机械活化粉煤灰对混凝土工作性能和力学性能的影响

王 晨

（辽宁地质工程职业学院，辽宁 丹东 118000）

粉煤灰是我国高速发展工业生产过程中产生的大量废渣，随处堆积的粉煤灰缺乏科学有效的处置方法，产生大量灰尘，污染周边生态环境。我国每年粉煤灰产量已经超过5×1010t，然而非有效利用率高达70%以上。大掺量粉煤灰混凝土利用废渣粉煤灰中潜在的活性成分，可以节省水泥用量，绿色环保，能较大幅度降低混凝土工程的造价成本，解决堆放粉煤灰占用大量土地的难题。

目前，科研人员对粉煤灰的研究主要是分析其掺量变化，或是分析通过化学方法把粉煤灰进行活化后对混凝土的影响，利用机械化学法对粉煤灰进行机械活化的研究相对匮乏。本文通过对粉煤灰进行不同时长的机械活化，研究大掺量粉煤灰对混凝土主要工作性能和力学性能的影响，改善大掺量粉煤灰混凝土工作性能，提高其实际应用价值。

1 试验

本试验采用辽宁省丹东市某热电厂Ⅱ级粉煤灰（其成分分析见表1），其主要化学成分是SiO2和Al2O3，这两种组分的含量占比达到87.6%，这些活性硅铝成分多数以无定型态存在于粉煤灰中，可促使粉煤灰反应生成水硬性产物。

表1 粉煤灰的化学成分

本实验采用俄罗斯高能球磨机AGO-‖，球料比设定为20∶1，球磨的时间设定为0min、5min、10min、15min和20min。利用球磨机对粉煤灰进行机械活化，记作H0、H5、H10、H15、H20。采用等量取代法以40%的比例等质量替代混凝土中的水泥，以C40混凝土的基准配合比为基础。本试验以不同机械活化时长的粉煤灰等质量代替水泥，对混凝土拌合物工作性能进行试验分析，通过坍落度试验测定混凝土拌合物的坍落度和扩展度，评定其流动性，通过直观经验法评定其粘聚性、保水性，根据试验结果分析不同机械活化时间的粉煤灰对混凝土拌合物工作性能的影响，综合评价机械活化粉煤灰混凝土的工作性能。分析40%掺量粉煤灰不同机械活化时长对混凝土立方体抗压强度的影响。

2 结果与讨论

2.1 对混凝土工作性能的影响

本试验测试了不同机械活化时长的粉煤灰以40%等质量替代水泥的机械活化粉煤灰混凝土的初盘0min坍落度、30min坍落度、60min坍落度和坍落扩展度，分别对混凝土的保水性和粘聚性进行观察评定，试验结果详见表2。

表2 机械活化粉煤灰混凝土和易性实验结果

采用机械活化时长分别为0min、5min、10min、15min和20min的粉煤灰，分别以40%的掺量等质量替代混凝土中的水泥，测得机械活化粉煤灰混凝土试件的塌落度变化如图1所示。

图1 掺入不同机械活化时长粉煤灰对混凝土坍落度影响曲线

由表2中的试验数据和图1的坍落度变化曲线得知，采用不同机械活化时长的粉煤灰以40%掺量等质量替换水泥，制备机械活化粉煤灰混凝土的坍落度得到明显改善，掺入不同机械活化时长的粉煤灰，机械活化粉煤灰混凝土的坍落度均大于基准混凝土。掺入不同机械活化时长粉煤灰的混凝土试件，坍落度无明显的差值变化，其经时的坍落度损失均呈现合理的影响曲线，经时损失后的数值均在正常范围内。因此，不同机械活化时长的粉煤灰掺入混凝土的坍落度没有明显变化。

根据表2的试验数据可知，不同机械活化时长的粉煤灰对混凝土的保水性、粘聚性表现良好，均未产生离析泌水现象。这是由于粉煤灰的密度相对水泥较小，胶凝材料的体积变大，需水量会有所上升。经过机械活化的粉煤灰颗粒变小，与水接触的表面积增大，能更有效填补混凝土中的孔隙结构。所有混凝土试件均表现出很好的粘聚性，表明机械活化粉煤灰对于减少泌水现象的发生效果更好。

2.2 对混凝土力学性能的影响

表3 机械活化粉煤灰混凝土立方体抗压强度试验设计

根据试验方案确定不同机械活化时间0min、5min、10min、15min和20min的粉煤灰分别按掺量40%制作成5组（Ⅰ组、Ⅱ组、Ⅲ组、Ⅳ组、Ⅴ组）试块，按照试验的要求与目的测试7d、28d的抗压强度（见表3）。取3个试件测得数据的平均值计算每组试件的强度值，故每组制作6个试件，共30个试块。

不同机械活化时长的粉煤灰按40%掺量取代等质量水泥制备的机械活化粉煤灰混凝土，测其7d和28d混凝土抗压强度值如表4所示。

表4 机械活化粉煤灰混凝土立方体抗压强度实验结果

不同机械活化时长的粉煤灰对混凝土立方体抗压强度的影响分析，根据混凝土立方体抗压强度的实验数据见表4，可得到掺加不同机械活化时长粉煤灰的混凝土随着期龄增长的变化曲线（见图2）。

图2 粉煤灰活化前后对混凝土强度的影响

机械活化后粉煤灰加入混凝土后强度明显上升，尤其是H10机械活化10min的粉煤灰，7d强度相比未经活化的粉煤灰混凝土增加15%，28d强度相比未经活化的粉煤灰混凝土增加20%。但随着机械活化时间不断增加，颗粒之间反而出现二次团聚现象，致使比表面积下降，直接参与反应的面积减少，强度有所降低但仍比未活化时强度高。

机械活化后的粉煤灰增加了粉煤灰的颗粒细度和反应面积，能更有效地参与水化反应，并有效填充混凝土中的孔隙，提升混凝土立方体抗压强度。随着期龄的增加，机械活化10min的粉煤灰混凝土28d相对于7d的立方体抗压强度提升最为明显。

由此可知，粉煤灰机械活化的时长对其掺入混凝土后的立方体试件抗压强度具有非常显著的影响，但从本次实验中得知机械活化粉煤灰混凝土立方体抗压强度并不是随着粉煤灰机械活化的时间增长而增强。粉煤灰机械活化时间过长，导致粉煤灰出现的团聚现象会使粉煤灰产生团聚形成紧实的颗粒，从而降低粉煤灰参与水化反应的面积，使粉煤灰不能有效填充混凝土中的孔隙。

3 结论

机械活化后的粉煤灰掺入混凝土后，坍落度得到改善，均大于基准混凝土。不同机械活化时长的粉煤灰掺入混凝土的坍落度没有明显变化。机械活化后的粉煤灰均能提高混凝土的抗压强度，其中机械活化10min的粉煤灰对混凝土的抗压强度影响最大；0～10min增加活化时间，混凝土抗压强度增加；活化10min后的粉煤灰，继续增加活化时间混凝土抗压强度将不再增加。