粉煤灰細(xì)度對(duì)混凝土性能的影響*

張平，馬旭東，陳旭，韓世界，古龍龍

（中建西部建設(shè)新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)用量最大的建筑材料——混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能提出更嚴(yán)格的要求。目前一般使用硅灰和高性能減水劑配合生產(chǎn)高性能混凝土，由于硅灰和高性能減水劑價(jià)格比較昂貴，因此尋找價(jià)格低廉、資源豐富的替代品對(duì)混凝土行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。我國(guó)是一個(gè)用電大國(guó)，而且我國(guó)所使用的電絕大部分是火電，粉煤灰是燃煤火電廠生產(chǎn)過(guò)程中的附帶產(chǎn)物。隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰排放量越來(lái)越大。粉煤灰若不及時(shí)處理就會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣；排入河流會(huì)造成河流淤塞，而其中的有毒物質(zhì)還會(huì)對(duì)人體和生物造成很大的危害。粉煤灰的價(jià)格遠(yuǎn)低于水泥，當(dāng)選用粉煤灰替代部分水泥制作混凝土?xí)r，不僅能降低混凝土的生產(chǎn)成本，同時(shí)可起到資源再利用的作用。粉煤灰混凝土在實(shí)際工程中得到了一定的應(yīng)用[1-4]。但是目前我國(guó)粉煤灰的綜合利率偏低，提高粉煤灰的利用率是一個(gè)重要的課題。采用粉磨技術(shù)降低粉煤灰細(xì)度和平均粒徑，增大比表面積，提高粉煤灰活性是提高粉煤灰綜合利用率的一種重要途徑。

超細(xì)粉煤灰一般是指平均粒徑低于 10μm、比表面積大于 600m2/kg的粉煤灰[5,6]。通常獲得超細(xì)粉煤灰的途徑主要有兩種：一是分選，二是機(jī)械粉磨。周敏[7]、孫濤[8]等對(duì)機(jī)械粉磨和分選技術(shù)所得的超細(xì)粉煤灰做了對(duì)比研究，結(jié)果表明機(jī)械粉磨制備的超細(xì)粉煤灰由大量碎屑和較小的顆粒構(gòu)成，表面結(jié)構(gòu)缺陷多，不飽和鍵和破碎面的斷鍵數(shù)量多，其性能優(yōu)于分選所制備的超細(xì)粉煤灰。叢樹(shù)民[9]等對(duì)磨細(xì)粉煤灰與原灰在高強(qiáng)混凝土中的作用進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明摻入磨細(xì)粉煤灰的混凝土具有較好的粘聚性，既不離析，也不出現(xiàn)泌水，工作性能良好。本文主要研究不同細(xì)度的磨細(xì)粉煤灰對(duì)混凝土拌合物的工作性能和混凝土的力學(xué)性能、碳化性能以及抗凍性能的影響，為粉煤灰在混凝土中的綜合利用提供技術(shù)指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

水泥：烏魯木齊市天宇華鑫水泥廠提供的 P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其基本性能見(jiàn)表1。

表1 水泥的基本性能

粉煤灰原灰：試驗(yàn)所用粉煤灰為烏魯木齊市紅雁池電廠提供的粉煤灰原灰，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰的化學(xué)成分 %

試驗(yàn)?zāi)MⅠ級(jí)灰到 Ⅲ 級(jí)灰的細(xì)度，將粉煤灰原灰粉磨 0min、10min、25min 和 50min，再篩分得到平均粒徑為 20μm、15μm、10μm 和 5μm 的粉煤灰。

砂子：試驗(yàn)所用砂為烏魯木齊中建西部建設(shè)新疆有限公司的中砂，表觀密度為 2618kg/m3，堆積密度為1413kg/m3。

石子：試驗(yàn)所用石子為烏魯木齊中建西部建設(shè)新疆有限公司提供的碎石，粒級(jí)為 5～20mm 連續(xù)級(jí)配。表觀密度為 2635kg/m3，堆積密度為 1415kg/m3，含泥量為 0.4%。

減水劑和水：減水劑采用新疆新材料公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量為 40%。拌合和養(yǎng)護(hù)用水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)檢驗(yàn)方法

混凝土的工作性能：參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，力學(xué)性能：參照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土碳化性能和抗凍性：參照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》。

1.3 混凝土試驗(yàn)配合比

混凝土配合比見(jiàn)表3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品的工作性能分析

對(duì)摻入不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰混凝土拌合物的工作性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同細(xì)度粉煤灰混凝土拌合物的工作性能

表4 為不同細(xì)度粉煤灰混凝土拌合物的工作性能。從表4 可以看出：隨著粉煤灰平均粒徑的減小，粉煤灰混凝土具有較好的流動(dòng)性、黏聚性和保水性，表明磨細(xì)粉煤灰可以改善混凝土的工作性能。當(dāng)粉煤灰磨細(xì)至 5μm（A4）時(shí)，粉煤灰混凝土的坍落度和擴(kuò)展度達(dá)到最大，相比于 A1 組粉煤灰混凝土分別提高了 9.1%和 16.7%，這表明磨細(xì)粉煤灰可以改善混凝土的工作性能，而且細(xì)度越小改善作用越明顯。這是因?yàn)榉勖夯翌w粒大多數(shù)為表面光滑的玻璃微珠，摻入混凝土中具有減水作用，提高混凝土拌合物的流動(dòng)性。

2.2 樣品的力學(xué)性能分析

對(duì)摻入不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰制備的混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5 和圖1。

表5 不同細(xì)度粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

圖1 不同細(xì)度粉煤灰混凝土的力學(xué)性能

從表5 和圖1 可以看出，磨細(xì)粉煤灰可以提高混凝土的力學(xué)性能。隨著粉煤灰平均粒徑的減小，不同齡期的粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸提高。當(dāng)粉煤灰粉磨至 5μm 時(shí)，粉煤灰混凝土的力學(xué)性能達(dá)到最大，其 3d、7d 和 28d 的抗壓強(qiáng)度相比于 A1 組分別提高了 25.1%、29.0% 和 36.9%，而 3d、7d 和 28d 的抗折強(qiáng)度相比于 A1 組分別提高了 25.%、29.3% 和 38.6%。這表明磨細(xì)粉煤灰可以提高混凝土的力學(xué)性能。這主要是因?yàn)榉勖夯医?jīng)過(guò)磨細(xì)后，其比表面積增大，提高了粉煤灰的活性，增加與水泥水化產(chǎn)生的 Ca(OH)2的接觸面積，促進(jìn)了粉煤灰活性硅鋁的溶出，不僅使粉煤灰混凝土的早期抗壓強(qiáng)度增加，同時(shí)增加了其后期抗壓強(qiáng)度。此外，粉煤灰磨至一定的細(xì)度之后，其可以物理填充一些空隙，提高混凝土的密實(shí)度，進(jìn)一步提高粉煤灰混凝土的力學(xué)性能。

2.3 樣品的碳化深度分析

對(duì)摻入不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰制備的混凝土的碳化性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6 和圖2。

表6 不同細(xì)度粉煤灰對(duì)混凝土碳化深度的影響 mm

圖2 不同細(xì)度粉煤灰混凝土的碳化深度

從表6 和圖2 可以看出：隨著粉煤灰平均粒徑的減小，不同齡期的粉煤灰混凝土碳化深度逐漸降低，表明磨細(xì)粉煤灰可以改善混凝土的抗碳化性能。當(dāng)粉煤灰磨細(xì)至 5μm（A4）時(shí)，粉煤灰混凝土的碳化深度最低，相比于 A1 組粉煤灰混凝土分別降低了 60.0%、57.9%、61.3% 和 58.9%，這表明磨細(xì)粉煤灰可以改善混凝土的抗碳化性能，而且細(xì)度越小改善作用越明顯。這是因?yàn)槟ゼ?xì)加速了粉煤灰的水化，生成了更多的水化硅酸鈣凝膠，填充了基體孔隙，優(yōu)化了水泥石的微觀結(jié)構(gòu)，提高了體系的致密度。

2.4 樣品的抗凍性能分析

（1）抗壓強(qiáng)度損失率

對(duì)摻入不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰制備的混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行測(cè)試，抗壓強(qiáng)度損失率的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7和圖3。

從表7 和圖3 可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率顯著增大。此外還發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰平均粒徑的減小，相同凍融循環(huán)次數(shù)的粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度損失率逐漸減小。當(dāng)粉煤灰混凝土凍融循環(huán) 200 次時(shí)，A2 組、A3 組和 A4 組抗壓強(qiáng)度損失率相比于 A1 組分別降低了 6%、20.6% 和44.1%，表明磨細(xì)粉煤灰可以減小抗壓強(qiáng)度損失率，提高抗凍性能。

表7 凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率 %

圖3 凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土抗壓強(qiáng)度損失率

（2）動(dòng)彈模量

對(duì)摻入不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰制備的混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其相對(duì)動(dòng)彈模量的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8和圖4。

從表8 和圖4 可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，粉煤灰混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量顯著降低。此外還發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰平均粒徑的減小，相同凍融循環(huán)次數(shù)的粉煤灰混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量逐漸增大。當(dāng)粉煤灰混凝土凍融循環(huán) 200 次時(shí)，A2 組、A3 組和 A4 組相對(duì)動(dòng)彈模量相比于 A1 組分別增加了 8.9%、23.2% 和 37.5%，表明磨細(xì)粉煤灰可以改善混凝土的抗凍性能。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量

表8 不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量

（3）質(zhì)量損失率

對(duì)摻入不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰制備的混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其質(zhì)量損失率的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表9 和圖5。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)的混凝土質(zhì)量損失率

從表9 和圖5 可以看出：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，粉煤灰混凝土的質(zhì)量損失率顯著增大。并且隨著粉煤灰平均粒徑的減小，相同凍融循環(huán)次數(shù)的粉煤灰混凝土質(zhì)量損失率逐漸減小。當(dāng)粉煤灰混凝土凍融循環(huán) 200次時(shí)，A2 組、A3 組和 A4 組質(zhì)量損失率相比于 A1 組分別降低了 11.1%、22.2% 和 36.1%，表明磨細(xì)粉煤灰可以減小混凝土的質(zhì)量損失率，提高抗凍性能。

3 結(jié)論

粉磨技術(shù)減小了粉煤灰的細(xì)度和平均粒徑，提高粉煤灰混凝土拌合物的流動(dòng)性、粘聚性和保水性，改善混凝土的工作性能，平均粒徑為 5μm 的粉煤灰混凝土的最大坍落度和擴(kuò)展度達(dá)到了 240mm 和 350mm。

磨細(xì)粉煤灰提高了混凝土的力學(xué)性能，隨著粉煤灰平均粒徑的減小，不同齡期的粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度逐漸提高，與平均粒徑為 20μm 的粉煤灰混凝土相比，平均粒徑為 5μm 的粉煤灰混凝土的 28d 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高了 36.9% 和 38.6%。

隨著粉煤灰平均粒徑的減小，增大了粉煤灰的比表面積，促進(jìn)了粉煤灰混凝土的水化，降低了碳化深度、抗壓強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率，增大了相對(duì)彈性模量，改善了混凝土的抗碳化性能和抗凍性能，提高了混凝土的耐久性能。