超细粉煤灰性能及其在水泥中的应用研究

众所周知，中国粉煤灰市场呈现出较大的地区差异性，东南、西南、华中、京津冀鲁等大部分地区粉煤灰已基本被利用，甚至出现供不应求的态势，而山西、陕西、内蒙古、宁夏、新疆等煤电基地由于区位市场不平衡、长距离运输成本较高等问题无法大量应用，目前多处于堆存填埋状态，占地与环境问题凸显，提高西北煤电基地粉煤灰的综合利用率已迫在眉睫。超细粉磨处理是实现粉煤灰高品质、高效应和高附加值利用的重要手段之一，可显著增加粉煤灰在水泥混凝土中的用量，同时还能扩大粉煤灰的外运半径，从而提高粉煤灰的综合利用量。超细粉煤灰一般是指平均粒径低于 10μm，比表面积大于 600m2/kg 的粉煤灰 [1-4] ，通常获得超细粉煤灰的途径主要有两种：①分选；②机械粉磨。目前，国内也有较多的专家学者针对超细粉煤灰做了研究，如姚丕强和王仲春利用半工业化球磨系统中对多种粉煤灰进行了超细粉磨，并对超细粉煤灰性能进行了测定和分析。结果表明，得到的超细粉煤灰比表面积可达1100m2/kg 左右，超细粉煤灰不仅具有很高的活性，对砂浆和混凝土的工作性也有显著的促进作用，可以减水10%左右 [5] 。西安建筑科技大学的李辉等 [6] 也研究了不同细度的超细粉煤灰的基本性能，结果表明，超细粉煤灰的细度越大，其需水量越小，活性越大。掺入超细粉煤灰可以有效改善混凝土拌合物的工作性能、胶砂试件和混凝土试件的力学性能，且超细粉煤灰的细度越细改善作用越明显。本文以托克托电厂超细粉磨后的粉煤灰为主要研究对象，分析不同细度超细粉煤灰的基本物理性能的变化规律以及在水泥中的应用试验，为指导托克托电厂粉煤灰应用提供数据支撑。

1.原材料

1.1 粉煤灰

本实验采用了大唐国际托克托发电公司的原状粉煤灰和经过分选后得到的Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰化学组成见表 1。

1.2 水泥

试验选用由抚顺水泥股份有限公司生产的 PI 42.5 强度等级的硅酸盐水泥，其化学组成和基本物理性能分别见表1和表 2。

 

2.试验结果

2.1 粉煤灰的超细粉磨

采用超细球磨机对托克托原状粉煤灰进行超细粉磨，超细球磨机配备有特殊级配的研磨体。经过前期的粉磨探索试验，初步得到粉煤灰不同粉磨时间和比表面积之间的关系。选取在超细球磨机中分别粉磨4min、20min、38min和80min的超细粉煤灰作为试验研究对象，编号分别为 TKT1、TKT2、TKT3、TKT4。

2.2 超细粉煤灰的颗粒形貌

粉煤灰的颗粒形貌是决定粉煤灰性质的重要因素，将影响粉煤灰在水泥混凝土中发挥出的滚珠效应。因此，利用电镜对原灰和不同细度超细粉煤灰的颗粒形貌进行了观察和比较。由图 1（a）可知，原灰中有许多大小不一、表面较为光滑的球状玻璃体，小球体颗粒黏附在大球体颗粒上，还有一部分子母珠，壳壁内包裹的细小球体也清晰可见，大小不一，同时，还有部分不规则的多孔玻璃颗粒。从图 1（b）~图 1（e）中可以看出，原状粉煤灰经超细粉磨后，薄壁空心颗粒被挤破，其内部的子母珠颗粒被打散，球状微珠的含量明显减少，原来粒径较大的不规则海绵状颗粒也被粉碎成了细小的碎屑，微珠的粘结体也得到了破解，暴露出新表面。由于粉磨的时间不同，不同细度的超细粉煤灰多孔体及微珠破坏的程度也不同，粉磨的时间越长，微珠破坏的越多，形成了许多清晰边缘或有粗糙边缘的多面体形状。另外，仍然存在更小的球状微珠。

 

 

2.3 不同细度的超细粉煤灰基本物理性能

研究在不同细度下超细粉煤灰需水量比和强度活性指数变化规律，结果如表 3 所示。由表 3 的数据结果可知，原灰经超细粉磨后，与分选后的Ⅱ级灰对比，不同细度的超细粉煤灰需水量比和强度活性指数均增加。当超细粉煤灰比表面积从533m2/kg 增加至 1019m2/kg，需水量比先减小后增大。不同细度的超细粉煤灰各龄期的活性均有比较明显的提升，7d 和28d 活性指数均在比表面积为 714m2/kg 时达到最高，分别达到了 87%和90%，较Ⅱ级灰分别提高了 14%和 11%，这说明粉煤灰粉磨至一定的细度，对应水泥胶砂强度的增长应有一个临界值 [7] 。

 

 

2.4 不同细度、 不同掺量超细粉煤灰硅酸盐水泥应用试验

将 P·I 42.5 硅酸盐水泥作为基准水泥，分别掺加 5%~20%的不同细度的超细粉煤灰，充分混合均匀配制粉煤灰硅酸盐水泥，按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346—2011） 测试粉煤灰硅酸盐水泥的标准稠度用水量和凝结时间，再分别测试不同配比下的水泥胶砂试块强度，结果如表 4 所示。

 

由表 4 可知，随着不同细度的超细粉煤灰掺量从 5%递增至 20%，粉煤灰硅酸盐水泥标准稠度用水量均逐渐增加。当超细粉煤灰的掺量为 5%时，不同细度的超细粉煤灰对粉煤灰硅酸盐水泥标准稠度用水量的影响较小。当超细粉煤灰的掺量为 20%时，随着比表面积由 533 m2/kg 增加至 1019 m2/kg，粉煤灰硅酸盐水泥标准稠度用水量呈现出先增大后减小的趋势。一方面，超细粉煤灰掺入水泥中，由于比表面积的增大，颗粒之间或对水泥颗粒产生吸附现象，有形成絮凝结构的趋势，有可能因此降低水泥浆体的流动性 [8] ，另一方面，超细粉煤灰填充于水泥颗粒之间，降低了复合胶凝材料的孔隙率，置换出水泥浆体中颗粒之间的填充水分，从而提高水泥浆体的流动性，随着超细粉煤灰细度的逐渐减小，比表面积增大负效应逐渐被密实充填正效应所抵消，因此粉煤灰硅酸盐水泥标准稠度用水量由增大变为减小。在这里特别注意的是，比表面积超过1000 m2/kg 时，超细粉煤灰显示出良好的减水效应。粉煤灰硅酸盐水泥凝结时间均在 20%粉煤灰掺量时测量，由结果可知，初凝时间和终凝时间均有一定程度的延迟，超细粉煤灰细度越小，初凝时间和终凝时间延迟的程度越低，初凝时间约延迟 0.5~1 h，而终凝时间延迟 0.1~0.5 h，均仍然符合国家标准。粉煤灰硅酸盐水泥3d和 28 d 抗压强度与粉煤灰掺量基本呈负线性关系，粉煤灰掺量越高，抗压强度越低。当超细粉煤灰掺量为 5%时，抗压强度在比表面积为 714 m2/kg 时达到最高，特别指出的是在比表面积为 1019 m2/kg 时，粉煤灰的掺量对 3d 和 28d 抗压强度的影响较小，粉煤灰掺量达到15%，粉煤灰硅酸盐水泥仍然能达到基准水泥的强度水平，此时，超细粉煤灰的密实填充作用发挥了较大的作用，弥补水泥用量减少带来的强度损失。

3.结论

（1）原状粉煤灰经超细粉磨后，部分球状微珠结构被破坏，形成大量粗糙边缘的碎屑，黏结体结构被破解，形成更小的球状微珠。（2）与分选后的Ⅱ级粉煤灰相比，不同细度的超细粉煤灰需水量比和强度活性指数均增加。

（3）将不同细度的超细粉煤灰掺入 P·I 42.5 水泥中时，当超细粉煤灰的掺量为 20%时，随超细粉煤灰比表面积的增加，粉煤灰硅酸盐水泥标准稠度用水量先增大后减小，凝结时间逐渐缩短。

（4）当超细粉煤灰的掺量为5%时，3d 和28d抗压强度在比表面积为 714 m2/kg 时达到最高，当超细粉煤灰比表面积为1019m2/kg 时，粉煤灰掺量对粉煤灰硅酸盐水泥抗压强度的影响较小，超细粉煤灰发挥着优异的密实填充作用。