粉煤灰粒度分布對其膠砂性能的影響

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

1 引言

在現代高性能混凝土中，常通過摻入較廉價的粉煤灰來改善混凝土的性能。由于原狀粉煤灰的顆粒級配與活性均不盡理想，一般要采用人工手段激活，其中，超細粉磨既可以改善粉煤灰的顆粒級配和活性，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度的磨細粉煤灰，來考察粉煤灰細度及粒度分布對膠砂力學性能的影響規律，并通過分析粉煤灰粒度分布與膠砂性能之間的灰色關聯度[1,2]，來詮釋這種規律。

2 原材料與試驗研究方法

2.1 主要原材料及其性質

（1）水泥

甘肅永登水泥廠生產的祁連山牌42.5 級硅酸鹽水泥（標記為PC1）。

（2）粉煤灰

表1 花崗巖卵石研磨體級配

表2 粉煤灰的化學組成

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生產的一級粉煤灰（F0），考慮到該廠生產的粉煤灰是采用靜電分選設施來分選級別，會導致粉煤灰表現出不穩定性，因此，在將粉煤灰用作水泥基材料的混合料時需要進行粉磨處理。

粉煤灰在粉碎和研磨的過程中，由于機械力會引起一系列的物理和化學變化[3]：粉磨時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；當顆粒粒度很小時還會由熱效應引起熱團聚現象；物料經粉碎后，物料堆積狀態的變化會引起密度的變化，粉煤灰在研磨初期，密度會隨研磨時間的延長而增大，這種變化會逐漸減緩；機械力會引起粉煤灰的結構變化，如晶型的轉變、晶格畸變與缺陷、結晶程度的降低等；在機械力作用下，顆粒細化、結晶程度降低會使粉煤灰的反應活性提高。

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），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顆粒粒度分布。同時，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粒總量為50%、10%、90% 所對應的粒子直徑。顯然，分布寬度S 數值越大，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粉煤灰時，不容易徹底去除鋼球帶入的鐵粉，故將鋼球換為高強度的花崗巖卵石，研磨體級配與數量見表1，磨60 min 記為F1，磨90 min 記為F2，磨180 min 記為F3。

粉煤灰的化學組成見表2，試驗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 激光粒度儀測定礦物摻合料的顆粒群粒度分布情況。試驗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聯度

由表4 可以看出，隨磨細時間的延長，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，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，隨粉煤灰磨細時間的延長，粉煤灰比表面積增大、細度增加，直徑小于10 μm的顆粒逐漸增多；直徑10～20μm的顆粒，開始磨細時數量增多，而后逐漸減少；20～100 μm的顆粒，隨磨細時間的延長其含量逐漸減少；采用這種非恒溫條件下的研磨會引起機械熱效應，從而引發顆粒團聚現象，這種熱團聚現象使得大于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

拌合和養護用水均采用自來水。

2.2 試驗研究方法

（1）試件成型及養護

根據《高強高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T18736-2002）的規定，水泥膠砂或粉煤灰-水泥膠砂采用水泥膠砂攪拌機攪拌、振實臺成型，24 h 后脫模，放入室內水中進行養護，至規定齡期進行相關性能的測試。

（2）粉煤灰與膠砂性能的關系研究

采用灰色系統理論[5,6]中的灰色關聯分析方法研究粉煤灰的技術性質對粉煤灰-水泥膠砂性能的影響規律，以作為改善粉煤灰性能、進行粉煤灰優選的理論依據。

3 粉煤灰與復合膠凝材料體系的關系研究

3.1 粉煤灰粒度分布與粉煤灰-水泥膠砂性能的灰色關聯分析

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，進行灰色關聯分析。計算母序列與子序列的灰色關聯度，并判斷關聯極性，結果見表6。

由表6 可以看出，粉煤灰中直徑小于等于20μm 顆粒的體積分數均與膠砂性能成正關聯，其中，10～20μm 顆粒的體積分數與膠砂性能的正關聯度值最大，說明這一尺寸范圍內的顆粒對膠砂性能所起的正面的促進作用最大；小于10μm 顆粒的體積分數與膠砂性能的正關聯度值較小，主要是由于顆粒細小會導致膠砂需水量增加，進而削弱其性能所致。直徑大于20 μm 顆粒的體積分數均與膠砂性能成負關聯，原因在于這些顆粒的活性逐漸降低，微粉填充效應逐漸減弱，故對膠砂力學性能起削弱作用。

3.2 粉煤灰對復合膠凝材料體系流動度的影響

流動度比[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度之比。該指標可以較直觀地反映摻入粉煤灰對膠砂流動性的改善效果。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，對以上4 種粉煤灰分別進行流動度測定，試驗結果見表7。

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

表7 膠砂流動度比

3.3 低水膠比時使用高效減水劑條件下膠砂的力學性能

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良的流動性和較高的強度，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，控制膠砂流動度為200±5 mm 時，高效減水劑的用量以及膠砂56 d的抗折及抗壓強度。

表8 膠砂的力學性能

表8的試驗結果表明，水膠比為0.40 時，摻粉煤灰的膠砂可在減少減水劑摻量的情況下，達到與基準膠砂相同的流動度（200±5mm），其中，使用磨細灰F1 時，減水劑摻量最小，但對應的膠砂強度最高；水膠比降至0.35、0.32 時，也有同樣的規律。但是，隨著水膠比的降低，為滿足流動性的要求，需要的減水劑的摻量也相應增加；水膠比為0.40、0.35、0.32 時，在摻入粉煤灰的對比膠砂中，摻入F1的膠砂56d 強度最高。同時，隨水膠比的降低，對應的各膠砂強度呈增高趨勢。

采用F1 配制的膠砂，其力學性能均高于其它膠砂，這主要是因為F1的顆粒粒度分布比較合理所致。根據前面的灰色關聯分析，粒徑在10～20μm 范圍內的顆粒體積分數對膠砂力學性能的正面影響最大，而在所有細度的磨細粉煤灰中，F1 所含該粒徑范圍內的顆粒最多。

對相同水膠比的膠砂，采用不同細度的粉煤灰配制的膠砂，其力學性能的變化規律為：先隨比表面積增大，力學性能提高，之后，又隨比表面積繼續增大，力學性能反而降低。同時，膠砂的力學性能與水膠比有著重要的關聯，隨水膠比的減小其力學性能逐漸提高。

4 結論

（1）粉煤灰粒度分布明顯影響其膠砂力學性能；分布在0～20 μm 粒徑范圍內的顆粒的體積分數與膠砂力學性能成正關聯，說明這些顆粒對膠砂力學性能有積極的正面貢獻，其中，尤以10～20 μm的顆粒對應的正關聯度為最大；大于20 μm的顆粒的體積分數與膠砂性能成負關聯，故對膠砂力學性能起削弱作用。所以，要提高膠凝材料體系的力學性能，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）在適當范圍內(比表面積不超過600 m2/kg)，增加粉煤灰的細度可以提高膠凝材料體系的流動性；但是，當摻入比表面積大于600 m2/kg的粉煤灰時，粉煤灰中會產生顆粒團聚效應，導致對流動性的改善效果逐漸變差。

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

[1]張永娟，張雄，周鐘鳴.礦渣微粉摻量及其與水泥顆粒群分布的匹配[J].建筑材料學報，2003，6(3)：296-300.

[2]郝文霞，張雄.粉煤灰顆粒群特征及其水泥膠砂性能的關系[J].建筑材料學報，2005，8(3)∶244-249.

[3]王曉鈞.粉煤灰機械研磨中物理與機械力化學現象的研究[D].南京：南京工業大學博士學位論文，2003.

[4]李鳳生.超細粉體技術[M].北京：國防工業出版社，2000.

[5]傅立.灰色系統理論及其應用.北京：科學技術文獻出版社，1992.

[6]劉思峰.灰色系統理論及其應用[M].北京：科學出版社，2004.

[7]Powers,T C.Void Spacing as a Basis for Producing Air-entrained Concrete[J].ACI Journal,1954,50∶ 741-760.

[8]姚燕，王玲，田培.高性能混凝土[M].北京：化學工業出版社，2006