粉煤灰粒度分布對(duì)其膠砂性能的影響

楊治國(guó) 周立霞 張戎令（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

在現(xiàn)代高性能混凝土中，常通過摻入較廉價(jià)的粉煤灰來改善混凝土的性能。由于原狀粉煤灰的顆粒級(jí)配與活性均不盡理想，一般要采用人工手段激活，其中，超細(xì)粉磨既可以改善粉煤灰的顆粒級(jí)配和活性，又能降低需水量，是一種非常有效的方法。筆者通過在膠凝材料體系中摻入不同細(xì)度的磨細(xì)粉煤灰，來考察粉煤灰細(xì)度及粒度分布對(duì)膠砂力學(xué)性能的影響規(guī)律，并通過分析粉煤灰粒度分布與膠砂性能之間的灰色關(guān)聯(lián)度[1,2]，來詮釋這種規(guī)律。

2 原材料與試驗(yàn)研究方法

2.1 主要原材料及其性質(zhì)

（1）水泥

甘肅永登水泥廠生產(chǎn)的祁連山牌42.5 級(jí)硅酸鹽水泥（標(biāo)記為PC1）。

（2）粉煤灰

表1 花崗巖卵石研磨體級(jí)配

表2 粉煤灰的化學(xué)組成

采用的原狀粉煤灰為蘭州第二熱電廠采用漿液增濕脫硫技術(shù)生產(chǎn)的一級(jí)粉煤灰（F0），考慮到該廠生產(chǎn)的粉煤灰是采用靜電分選設(shè)施來分選級(jí)別，會(huì)導(dǎo)致粉煤灰表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，因此，在將粉煤灰用作水泥基材料的混合料時(shí)需要進(jìn)行粉磨處理。

粉煤灰在粉碎和研磨的過程中，由于機(jī)械力會(huì)引起一系列的物理和化學(xué)變化[3]：粉磨時(shí)可將一些空心球狀顆粒和少量多孔碳粒粉碎，還可將體型大的粘連的球體群分散，使實(shí)心玻璃體顆粒表面受到摩擦而變粗糙，最終使顆粒粒度減小、比表面積增大；當(dāng)顆粒粒度很小時(shí)還會(huì)由熱效應(yīng)引起熱團(tuán)聚現(xiàn)象；物料經(jīng)粉碎后，物料堆積狀態(tài)的變化會(huì)引起密度的變化，粉煤灰在研磨初期，密度會(huì)隨研磨時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，這種變化會(huì)逐漸減緩；機(jī)械力會(huì)引起粉煤灰的結(jié)構(gòu)變化，如晶型的轉(zhuǎn)變、晶格畸變與缺陷、結(jié)晶程度的降低等；在機(jī)械力作用下，顆粒細(xì)化、結(jié)晶程度降低會(huì)使粉煤灰的反應(yīng)活性提高。

粉體材料顆粒粒度的表征[4]包括粒子大小的表征（平均直徑）和粒度分布的表征。粒度分布又分為頻率分布和累積分布。累積分布又分為下累積分布和上累積分布；累積分布表示小于或大于某一粒徑的粒子占全部顆粒的百分含量（百分含量可以以顆粒體積為基準(zhǔn)），累積分布是頻率分布的積分形式。累積分布曲線可更加直觀地表達(dá)顆粒粒度分布。同時(shí)，也可用分布寬度S（見式1）來衡量顆粒的粒度分布范圍。

其中，d50、d10、d90 分別是指在累積百分率曲線上占顆?？偭繛?0%、10%、90% 所對(duì)應(yīng)的粒子直徑。顯然，分布寬度S 數(shù)值越大，說明顆粒的粒度分布范圍越寬。

考慮到以鋼球作為研磨體制備磨細(xì)粉煤灰時(shí)，不容易徹底去除鋼球帶入的鐵粉，故將鋼球換為高強(qiáng)度的花崗巖卵石，研磨體級(jí)配與數(shù)量見表1，磨60 min 記為F1，磨90 min 記為F2，磨180 min 記為F3。

粉煤灰的化學(xué)組成見表2，試驗(yàn)用粉煤灰的物理性能見表3。

表3 粉煤灰的物理性能

本文采用Malvern MS2000 激光粒度儀測(cè)定礦物摻合料的顆粒群粒度分布情況。試驗(yàn)用粉煤灰的粒度分布特征見表4，粉煤灰顆粒群粒度分布的頻率分布見表5。

表4 粉煤灰的粒度分布特征

表5 粉煤灰粒度分布

表6 膠砂性能與粉煤灰粒度分布的灰色關(guān)聯(lián)度

由表4 可以看出，隨磨細(xì)時(shí)間的延長(zhǎng)，粉煤灰的比表面積增大，表面積平均粒徑及體積平均粒徑均呈減小趨勢(shì)，而中位徑也逐漸減小，說明粉磨效果越好。

由表3 及表5 可以看出，隨粉煤灰磨細(xì)時(shí)間的延長(zhǎng)，粉煤灰比表面積增大、細(xì)度增加，直徑小于10 μm的顆粒逐漸增多；直徑10～20μm的顆粒，開始磨細(xì)時(shí)數(shù)量增多，而后逐漸減少；20～100 μm的顆粒，隨磨細(xì)時(shí)間的延長(zhǎng)其含量逐漸減少；采用這種非恒溫條件下的研磨會(huì)引起機(jī)械熱效應(yīng)，從而引發(fā)顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，這種熱團(tuán)聚現(xiàn)象使得大于100 μm的顆粒反而逐漸增多。

（3）高效減水劑

采用江蘇博特新材料有限公司的緩凝型聚羧酸減水劑。

（4）水

拌合和養(yǎng)護(hù)用水均采用自來水。

2.2 試驗(yàn)研究方法

（1）試件成型及養(yǎng)護(hù)

根據(jù)《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T18736-2002）的規(guī)定，水泥膠砂或粉煤灰-水泥膠砂采用水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌、振實(shí)臺(tái)成型，24 h 后脫模，放入室內(nèi)水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，至規(guī)定齡期進(jìn)行相關(guān)性能的測(cè)試。

（2）粉煤灰與膠砂性能的關(guān)系研究

采用灰色系統(tǒng)理論[5,6]中的灰色關(guān)聯(lián)分析方法研究粉煤灰的技術(shù)性質(zhì)對(duì)粉煤灰-水泥膠砂性能的影響規(guī)律，以作為改善粉煤灰性能、進(jìn)行粉煤灰優(yōu)選的理論依據(jù)。

3 粉煤灰與復(fù)合膠凝材料體系的關(guān)系研究

3.1 粉煤灰粒度分布與粉煤灰-水泥膠砂性能的灰色關(guān)聯(lián)分析

以水膠比分別為0.40、0.35、0.32 條件下粉煤灰-水泥膠砂56d 抗折、抗壓強(qiáng)度為母序列（Y1、Y2），以粉煤灰顆粒群粒度分布（X1、X2、X3、X4、X5、X6）為子序列，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。計(jì)算母序列與子序列的灰色關(guān)聯(lián)度，并判斷關(guān)聯(lián)極性，結(jié)果見表6。

由表6 可以看出，粉煤灰中直徑小于等于20μm 顆粒的體積分?jǐn)?shù)均與膠砂性能成正關(guān)聯(lián)，其中，10～20μm 顆粒的體積分?jǐn)?shù)與膠砂性能的正關(guān)聯(lián)度值最大，說明這一尺寸范圍內(nèi)的顆粒對(duì)膠砂性能所起的正面的促進(jìn)作用最大；小于10μm 顆粒的體積分?jǐn)?shù)與膠砂性能的正關(guān)聯(lián)度值較小，主要是由于顆粒細(xì)小會(huì)導(dǎo)致膠砂需水量增加，進(jìn)而削弱其性能所致。直徑大于20 μm 顆粒的體積分?jǐn)?shù)均與膠砂性能成負(fù)關(guān)聯(lián)，原因在于這些顆粒的活性逐漸降低，微粉填充效應(yīng)逐漸減弱，故對(duì)膠砂力學(xué)性能起削弱作用。

3.2 粉煤灰對(duì)復(fù)合膠凝材料體系流動(dòng)度的影響

流動(dòng)度比[7,8]是指在固定水膠比條件下，粉煤灰-水泥砂漿與未摻粉煤灰的水泥砂漿的流動(dòng)度之比。該指標(biāo)可以較直觀地反映摻入粉煤灰對(duì)膠砂流動(dòng)性的改善效果。水泥膠砂的水膠比為0.50，膠砂比為1：3；粉煤灰-水泥膠砂的水膠比為0.50，膠砂比為1：3，粉煤灰30%取代水泥，對(duì)以上4 種粉煤灰分別進(jìn)行流動(dòng)度測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在膠凝材料體系中摻入粉煤灰可以改善其流動(dòng)性，比表面積不超過600 m2/kg 時(shí)，粉煤灰的摻入對(duì)膠砂流動(dòng)性的改善效果很明顯，并且越細(xì)的粉煤灰對(duì)膠砂流動(dòng)性的改善效果越好；但粉煤灰磨得過細(xì)后，在沒有外加劑的條件下，由于分散效果不佳導(dǎo)致不能充分發(fā)揮粉煤灰球形顆粒的粒形效應(yīng)，所以，其對(duì)膠砂流動(dòng)性的改善效果逐漸削弱。粉煤灰對(duì)膠凝材料體系流動(dòng)性的影響規(guī)律與粉煤灰的需水量比試驗(yàn)結(jié)果（表3）也基本吻合。

表7 膠砂流動(dòng)度比

3.3 低水膠比時(shí)使用高效減水劑條件下膠砂的力學(xué)性能

通常，在混凝土中摻入高效減水劑可以將水膠比降低并獲得較為優(yōu)良的流動(dòng)性和較高的強(qiáng)度，從而可配制成高性能混凝土。表8 列出了粉煤灰30%摻量、水膠比分別為0.40、0.35 和0.32的條件下，控制膠砂流動(dòng)度為200±5 mm 時(shí)，高效減水劑的用量以及膠砂56 d的抗折及抗壓強(qiáng)度。

表8 膠砂的力學(xué)性能

表8的試驗(yàn)結(jié)果表明，水膠比為0.40 時(shí)，摻粉煤灰的膠砂可在減少減水劑摻量的情況下，達(dá)到與基準(zhǔn)膠砂相同的流動(dòng)度（200±5mm），其中，使用磨細(xì)灰F1 時(shí)，減水劑摻量最小，但對(duì)應(yīng)的膠砂強(qiáng)度最高；水膠比降至0.35、0.32 時(shí)，也有同樣的規(guī)律。但是，隨著水膠比的降低，為滿足流動(dòng)性的要求，需要的減水劑的摻量也相應(yīng)增加；水膠比為0.40、0.35、0.32 時(shí)，在摻入粉煤灰的對(duì)比膠砂中，摻入F1的膠砂56d 強(qiáng)度最高。同時(shí)，隨水膠比的降低，對(duì)應(yīng)的各膠砂強(qiáng)度呈增高趨勢(shì)。

采用F1 配制的膠砂，其力學(xué)性能均高于其它膠砂，這主要是因?yàn)镕1的顆粒粒度分布比較合理所致。根據(jù)前面的灰色關(guān)聯(lián)分析，粒徑在10～20μm 范圍內(nèi)的顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)膠砂力學(xué)性能的正面影響最大，而在所有細(xì)度的磨細(xì)粉煤灰中，F(xiàn)1 所含該粒徑范圍內(nèi)的顆粒最多。

對(duì)相同水膠比的膠砂，采用不同細(xì)度的粉煤灰配制的膠砂，其力學(xué)性能的變化規(guī)律為：先隨比表面積增大，力學(xué)性能提高，之后，又隨比表面積繼續(xù)增大，力學(xué)性能反而降低。同時(shí)，膠砂的力學(xué)性能與水膠比有著重要的關(guān)聯(lián)，隨水膠比的減小其力學(xué)性能逐漸提高。

4 結(jié)論

（1）粉煤灰粒度分布明顯影響其膠砂力學(xué)性能；分布在0～20 μm 粒徑范圍內(nèi)的顆粒的體積分?jǐn)?shù)與膠砂力學(xué)性能成正關(guān)聯(lián)，說明這些顆粒對(duì)膠砂力學(xué)性能有積極的正面貢獻(xiàn)，其中，尤以10～20 μm的顆粒對(duì)應(yīng)的正關(guān)聯(lián)度為最大；大于20 μm的顆粒的體積分?jǐn)?shù)與膠砂性能成負(fù)關(guān)聯(lián)，故對(duì)膠砂力學(xué)性能起削弱作用。所以，要提高膠凝材料體系的力學(xué)性能，就要著重提高10～20 μm 顆粒的含量，減小大于20 μm的顆粒的含量。

（2）在適當(dāng)范圍內(nèi)(比表面積不超過600 m2/kg)，增加粉煤灰的細(xì)度可以提高膠凝材料體系的流動(dòng)性；但是，當(dāng)摻入比表面積大于600 m2/kg的粉煤灰時(shí)，粉煤灰中會(huì)產(chǎn)生顆粒團(tuán)聚效應(yīng)，導(dǎo)致對(duì)流動(dòng)性的改善效果逐漸變差。

（3）在膠凝材料體系中摻粉煤灰時(shí)，應(yīng)使用高效減水劑；摻粉煤灰的膠砂可在減少減水劑摻量的情況下，達(dá)到與基準(zhǔn)膠砂相同的流動(dòng)度；隨水膠比的減小，減水劑用量也要增大以滿足流動(dòng)性的要求。隨水膠比的降低，膠砂強(qiáng)度呈增高趨勢(shì)。

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