粉煤灰渣替代细骨料对砂浆混凝土强度及抗冻性影响

张 卉，潘慧敏，石雨轩，周美茹，王冬丽

(1.燕山大学，河北省土木工程绿色建造与智能运维重点实验室，秦皇岛 066004； 2.河北建材职业技术学院，河北省绿色高性能建材应用技术协同创新中心，秦皇岛 066004)

0 引 言

燃煤电厂排放的主要固体废弃物是粉煤灰和粉煤灰渣，粉煤灰渣主要为锅炉炉底排出的大粒径灰渣，约占灰渣总量的10%(质量分数)[1-2]。粉煤灰渣颗粒较粗，活性较低，不能直接用作活性掺合料，利用率一直较低[2-4]。

在建筑工程中，粉煤灰渣多用于替代细骨料，对此很多学者开展了相关探索研究。Singh等[5]研究了粉煤灰渣替代细骨料混凝土的力学性能和微观结构，结果表明，粉煤灰渣作为细骨料部分或全部替代天然河砂可用于生产C20～C30混凝土。Yang等[6]探究了粉煤灰渣替代高强混凝土细骨料的力学性能，结果表明粉煤灰渣混凝土可达到高强混凝土的强度水平。卢前明等[2]采用机械粉磨、微波辐射和掺加外加剂三种方式对粉煤灰渣进行活化，研究发现这三种方式均可提高粉煤灰渣水化活性。陈云[7]通过一系列激发试验，分析了生石灰掺量对粉煤灰渣活性的影响，研究表明通过合理激发与配比选择，可将粉煤灰渣用于公路路面混凝土的建设。杨晓艳等[4]研究了粉煤灰渣活化处理后在预拌砂浆中的应用，结果表明随着粉煤灰渣取代量的增加砂浆的抗压强度有所提高，尤其是对后期强度有明显的改善效果。杨泽政[8]研究了用预湿粉煤灰渣替代细骨料砂浆的力学性能，结果表明养护28 d、粉煤灰渣体积分数替代率为20%时试样的性能最优，相较于基准组试件抗折强度提高9.2%，抗压强度提高4.7%。由此可见，粉煤灰渣在水泥混凝土中替代细骨料具有可行性。

但在以往研究中，不同粒径区间粉煤灰渣分级取代细骨料还较少，其在砂浆及混凝土中的作用机理更少见报道。同时，直接将大粒径粉煤灰渣破碎至一定的细骨料粒径区间，其在砂浆试件中所发挥的作用若能与筛分获得的粉煤灰渣作用相近，则可大大提高粉煤灰渣的利用率。鉴于此，本文通过筛分和破碎两种方式，获得粒径区间为0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm的粉煤灰渣，并用其等体积替代对应粒径区间的细骨料，分析粉煤灰渣对砂浆试件工作性和强度的影响，探究其最优替代粒径区间。同时结合扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)[9]等方法剖析粉煤灰渣替代细骨料后砂浆试件的强度变化机理。基于砂浆最优替代粒径区间的试验结果，对粉煤灰渣替代细骨料后混凝土试件的强度和抗冻性进行验证。研究可为粉煤灰渣作为细骨料在砂浆及混凝土中的应用提供理论基础，拓宽粉煤灰渣的应用领域，对节约细骨料资源、消耗粉煤灰渣固体废弃物及缓解环境压力有一定的指导意义。

1 实 验

1.1 原材料

(1)水泥：秦皇岛市浅野水泥有限公司P·Ⅱ 42.5水泥。

(2)细骨料：连续级配机制砂粒径0.15～4.75 mm，细度模数2.9，属Ⅱ区中砂。对机制砂0.6～1.18 mm粒径区间及0.3～0.6 mm粒径区间密度进行测试，如表1所示。

表1 机制砂不同粒径区间密度Table 1 Density of machine-made sand with different particle size intervals

(3)粗骨料：5～20 mm连续级配碎石。

(4)粉煤灰渣：来自绥中电厂干排粉煤灰渣。粉煤灰渣疏松多孔，表面凹凸不平[10-11]，其微观形貌如图1所示。采用D/MAX-2500/PCX射线衍射仪对粉煤灰渣的矿物相进行分析，如图2所示。由图2可知其晶体矿物相主要为二氧化硅、莫来石、氧化铝，另外还有少量的莫长石、铁云母、印度石。采用ADVANT X’P-381 X射线荧光光谱仪对粉煤灰渣进行化学成分分析，分析结果见表2。

(5)水：自来水。

图1 粉煤灰渣微观形貌Fig.1 Microstructure of fly ash slag

图2 粉煤灰渣XRD谱Fig.2 XRD pattern of fly ash slag

表2 粉煤灰渣的化学组成Table 2 Chemical composition of fly ash slag

1.2 试验方案

采用粉煤灰渣按粒径区间等体积替代砂浆细骨料，同时为对比筛分和破碎两种方式获得的粉煤灰渣对砂浆的影响，将替代组分为A、B两组，分别代表筛分替代组和破碎替代组。其中A1、A2分别表示以筛分方式获得的0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm粒径区间替代组，B1、B2分别表示以破碎方式获得的0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm粒径区间替代组。编号J0表示基准组，即不进行替代。

1.3 砂浆配合比

设计砂浆水胶比为0.5，胶砂比3 ∶1，配合比如表3所示。

表3 砂浆配合比Table 3 Mixing proportions of mortar

1.4 试件制备

筛分获得0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm两种粒径区间粉煤灰渣备用，另破碎粉煤灰渣并筛分获得0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm两种粒径区间备用。取上述4种粉煤灰渣各2 kg置于水中进行预湿，24 h后取出粉煤灰渣，控水至饱和面干状态，测量各粒径区间饱和面干粉煤灰渣密度。筛取0.15～4.75 mm粒径机制砂洗去泥土分成三组，其中两组分别剔除0.6～1.18 mm和0.3～0.6 mm粒径机制砂备用，剩余一组不做处理。按表3取料拌制砂浆，测试并记录流动度，制作40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件。试件成模振实后，上表面覆盖保鲜膜，24 h后拆模，置入标准养护箱养护。

1.5 粉煤灰渣微观形貌及能谱分析

为观测粉煤灰渣替代细骨料后砂浆试件的微观形貌及水化产物，取养护28 d的A2试件终止水化，烘干后进行扫描电镜试验和能谱分析。为确定粉煤灰渣在氢氧化钙环境下的反应情况，取0.3～0.6 mm粒径粉煤灰渣浸泡于饱和氢氧化钙溶液，待14 d后取出并用异丙醇冲洗后终止水化，烘干后进行扫描电镜试验和能谱分析[12]。

2 结果与讨论

2.1 砂浆流动度

图3 各组砂浆流动度Fig.3 Fluidity of each group of mortar

依据GB/T 176771—2005《水泥胶砂流动度检验方法》[13]采用跳桌法对各组砂浆进行流动度测试并记录结果，如图3所示。由图3可以看出，经预湿至饱和面干状态的粉煤灰渣替代对应粒径区间细骨料后，所制备的水泥砂浆流动度与基准组基本相同，说明粉煤灰渣替代细骨料后仍可保证水泥砂浆具有良好的流动性。

2.2 抗压和抗折强度

砂浆试件28 d抗压和抗折强度如图4所示。在图4中可以看出，各组砂浆试件抗压和抗折强度均随养护龄期的增大而均匀增长。为定量分析各组砂浆试件的强度变化，图5给出了以基准组为标准，其余各组砂浆试件的强度变化率。

图4 J0、A1、A2、B1、B2试件抗压和抗折强度对比Fig.4 Comparison of compressive and flexural strength of J0, A1, A2, B1, B2 specimens

图5 A1、A2、B1、B2试件相对J0抗压和抗折强度变化率Fig.5 Change rate of compressive and flexural strength of A1, A2, B1, B2 specimens relative to J0

J0、A1、A2试件比较了筛分获得粉煤灰渣替代0.6～1.18 mm与0.3～0.6 mm粒径机制砂砂浆试件强度。就28 d强度而言，相比基准组，0.6～1.18 mm 粒径替代组砂浆试件的抗压强度降低9.0%，抗折强度降低5.2%；0.3～0.6 mm粒径替代组砂浆试件的抗压强度提升3.5%，抗折强度提升0.6%，与基准组强度基本一致。

J0、B1、B2试件比较了破碎获得粉煤灰渣替代0.6～1.18 mm与0.3～0.6 mm粒径机制砂砂浆试件强度。就28 d强度而言，相比基准组，0.6～1.18 mm粒径替代组砂浆试件的抗折强度降低7.0%，抗压强度降低12.5%；0.3～0.6 mm粒径替代组砂浆试件的抗折强度降低2.5%，抗压强度提升2.0%，与筛分获得粉煤灰渣对抗压强度的提升效果相似。

综上，筛分与破碎获得粉煤灰渣最优替代粒径区间均为0.3～0.6 mm，且破碎与筛分这两种方式获得的0.3～0.6 mm粒径粉煤灰渣替代细骨料砂浆试件有着基本一致的抗压和抗折强度。

2.3 SEM结果和EDS分析

图6为饱和氢氧化钙溶液浸泡14 d的粉煤灰渣水化产物形貌。图7为图6中区域1的EDS能谱分析。由图6可见，粉煤灰渣表面水化产物主要为网状、纤维状的C-S-H凝胶。由EDS能谱可知，此时C-S-H所在区域的Ca/Si原子数比为0.72。这可以表明在氢氧化钙环境下，粉煤灰渣表面能够水化生成C-S-H凝胶[14-15]。

图6 饱和氢氧化钙溶液浸泡14 d的粉煤灰渣水化产物形貌Fig.6 Morphology of hydration products of fly ash slag soaked in saturated calcium hydroxide solution for 14 d

图7 图6中区域1的EDS能谱Fig.7 EDS spectrum of zone 1 inFig.6

图8为养护28 d A2试件中的粉煤灰渣水化产物微观形貌。图9、图10分别为图8中区域2、区域3 EDS能谱分析。由图8可见，砂浆试件中，粉煤灰渣表面水化产物主要为网状、纤维状以及团簇状的C-S-H凝胶。由EDS能谱(图9、图10)可知，图8(a)中C-S-H所在区域的Ca/Si原子数比为0.53，图8(b)中C-S-H所在区域的Ca/Si原子数比为0.55。此时致密C-S-H凝胶生长在粉煤灰渣的表面，增强了粉煤灰渣的强度，进而使砂浆试件的强度也有所提升。

图8 A2试件中的粉煤灰渣水化产物Fig.8 Hydration products of fly ash slag in A2 specimen

图9 图8中区域2的EDS能谱Fig.9 EDS spectrum of zone 2 inFig.8

图10 图8中区域3的EDS能谱Fig.10 EDS spectrum of zone 3 inFig.8

图11 粉煤灰渣与水泥界面区域Fig.11 Interface area between fly ash slag and cement

图11为28 d砂浆试件中粉煤灰渣与水泥的界面区域。由于在砂浆试件中，粉煤灰渣表面水化能够生成C-S-H凝胶，不断生长的C-S-H凝胶增强了粉煤灰渣和水泥的胶结强度，使得裂缝发生在距离交界区域较远处，对砂浆试件的强度起到了化学增强的作用。

结合图1分析可知粉煤灰渣形状不规则，而凹凸不平的表面增加了粉煤灰渣与水泥之间的接触面积，同时不规则的外形使粉煤灰渣与水泥浆互相咬合，形成了一种“嵌锁”[16]效应，起到了强度增强的效果。粉煤灰渣本身疏松多孔，相比机制砂具有更高的吸水性。在水泥水化过程中，经过预湿处理的粉煤灰渣中的水分会缓慢释放，为水泥水化提供水分，具有内养护作用，可提高粉煤灰渣周围水泥强度。在水化后期，粉煤灰渣表面水化物逐渐积聚增厚，减缓了粉煤灰渣内部水向外渗透的速度，降低了粉煤灰渣内养护对试件强度提高所起的作用。

3 混凝土强度与抗冻性验证

混凝土是目前建筑领域应用范围较为广泛的建筑材料之一[17]，为扩大粉煤灰渣的应用范围，本试验基于砂浆最优替代粒径区间结果，验证了粉煤灰渣替代细骨料后混凝土试件的强度和抗冻性，并与基准混凝土进行了对比。

设计混凝土水胶比为0.5，砂率37%，坍落度200 mm，配合比如表4所示。制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的基准组和0.3～0.6 mm粒径筛分粉煤灰渣替代组混凝土试件并测试各组坍落度，分别标号J1、H1，置于标准养护室养护。

表4 混凝土配合比Table 4 Mixing proportions of concrete

两组混凝土试件在标准养护室养护24 d时，从养护室中取出，放入20 ℃水中浸泡4 d，在试件28 d龄期时依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[18]采用TDS-300型冻融试验机对上述两组试件进行50次冻融循环试验。冻融试验结束后依GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[19]测试两组试件28 d抗压强度、冻融循环50次强度、冻融循环对比试件强度、冻融循环试件冻融前后质量，计算两组试件质量损失率和强度损失率[20]，结果列于表5。

表5 混凝土强度与抗冻性测试结果Table 5 Experiment results of strength and frost resistance of concrete

由表5可知，替代组与基准组混凝土坍落度相近，可保证混凝土的工作性。同时，替代组与基准组混凝土28 d强度基本一致的，与砂浆中的结论吻合。经过50次冻融循环后，两组试件的强度损失和质量损失相等，表明在50次冻融循环条件下，替代组与基准组混凝土具有一致的抗冻性。

由此可见，筛分获得的0.3～0.6 mm粒径粉煤灰渣可在混凝土中替代对应粒径的细骨料，且能保证替代后混凝土的强度及50次冻融循环抗冻性。

4 结 论

(1)综合考虑砂浆试件的抗压强度和抗折强度，在水胶比为0.5的条件下，粉煤灰渣按粒径区间等体积替代机制砂时，0.3～0.6 mm为最优替代粒径区间。当粉煤灰渣替代粒径区间从0.3～0.6 mm提高到0.6～1.18 mm，制作的砂浆试件的强度从略高于标准组变为低于标准组。

(2)筛分与破碎获得的粉煤灰渣等体积替代砂浆试件细骨料0.3～0.6 mm粒径时，28 d强度与基准组砂浆试件抗折抗压强度基本一致，工作性与基准组基本相当，且28 d后强度均随龄期均匀增长。在混凝土中利用筛分获得的0.3～0.6 mm粒径粉煤灰渣替代对应粒径的细骨料，同样可保证混凝土的强度及50次冻融循环后的抗冻性。

(3)在不改变水胶比的情况下，预湿至饱和面干的粉煤灰渣缓慢为水泥水化提供所需水分，起到内养护作用，促进水泥水化。粉煤灰渣表面生成水化硅酸钙，提高了水泥与粉煤灰渣界面过渡区强度。凹凸不平的粉煤灰渣表面与水泥浆紧密咬合，在物理层面提高了试件的强度。