李 輝，張志明，陳裕佳，謝 松

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安 710055)

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不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰對(duì)砂漿及混凝土性能影響的研究

李 輝，張志明，陳裕佳，謝 松

(西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安 710055)

研究了經(jīng)超細(xì)粉磨制備的三種不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰的基本性能，以及摻入這三種不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰的水泥膠砂和混凝土試樣的力學(xué)性能和混凝土拌合物的工作性能。結(jié)果表明，超細(xì)粉煤灰的活性隨其細(xì)度的增加而提高。摻入超細(xì)粉煤灰可以有效改善混凝土拌合物的工作性能、膠砂試件和混凝土試件的力學(xué)性能，且超細(xì)粉煤灰的細(xì)度越細(xì)改善作用越明顯。不使用硅灰，僅用超細(xì)粉煤灰和減水劑也可以配制出C80的高強(qiáng)混凝土。微觀孔結(jié)構(gòu)分析表明，摻入平均粒徑為4 μm的超細(xì)粉煤灰的混凝土小于20 nm的無害孔的孔體積明顯大于摻入其他兩種超細(xì)粉煤灰(2 μm、6 μm)的混凝土，這與CUFA4試樣力學(xué)性能最佳的宏觀試驗(yàn)結(jié)果一致。

超細(xì)粉煤灰； 混凝土； 工作性能； 力學(xué)性能

1 引 言

現(xiàn)代建筑的飛速發(fā)展，對(duì)作為建筑主要結(jié)構(gòu)材料的混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能提出更高的要求。一般利用硅灰和高效減水劑配合生產(chǎn)高強(qiáng)混凝土，但硅灰價(jià)格昂貴，因此，尋找價(jià)格便宜、資源豐富的硅灰替代品具有十分重要的意義。

中國(guó)是燃煤大國(guó)，伴隨燃煤電廠鍋爐的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量粉煤灰。隨著火電建設(shè)的快速發(fā)展，粉煤灰的排放量還將不斷增加。一方面，粉煤灰是一種工業(yè)廢棄物，大量排放會(huì)嚴(yán)重威脅周邊環(huán)境，對(duì)人們的生活和生產(chǎn)造成很大的危害；另一方面，粉煤灰可以作為水泥和混凝土的活性礦物摻和料，改善水泥和混凝土的性能，是可以利用的資源。但是目前我國(guó)粉煤灰的綜合利率依然偏低，提高粉煤灰的綜合利用率是現(xiàn)在社會(huì)的一個(gè)重要的課題。降低粉煤灰細(xì)度和平均粒徑，提高粉煤灰活性是一種提高粉煤灰綜合利用率的重要途徑。

超細(xì)粉煤灰一般是指平均粒徑低于10 μm，比表面積大于600 m2/kg的粉煤灰[1,2]。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、孫濤等人對(duì)磨細(xì)超細(xì)粉煤灰和分選所得的超細(xì)粉煤灰做了對(duì)比研究，結(jié)果顯示，機(jī)械粉磨所得超細(xì)粉煤灰由大量碎屑和較小的微粒構(gòu)成, 表面結(jié)構(gòu)缺陷多, 破碎面的斷鍵和不飽和鍵數(shù)量多，其性能優(yōu)于分選所得的超細(xì)粉煤灰[3,4]。叢樹民等通過對(duì)比試驗(yàn)研究磨細(xì)粉煤灰(5～15 μm)與原灰在高強(qiáng)混凝土中的作用， 發(fā)現(xiàn)摻入磨細(xì)粉煤灰的混凝土具有良好的粘聚性， 既不離析， 也不出現(xiàn)泌水， 工作性能良好[5]。

本文是利用西安建筑科技大學(xué)粉體工程研究所自主開發(fā)的粉磨設(shè)備將粉煤灰原灰進(jìn)行粉磨，獲得平均粒徑分別為2 μm、4 μm、6 μm的三種不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰，比較這三種超細(xì)粉煤灰的基本性能，以及分別摻入這三種超細(xì)粉煤灰的水泥膠砂試件的力學(xué)性能和混凝土的工作性能、力學(xué)性能，以期為超細(xì)粉煤灰替代硅灰制備高強(qiáng)提高性能混凝土供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 試 驗(yàn)

2.1 原 料

水泥：試驗(yàn)所用水泥為西安某水泥廠提供的42.5普通硅酸鹽水泥熟料和天然二水石膏以95∶5的比例混合粉磨制得，其基本性質(zhì)如表1。

表1 水泥的基本性能Tab.1 Property of cement

粉煤灰原灰：實(shí)驗(yàn)用粉煤灰為山西朔州某電廠提供的粉煤灰原灰，其化學(xué)成分如表2。

表2 粉煤灰化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of fly ash /wt%

砂子：膠砂試驗(yàn)所用砂為標(biāo)準(zhǔn)砂?；炷了蒙盀槲靼材成唐坊炷翑嚢枵举徺I的中砂，表觀密度為2610 kg/m3，堆積密度為1410 kg/m3。

石子：混凝土試驗(yàn)所用石子為西安某商品混凝土攪拌站提供的碎石，粒級(jí)為5～20 mm連續(xù)級(jí)配。表觀密度為2630 kg/m3，堆積密度為1410 kg/m3，含泥量0.3%。

減水劑和水：減水劑采用的是江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量為40%。拌合和養(yǎng)護(hù)用水為自來水。

2.2 試樣檢驗(yàn)方法

混凝土的工作性能和力學(xué)性能分別按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT- 50080- 2002)和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 (GB/T50081- 2002)進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 混凝土試驗(yàn)配合比

在保持膠凝材料總量為588 kg/m3、細(xì)骨料量為686 kg/m3、粗骨料量為1029 kg/m3、減水劑摻量為 0.9%、水灰比為0.24不變的條件下，將三種不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰(dmean=2 μm、dmean=4 μm、dmean=6 μm)以10%的摻量分別替代水泥配制混凝土試樣，其中JZ為不摻粉煤灰的混凝土基準(zhǔn)試樣，CUFA2、CUFA4、CUFA6分別為摻入10%平均粒徑為dmean=2 μm、dmean=4 μm、dmean=6 μm超細(xì)粉煤灰的混凝土試樣。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同粒徑超細(xì)粉煤灰的制備及基本性能對(duì)比

用西安建筑科技大學(xué)粉體工程研究所自主研發(fā)的半工業(yè)化中試粉磨設(shè)備將粉煤灰原灰磨細(xì)，得到2 μm、4 μm、6 μm三種不同粒徑的超細(xì)粉煤灰，其基本性能如表3。

表3 不同粒徑粉煤灰產(chǎn)量及基本性能Tab.3 Output and physical property of different ultra fine fly ash

從表3可以看出，超細(xì)粉煤灰的產(chǎn)量隨著粉煤灰的細(xì)度增加而減小；超細(xì)粉煤灰的細(xì)度越大其需水量比越小，活性越大。

3.2 不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰的膠砂試驗(yàn)對(duì)比

用硅灰作為活性礦物摻和料制備高強(qiáng)混凝土?xí)r，其最佳摻量一般為10%～15%。將三種不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰以10%的比例代替水泥，按照(GBT 17671-1999 水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)，進(jìn)行膠砂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。其中JZ為不摻超細(xì)粉煤灰的試件，F(xiàn)1、F2、F3分別為摻入10%平均粒徑為dmean=2 μm、dmean=4 μm、dmean=6 μm超細(xì)粉煤灰的膠砂試樣。

表4 不同粒徑超細(xì)粉煤灰膠砂強(qiáng)度Tab.4 Strength of mortar with different ultra fine fly ash

從表 4中可以看出，摻有超細(xì)粉煤灰的膠砂試件的抗折和抗壓強(qiáng)度均較不摻粉煤灰的基準(zhǔn)試樣高，且試樣的抗折和抗壓強(qiáng)度隨超細(xì)粉煤灰細(xì)度的增加而增大。這是因?yàn)榉勖夯翌w粒多為特殊的球形復(fù)珠結(jié)構(gòu)，超細(xì)粉磨可以打破復(fù)珠結(jié)構(gòu)的粉煤灰顆粒的外殼，將內(nèi)部包裹的更細(xì)小的微珠釋放出來，從而有效改善粉煤灰的活性及其在膠凝材料體系中的微集料效應(yīng)[6,7]。

3.3 不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰對(duì)混凝土工作性能的影響

對(duì)摻入不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰的混凝土拌合物的工作性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表5。圖1為基準(zhǔn)混凝土拌合物和不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰混凝土拌合物的照片。

表5 不同細(xì)度粉煤灰混凝土拌合物的工作性能Tab.5 Workability of concrete mixture containing ultra-fine fly ash with different fineness

圖1 混凝土拌合物(a)JZ;(b)CUFA2;(c)CUFA4;(d)CUFA6Fig.1 Concrete mixture (a)sample of JZ;(b)sample of CUFA2;(c)sample of CUFA4;(d)sample of CUFA6

表4的結(jié)果顯示，摻入超細(xì)粉煤灰的混凝土拌合物的坍落度和擴(kuò)展度均大于未摻超細(xì)粉煤灰的混凝土拌合物；摻入超細(xì)粉煤灰可改善了混凝土拌合物的流動(dòng)性，且超細(xì)粉煤灰的細(xì)度越細(xì)改善作用越明顯。這是因?yàn)?，一方面超?xì)粉煤灰內(nèi)絕大多數(shù)為表面光滑的球形顆粒、粒度較細(xì)的玻璃微珠，摻入混凝土中可減小內(nèi)摩擦阻力，從而可減少混凝土的用水量，起到減水作用，從而有效提高混凝土拌合物的流動(dòng)性[8]。從圖1中可看出，a中有較少量的蜂窩，b、c、d中混凝土拌合物漿體飽滿且無明顯蜂窩，這表明摻入超細(xì)粉煤灰的混凝土拌合物的黏聚性優(yōu)于未摻超細(xì)粉煤灰的混凝土拌合物；混凝土底部均無稀漿析出，表明混凝土拌合物均有很好的保水性。

3.4 不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

利用不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰制備高強(qiáng)混凝土測(cè)定其不同齡期的力學(xué)性能，結(jié)果如表6所示。

表6 不同細(xì)度粉煤灰混凝土力學(xué)性能Tab.6 Mechanical of concrete with different ultra fine fly ash

從表6結(jié)果顯示，僅用超細(xì)粉煤灰和減水劑，可以配制出C80的高強(qiáng)混凝土。摻超細(xì)粉煤灰的混凝土試件在不同齡期的抗折和抗壓強(qiáng)度較未摻超細(xì)粉煤灰的混凝土試件均有顯著的提高，其中抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)率為28.0%～65.4%，抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率在9%～30.5%；在不同的齡期，摻入超細(xì)粉煤灰的混凝土試件的抗折和抗壓強(qiáng)度最高的均是摻入平均粒徑為4 μm的超細(xì)粉煤灰的CUFA4試件。

3.5 不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響

利用掃描電鏡觀察摻不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰混凝土試件的微觀形貌，如圖2。

圖2 各混凝土試樣的SEM(a)CUFA2；(b)CUFA4；(c)CUFA6Fig.2 SEM of concrete samples(a)sample of CUFA2;(b)sample of CUFA4;(c)sample of CUFA6

從圖2中可以看出，混凝土試件CUFA2中有少量裂縫，無明顯粉煤灰顆粒，混凝土試件CUFA4中沒有明顯裂縫，沒有明顯粉煤灰顆粒，混凝土試件CUFA6中沒有明顯裂縫，有少量球形粉煤灰顆粒。各硬化混凝土樣品中，混凝土試件CUFA4較混凝土試件CUFA2、CUFA6更致密，粉煤灰顆粒與水泥熟料礦物水化形成的 Ca(OH)2發(fā)生二次反應(yīng)更充分，所以摻入平均粒徑為4 μm的超細(xì)粉煤灰的CUFA4試件的力學(xué)性能優(yōu)于摻入平均粒徑為2 μm和6 μm的超細(xì)粉煤灰的混凝土試件。

3.6 不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

利用壓汞法對(duì)養(yǎng)護(hù)60 d的不同混凝試樣的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，得到其的孔隙率各類孔的分布，結(jié)果如表7所示。

表7 不同混凝土試樣的孔結(jié)構(gòu)Tab.7 Pore structure of concrete with different ultra-fine fly ash

表7顯示，摻入超細(xì)粉煤灰的混凝土的孔隙率較基準(zhǔn)混凝土有明顯降低，既摻超細(xì)粉煤灰混凝土較基準(zhǔn)混凝土更加致密，因此摻超細(xì)粉煤灰的混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土；摻入不同細(xì)度超細(xì)粉煤灰的混凝土中，摻入平均粒徑為2 μm的超細(xì)粉煤灰的混凝土的孔隙率和摻入平均粒徑為6 μm的超細(xì)粉煤灰的混凝土的孔隙率比較接近，摻入平均粒徑為4 μm的超細(xì)粉煤灰的混凝土的孔隙率略大，但是摻入平均粒徑為4 μm的超細(xì)粉煤灰的混凝土的中無害孔(孔徑小于20 nm)的孔體積明顯大于摻入平均粒徑為2 μm的超細(xì)粉煤灰的混凝土和摻入平均粒徑為6 μm的超細(xì)粉煤灰的混凝土，既摻入平均粒徑為4 μm的超細(xì)粉煤灰不僅降低了混凝土的孔隙率，且其無害孔的孔體積明顯大于其它混凝土樣品，因此摻入平均粒徑為4 μm的超細(xì)粉煤灰的混凝土具有更好的力學(xué)性能。

3.7 討 論

將粉煤灰進(jìn)行超細(xì)粉磨可以破壞復(fù)珠結(jié)構(gòu)的粉煤灰顆粒，使內(nèi)部包裹的細(xì)小微珠釋放出來，更好的發(fā)揮粉煤灰的填充效應(yīng)，降低混凝土的孔隙率，使混凝土更加致密，同時(shí)超細(xì)粉磨可以使粉煤灰中的非球形顆粒的粒徑降低到足夠小，從而減小非球形顆粒形貌的影響，使粉煤灰的形貌效應(yīng)得到更好的發(fā)揮，從而改善混凝土的工作性能。超細(xì)粉磨增加了粉煤灰與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生“二次反應(yīng)”的比表面積，使粉煤灰的火山灰效應(yīng)加強(qiáng)。不同細(xì)度的超細(xì)粉煤中，細(xì)度為4 μm的超細(xì)粉煤灰在混凝土中的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)較細(xì)度為2 μm和6 μm的超細(xì)粉煤灰得到更好的發(fā)揮，使混凝土孔隙率下降，變得更加致密，同時(shí)摻細(xì)度為4 μm的超細(xì)粉煤灰可以降低混凝土中多害孔的體積分?jǐn)?shù)，增加無害孔的體積分?jǐn)?shù)，從而獲得優(yōu)于摻細(xì)度為2 μm和6 μm超細(xì)粉煤灰混凝土的力學(xué)性能。

4 結(jié) 論

超細(xì)粉煤灰可有效改善粉煤灰的活性，需水量比等性能，且其需水量比隨著超細(xì)粉煤灰細(xì)度的增大而減小，活性隨其細(xì)度的增大而增大；經(jīng)過磨細(xì)的超細(xì)粉煤灰作為活性摻和料摻入混凝土中能夠很好的改善混凝土的工作性能；三種不同細(xì)度的超細(xì)粉煤灰(2 μm、4 μm、6 μm)摻入混凝土中可以降低混凝土的孔隙率，改善混凝土的孔分布，從而改善混凝土的力學(xué)性能，其中改善效果最好的為摻入平均粒徑為4 μm超細(xì)粉煤灰的混凝土試樣；不使用硅灰，僅用超細(xì)粉煤灰就可以配制出強(qiáng)度等級(jí)為C80高強(qiáng)混凝土。

[1] Chindaprasirt P,Homwuttiwong S,Sirivivatnanon V.Influence of fly ash fineness on strength,drying shrinkage and sulfate resistance of blended cement mortar[J].CementandConcreteResearch,2004,34:1087-1092.

[2] Jones M R,McCarthy A,Booth APPG.Characteristics of the ultrafine component of fly ash[J].Fuel,2006,85:2250-9.

[3] 周 敏,周士瓊,汪冬冬,等.磨細(xì)粉煤灰與超細(xì)粉煤灰的性能對(duì)比試驗(yàn)研究[J].粉煤灰綜合利用,2005,04:37-38.

[4] 孫 濤,蘇達(dá)根,初昆明,等.磨細(xì)粉煤灰與分選細(xì)粉煤灰的性能對(duì)比研究[J].粉煤灰,2006,03:28-30.

[5] 叢樹民,程為標(biāo).摻細(xì)化粉煤灰高強(qiáng)混凝土性能研究[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào),2003,15(4):1- 4．

[6] 李 輝,曹敏麗,張 偉,等.大摻量超細(xì)粉煤灰高強(qiáng)混凝土研究[J].硅酸鹽通報(bào),2014,33(5):1028-1034.

[7] Li H,Xu D L,Feng S H,et al.Microstructure and performance of fly ash micro-beads in cementitious material system[J]ConstructionandBuildingMaterials,2014,52:422-427.

[8] 王秀源.超細(xì)粉煤灰在高性能混凝土中的作用效應(yīng)分析[J].廣東建材,2008,12:32-33.

Property Comparision of Ultra-fine Fly Ash with Different Fineness

LIHui,ZHANGZhi-ming，CHENYu-jia,XIESong

(College of Materials and Mineral Resources，Xi＇an University of Architecture and Technology，Xi＇an 710055，China)

The basic property of three kind of UFA with different fineness prepared by super-fine grinding progress, the mechanical properties of cement mortar and concrete samples added with 10% of these kind UFA ,as well as the workability of concrete mixture were investigated. The results show that, the activity of UFA enhanced with the increase of fineness. Involving of UFA improved the workability of concrete mixture and the mechanical properties of mortar and concrete samples significantly. By using UFA and superplasticizer without silica fume, C80 high performance concrete was prepared. The results of micro-pore structure revealed that the volume of harmless pores inside the concrete samples CUFA4 blended with UFA4 was larger than the samples of CUFA2 and CUFA6, which was in accordance with the macroscopical mechanical experiment results of concrete.

ultra-fine fly ash;concrete;workability;mechanical property

李 輝(1971-)，女，博士，教授，博導(dǎo).主要從事固體廢棄物資源化利用方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2821-05