯離子滲透性能提高。

）抗凍性試驗

采用快凍法對四組混凝土抗凍融循環性能進行檢測，養護齡期為28d，以每50次凍融循環為一個檢測周期，對各試件相對彈性模量、質量損失率進行測試，結果如表9和圖所示。圖）為質量損失率測試結果，可以看出各組混凝土隨著凍融循環次數增多，質量損失率均逐漸增大，這是因為在試驗溫度反復變化過程中，混凝土孔隙中的水分不斷重復冷卻結冰—升溫融化的過程，水結冰產生體積膨脹并逐漸破壞周邊孔隙結構，從而引起混凝土表面及內部的損傷。但相同凍融循環次數下，摻入高硫粉煤灰的混凝土質量損失率較小，且隨著摻量提高而降低。這說明高硫粉煤灰的水化產物填充孔隙結構后，有效地提高了內部結構密實度，降低了混凝土吸水率的同時，減少凍脹破壞的源頭。而從圖）混凝土相對動彈性模量變化可以看出，各組混凝土變化規律與質量損失率相似，均隨著凍融循環次數增多而逐漸下降，且隨著高硫粉煤灰摻量提高，下降幅度減小，這表示摻高硫粉煤灰的混凝土在凍融環境下物理力學性能損失較小。綜合兩種測試結果，說明高硫粉煤灰能夠提高混凝土的密實度，從而提高混凝土抵抗凍融循環破壞的能力。

結論

（1）相比普通粉煤灰，高硫粉煤灰具有更高的火山灰活性，標養環境下高硫粉煤灰配制的膠砂在早期具有膨脹現象，且膨脹率隨著摻量增大而提高，28d時摻20%以上高硫粉煤灰的膠砂相對0d時仍保持膨脹狀態。

（2）高硫粉煤灰能夠參與水泥水化反應，豐富產物類型，并生成了膨脹性產物AFt，部分填充了材料內部孔隙、彌補缺陷，從而減少收縮開裂現象，提高了基體的密實度。

（3）使用高硫粉煤灰配制的混凝土強度高于普通混凝土，后期強度發展良好，但純高硫粉煤灰混凝土后期強度略低于礦粉—高硫粉煤灰雙摻混凝土。

（4）高硫粉煤灰的摻入能夠降低混凝土的干燥收縮，90d收縮率相比普通混凝土最大可降低56%。此外，由于孔隙率的降低，連通孔隙減少，從而引起混凝土吸水率、滲水高度降低，并提高了混凝土抗氯離子滲透性，同時自由水減少也導致混凝土抗凍性能得到提高。

參考文獻

[1] 翁安丞，萬祥龍，胡金浪，等．粉煤灰資源化技術研究進展與對策分析[J/OL]．南京工業大學學報（自然科學版）: 1-9[2024-01-05].

[2] 胡萍．粉煤灰對高性能混凝土抗裂性能的影響研究[J]．磚瓦，2023(12): 53-55

[3] 謝祥明．高硫粉煤灰磷礦渣復合材的制備及其混凝土性能研究[J]．混凝土，2010(05):73-75

[4] 王效淵．高硫粉煤灰—水泥—氣泡混合輕質填料（HCBF）的工程特性及相關機理研究[D]．太原：太原理工大學，2022

供稿人：張新勝，杜佩沛等

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標準規范】

《建筑固廢再生砂粉應用技術規范》行標

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術規程》CECS

《預拌混凝土使用說明書》團標

《砂漿和混凝土用石屑》團標

《預拌混凝土產品質量追溯規范》團標

【會議培訓】

2025全國混凝土行業創新發展與廢棄物資源再生技術交流大會

第十屆全國建筑固廢和尾礦泥漿處理及資源化利用大會暨中國砂石協會建筑固廢利用分會年會

2025第二十一屆全國商品混凝土可持續發展論壇暨2025中國商品混凝土年會

預拌（商品）混凝土應用技術和工藝技能線上培訓

混凝土（砂漿）試驗檢測方法實操教學線上培訓

【咨詢服務】

科技成果評價

預拌混凝土質量追溯研究

高速公路及橋涵高性能混凝土技術咨詢

課題研究

研發中心建設

產品檢測

綠色建材產品認證

[綠滿庭院]《HJ建筑圍護結構自保溫技術體系》推廣等

【建材“雙碳”業務】

低碳膠凝材料研發與制備

復合摻合料和再生復合摻合料研發與制備

建筑垃圾處置與資源化利用

建筑垃圾再生砂粉應用技術

建筑垃圾再生輕粗骨料技術

碳化再生骨料制備技術

【期刊著作】

《新技術在混凝土中的應用》圖書

《常見預拌混凝土質量事故分析百例》圖書

《預拌混凝土企業標準化試驗室建設指南》圖書

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