机械粉磨及水热养护对掺合料活性影响研究*

何欣，林喜华，路东义，赵士豪，李馨慧，何凯，顾青山

（中建西部建设贵州有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 前言

粉煤灰、磷渣和石灰石粉作为常见的工业废渣，需要占用大量的土地进行堆放，造成大气污染，影响周边生态环境。利用其潜在的活性成分可作为混凝土掺合料应用于土木、水利工程领域。因此探索使其活性得到充分发挥的方法，提高掺合料利用率和利用水平的途径与技术具有重大的环保意义和经济效益[1-3]。本文选取粉煤灰、磷渣粉和石灰石粉为试验对象，通过对其进行不同时间的机械粉磨和不同温度的水热养护，研究这两种方法对其抗压强度及活性的影响。

1 原材料

粉煤灰（F）：清镇电厂粉煤灰；石灰石粉（S）：制砂厂旋风除粉机收集的石灰石粉；磷渣粉（P）：贵州开阳磷渣粉；水泥：P·O42.5 水泥，台泥（安顺）水泥有限公司；砂：ISO 标准砂，厦门艾斯欧标准砂有限公司；水：自来水。

2 试验方法

利用球磨机对掺合料粉磨时球料比设置为 30:1，球磨时间设定为 0min、5min、10min、15min 和 20min。掺合料以 30% 的比例等质量取代水泥，按照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》制备胶砂试件。胶砂试件配比见表 1。

将制备好的胶砂试件放入标准养护箱中养护 24h 后脱模（养护温度为 20℃±1℃，相对湿度≥90%），然后分别置于温度为 20℃、40℃ 和 60℃ 水中养护至试验龄期，测试胶砂试件 7d 和 28d 抗压强度并计算活性指数。计算分析不同机械粉磨时长和水热养护条件对掺合料活性的影响。

表 1 胶砂试验配比 g

掺合料的活性指数按式 (1) 计算[4]：

式中：

H7/28——活性指数，%；

R——试验组胶砂 7d/28d 抗压强度，MPa；

R0——空白组胶砂 7d/28d 抗压强度，MPa。

3 结果与讨论

3.1 粉磨时间对掺合料活性的影响

试验测试了不同机械粉磨时间的粉煤灰、磷渣粉和石灰石粉标准养护至 7d 和 28d 抗压强度，试验结果见表 2。

表 2 不同机械粉磨时间掺合料抗压强度

机械粉磨时长为 0min、5min、10min、15min 和20min 的掺合料，分别以 30% 的掺量等质量替代水泥，经计算掺合料活性变化如图 1 所示。

从表 2 中的试验数据和图 1 的活性指数变化曲线可知，经过机械粉磨的掺合料，其活性均大于未粉磨的掺合料。粉煤灰、磷渣粉和石灰石粉 7d 和 28d 活性指数随着粉磨时间增加均有所增大。粉磨 10min 的粉煤灰活性提升显著，7d 活性相比未经粉磨的粉煤灰增加 19%，28d 活性相比未经粉磨的粉煤灰增加 17%，但随着粉磨时间增加活性增长幅度变小。磷渣粉随着粉磨时间增加活性逐渐增加，粉磨 20min 的 7d 活性比未经粉磨的磷渣粉增加 27%，28d 活性相比未经粉磨的磷渣粉增加 17%。石灰石粉活性随着粉磨时间增加逐渐增大，但增长幅度较小，粉磨 15min 后的石灰石粉活性基本不再增长，其 7d 活性相比未经粉磨的石灰石粉增加12%，28d 活性相比未经粉磨的石灰石粉增加 9%。

图 1 不同粉磨时间掺合料的活性

粉煤灰、磷渣粉和石灰石粉 7d 和 28d 活性指数均随粉磨时间的增加有所增大，说明机械粉磨可以有效提高掺合料活性。粉煤灰、磷渣粉和石灰石粉通过机械粉磨后增加了颗粒细度，大量的细小颗粒填充在水泥颗粒间隙之间，起到物理填充作用，有利于提高硬化浆体的致密度，降低孔隙率[5]，同时微细颗粒还会起到晶核诱导作用，促进胶凝材料水化，提高强度。另一方面，在粉磨过程中粉煤灰和磷渣粉颗粒中玻璃体被粉碎成细小的碎屑，玻璃体中产生的断裂键增加，与水泥水化析出的 Ca(OH)2充分反应从而提高其活性。

3.2 水热养护对掺合料活性的影响

为了说明水热养护对掺合料活性的影响，选择未进行机械粉磨的掺合料进行试验，胶砂试件脱模后分别置于 20℃、40℃、60℃ 水中养护至试验龄期，测其 7d 和28d 抗压强度，结果见表 3。

表 3 不同水热养护掺合料抗压强度

不同养护水温对粉煤灰、磷渣粉和石灰石粉胶砂试件抗压强度的影响，根据胶砂试件抗压强度试验结果，可得到粉煤灰、磷渣粉和石灰石粉的活性随着养护水温增长的变化曲线，见图 2。

由表 3 和图 2 可知，粉煤灰、磷渣粉和石灰石粉胶砂试件抗压强度随着水热环境温度升高而增大，粉煤灰和磷渣粉的活性也逐渐提高，而石灰石粉的活性基本保持不变。粉煤灰在 60℃ 时 28d 活性相比 20℃ 条件下增加 23%，磷渣粉在 60℃ 时 28d 活性相比 20℃ 条件下增加 24%，而石灰石粉的活性在基本 59% 左右。

从图 1 和图 2 可知，养护温度对粉煤灰和磷渣粉活性的提升效果比机械粉磨效果要好。温度越高，粉煤灰和磷渣粉中玻璃体网络结构越容易解聚、瓦解。随着温度的提高和养护时间的增长，可以在较短时间内破坏致密的 Si-O-Si 和 Si-O-Al 网状结构，加快矿物结构的转移和水化产物的形成，从而提高活性。石灰石粉为惰性材料，养护温度的变化对其活性没有影响。

4 结论

（1）机械粉磨能有效提高粉煤灰、磷渣粉和石灰石粉的活性。水热养护对粉煤灰和磷渣粉的活性提升明显，而石灰石粉的活性不受影响。

（2）机械粉磨 10min 时粉煤灰和机械粉磨 15min时石灰石粉时活性提升最明显，继续增加粉磨时间，粉煤灰和石灰石粉活性不再增加。磷渣粉的活性随着粉磨时间增加逐渐增大。水热养护提升效果比机械粉磨显著。

图 2 不同养护水温掺合料的活性