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(xiàn)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(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聯(lián)度[1,2]，來詮釋這種規(guī)律。

2 原材料與試驗研究方法

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(shù)生產(chǎn)的一級粉煤灰（F0），考慮到該廠生產(chǎn)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(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(xiàn)象；物料經(jīng)粉碎后，物料堆積狀態(tài)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(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；在機械力作用下，顆粒細化、結(jié)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?？偭繛?0%、10%、90% 所對應的粒子直徑。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(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(lián)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(shù)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(fā)顆粒團聚現(xiàn)象，這種熱團聚現(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)護用水均采用自來水。

2.2 試驗研究方法

（1）試件成型及養(yǎng)護

根據(jù)《高強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攪拌、振實臺成型，24 h 后脫模，放入室內(nèi)水中進行養(yǎng)護，至規(guī)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(tǒng)理論[5,6]中的灰色關聯(lián)分析方法研究粉煤灰的技術(shù)性質(zhì)對粉煤灰-水泥膠砂性能的影響規(guī)律，以作為改善粉煤灰性能、進行粉煤灰優(yōu)選的理論依據(jù)。

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(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(lián)分析。計算母序列與子序列的灰色關聯(lián)度，并判斷關聯(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 顆粒的體積分數(shù)均與膠砂性能成正關聯(lián)，其中，10～20μm 顆粒的體積分數(shù)與膠砂性能的正關聯(lián)度值最大，說明這一尺寸范圍內(nèi)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(shù)與膠砂性能的正關聯(lián)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(shù)均與膠砂性能成負關聯(lián)，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(jié)果見表7。

由表7的試驗結(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(fā)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(guī)律與粉煤灰的需水量比試驗結(jié)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(yōu)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(jié)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(guī)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(jù)前面的灰色關聯(lián)分析，粒徑在10～20μm 范圍內(nèi)的顆粒體積分數(shù)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，F(xiàn)1 所含該粒徑范圍內(nèi)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(guī)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(xù)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(lián)，隨水膠比的減小其力學性能逐漸提高。

4 結(jié)論

（1）粉煤灰粒度分布明顯影響其膠砂力學性能；分布在0～20 μm 粒徑范圍內(nèi)的顆粒的體積分數(shù)與膠砂力學性能成正關聯(lián)，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(lián)度為最大；大于20 μm的顆粒的體積分數(shù)與膠砂性能成負關聯(lián)，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(nèi)(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(chǎn)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。

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