超細粉煤灰的特性研究

儀桂蘭

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，太原 030003）

粉煤灰可作為摻合料用于水泥混凝土行業，但部分粒度較粗的粉煤灰由于活性較低，不能直接用作水泥混合材、高性能混凝土的活性摻合料，使粉煤灰在利用上受到了很大的限制。為激發粉煤灰的活性，提高粉煤灰的利用率，本文主要研究粉煤灰及超細粉煤灰的基本特性。

1 粉煤灰基本物化特性

1.1 粉煤灰粒度分布

試驗用粉煤灰取自太鋼發電廠，粉煤灰的粒度分布如表1所示。

由表1可知，粉煤灰粒度＜0.100 mm的占85%，＜0.050 mm的占34.13%，粒度較粗。

1.2 粉煤灰成分

1.2.1 粉煤灰成分

原灰以及不同粒度粉煤灰的成分如表2所示。

由表2可知，粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，二者大約占85%。而且，不同粒度的粉煤灰中SiO2、Al2O3和C含量有一定的規律。

1.2.2 粉煤灰SiO2含量與粒度

粉煤灰SiO2含量與粒度之間的關系如圖1所示，隨著粒度變細，SiO2含量增加。粒度越細，SiO2含量越高。

1.2.3 粉煤灰Al2O3含量與粒度

粉煤灰Al2O3含量與粒度之間的關系如圖2所示，隨著粒度變細，Al2O3含量增加。粒度越細，Al2O3含量越高。

表1 粉煤灰粒度分布

表2 原灰及不同粒度粉煤灰的化學組成

圖1 粉煤灰SiO2含量與粒度之間的關系

圖2 粉煤灰Al2O3含量與粒度之間的關系

1.2.4 粉煤灰C含量與粒度

粉煤灰C含量與粒度之間的關系如圖3所示，隨著粒度變細，C含量減少。粒度越粗，C含量越高。

圖3 粉煤灰C含量與粒度之間的關系

1.3 粉煤灰的物相組成

對粉煤灰進行了XRD分析，物相組成如圖4所示，主要由莫來石（3 Al2O3·2SiO2）組成。

圖4 粉煤灰XRD

1.4 粉煤灰的顆粒形貌

原灰顆粒形貌如圖5、圖6和圖7所示。原灰顆粒分布不均勻，表面粗糙多孔，其主要有以下三種顆粒。

1.4.1 球狀顆粒

球狀顆粒由硅鋁玻璃體組成，呈圓球形，表面光滑，如圖5所示。

圖5 原灰顆粒形貌（球狀顆粒）

1.4.2 不規則的熔融顆粒

熔融顆粒由高溫下熔融的玻璃體組成，形狀不規則，主要成分為Si、O，如圖6所示。

1.4.3 不規則的多孔碳粒

顆粒表面粗糙、有棱角，表面多孔，且孔隙較大，主要成分為C，還含有Si、Al和O，如圖7所示。

1.5 活性

檢測粉煤灰活性，按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 15961-2005）檢驗方法進行試樣的配料、攪拌、成型、養護和測試。3 d、7 d、28 d活性試驗結果如表3所示。由表3可知，3 d、7 d、28 d粉煤灰活性指數分別為57%、58.29%、59.43%，活性較低。

2 超細粉煤灰性能研究

通過振動磨粉磨制備超細粉煤灰，共制備了4種粒度的超細粉煤灰：粒度＜0.05 mm的粉煤灰，這種超細粉煤灰是通過對原灰篩分得到的，其余三種粒度的粉煤灰是通過振動磨制備的，粒度分別為0.050～0.044 mm，0.044～0.037 mm和＜0.037 mm。

2.1 超細粉煤灰的顆粒形貌

顆粒形貌是決定粉煤灰性質的主要因素之一，粉煤灰中的球狀玻璃微珠的滾珠作用是粉煤灰功能效應的主要來源。

由圖8可知，原灰篩分的＜0.050 mm粉煤灰多含有球狀硅鋁微珠，這些微珠結構致密，表面光滑。另外，還存在一些較小的微珠黏合在一起的微珠黏連體。

圖6 原灰顆粒形貌

圖7 原灰顆粒形貌

表3 試驗結果

由圖9、圖10和圖11可知，由于粉磨程度不同，多孔玻璃體及微珠破壞程度也不同；粒度0.050～0.044 mm粉煤灰中少部分球狀微珠被破壞；粒度0.044～0.037 mm和＜0.037 mm的粉煤灰中大部分球狀微珠被破壞，形成了許多清晰邊緣或有粗糙邊緣的多面體形狀，不規則的多孔玻璃體被粉碎成了細小的碎屑，使得粉煤灰的活性接觸點增多，活性增強。另外，仍然存在更小的球狀微珠。

圖8 ＜0.050 mm粉煤灰

圖9 0.050～0.044 mm粉煤灰

2.2 超細粉煤灰的礦物特征

對超細粉煤灰進行了XRD分析，如圖12、圖13和圖14所示。

由圖7可知，幾種粉煤灰都是由莫來石組成的，隨著細度的增加，衍射峰的強度有所下降，特別是粒度＜0.037 mm衍射峰強度下降最為顯著，這是因為，粉煤灰磨細后，其中的晶體結構有一定程度的無定形化，因此，晶體相衍射峰強度降低。

圖10 0.044～0.037 mm粉煤灰

圖11 ＜0.037 mm粉煤灰

圖12 ＜0.050 mm

2.3 超細粉煤灰的活性

粉煤灰的活性指數是反映其活性效應的重要指標，與混凝土、水泥強度有著密切的關系，因此，對所制備的超細粉煤灰的活性指數進行測定是十分必要的。按照《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 15961-2005）檢驗方法進行檢測。

圖13 0.050～0.044 mm

圖14 ＜0.037 mm

表4 試驗結果

3 d、7 d、28 d活性試驗結果如表8所示。

圖15 超細粉煤灰28 d活性

由表4和圖15可知，隨著細度的增加，粉煤灰的活性指數有明顯的提高，且越細的粉煤灰其活性指數越大，28 d粒度＜0.037 mm粉煤灰活性指數達90.76%，這說明對粉煤灰進行粉磨有利于其火山灰活性效應的發揮，對強度增長有利。

3 超細粉煤灰活性增加的機理研究

為研究水泥、原灰、篩細粉煤灰（＜0.050 mm）和磨細粉煤灰（＜0.037 mm）活性不同的機理，對水泥、原灰、篩細粉煤灰（＜0.050 mm）和磨細粉煤灰（＜0.037 mm）的活性試樣進行了差熱分析，具體如下。

由圖16可知，原灰、篩細粉煤灰、磨細粉煤灰試樣的DTA曲線基本上與純水泥試樣相似，但峰形與峰面積不盡相同。一般認為，150℃左右的吸熱峰為Aft和C-S-H凝膠脫水產生的吸熱峰；450～490℃左右的峰則主要是由水化產物Ca（OH）2分解吸熱導致的；685～770℃左右的峰主要是由C-S-H失水生成的β-2CaO·SiO2轉變成γ-2CaO·SiO2所引起的。另外，磨細粉煤灰的Ca（OH）2分解吸熱峰較淺，Ca（OH）2含量較少，這可能是由于磨細粉煤灰活性較高，粉煤灰中的SiO2和Al2O3與水泥水化生成的Ca（OH）2發生了二次水化反應，生成硅酸鈣、鋁酸鈣等凝膠，起到了增強作用和致密作用，提高了強度。

圖16 DTA曲線

圖17 TG曲線

從圖17可知，磨細粉煤灰（＜0.037 mm）的TG曲線與水泥曲線最接近，加熱過程中失重8.27%，原灰和篩細粉煤灰曲線接近，加熱過程中失重7.03%，磨細粉煤灰失重較多，證明其水化程度高，故其強度高，活性高。

4 結論

太鋼粉煤灰粒度較粗，-300目的占34.13%；粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，二者占85%左右；不同粒度的粉煤灰中SiO2、Al2O3和C含量有一定的規律：隨著粒度變細，SiO2和Al2O3含量增加，C含量減少；粉煤灰的主要成分是莫來石（3Al2O3·2SiO2）。

粉煤灰顆粒分布不均勻，表面粗糙多孔，主要由三種顆粒組成：球狀顆粒，球狀顆粒由硅鋁玻璃體組成，呈圓球形，表面光滑；不規則的熔融顆粒，由高溫下熔融的玻璃體組成，形狀不規則，主要成分為Si、O；不規則的多孔碳粒，顆粒表面粗糙、有棱角，表面多孔，且孔隙較大，主要成分為C，還含有Si、Al和O。

粉煤灰磨細，不同程度地破壞了球狀顆粒、不規則的多孔玻璃體，形成了許多清晰邊緣或有粗糙邊緣的多面體形狀，使得粉煤灰的活性接觸點增多。同時，晶體結構有一定程度的無定形化，使晶體相的衍射峰強度下降。

粉煤灰原灰活性較低，活性指數59.43%。隨著細度的增加，粉煤灰的活性指數有明顯的提高，且越細的粉煤灰其活性指數越大，28 d粒度＜0.037 mm的粉煤灰活性指數達90.76%，這可能是由于超細粉煤灰中SiO2和Al2O3與水泥水化生成的Ca（OH）2發生了二次水化反應，生成硅酸鈣、鋁酸鈣等凝膠，起到了增強作用和致密作用，提高了強度。