粉煤灰细度对混凝土性能的影响*

张平，马旭东，陈旭，韩世界，古龙龙

（中建西部建设新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

随着建筑行业的飞速发展，对用量最大的建筑材料——混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能提出更严格的要求。目前一般使用硅灰和高性能减水剂配合生产高性能混凝土，由于硅灰和高性能减水剂价格比较昂贵，因此寻找价格低廉、资源丰富的替代品对混凝土行业的发展具有十分重要的意义。我国是一个用电大国，而且我国所使用的电绝大部分是火电，粉煤灰是燃煤火电厂生产过程中的附带产物。随着电力工业的快速发展，燃煤电厂产生的粉煤灰排放量越来越大。粉煤灰若不及时处理就会产生扬尘，污染大气；排入河流会造成河流淤塞，而其中的有毒物质还会对人体和生物造成很大的危害。粉煤灰的价格远低于水泥，当选用粉煤灰替代部分水泥制作混凝土时，不仅能降低混凝土的生产成本，同时可起到资源再利用的作用。粉煤灰混凝土在实际工程中得到了一定的应用[1-4]。但是目前我国粉煤灰的综合利率偏低，提高粉煤灰的利用率是一个重要的课题。采用粉磨技术降低粉煤灰细度和平均粒径，增大比表面积，提高粉煤灰活性是提高粉煤灰综合利用率的一种重要途径。

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[5,6]。通常获得超细粉煤灰的途径主要有两种：一是分选，二是机械粉磨。周敏[7]、孙涛[8]等对机械粉磨和分选技术所得的超细粉煤灰做了对比研究，结果表明机械粉磨制备的超细粉煤灰由大量碎屑和较小的颗粒构成，表面结构缺陷多，不饱和键和破碎面的断键数量多，其性能优于分选所制备的超细粉煤灰。丛树民[9]等对磨细粉煤灰与原灰在高强混凝土中的作用进行了对比研究，结果表明掺入磨细粉煤灰的混凝土具有较好的粘聚性，既不离析，也不出现泌水，工作性能良好。本文主要研究不同细度的磨细粉煤灰对混凝土拌合物的工作性能和混凝土的力学性能、碳化性能以及抗冻性能的影响，为粉煤灰在混凝土中的综合利用提供技术指导作用。

1 试验

1.1 原料

水泥：乌鲁木齐市天宇华鑫水泥厂提供的 P·O42.5普通硅酸盐水泥，其基本性能见表1。

表1 水泥的基本性能

粉煤灰原灰：试验所用粉煤灰为乌鲁木齐市红雁池电厂提供的粉煤灰原灰，其化学成分见表2。

表2 粉煤灰的化学成分 %

试验模拟Ⅰ级灰到 Ⅲ 级灰的细度，将粉煤灰原灰粉磨 0min、10min、25min 和 50min，再筛分得到平均粒径为 20μm、15μm、10μm 和 5μm 的粉煤灰。

砂子：试验所用砂为乌鲁木齐中建西部建设新疆有限公司的中砂，表观密度为 2618kg/m3，堆积密度为1413kg/m3。

石子：试验所用石子为乌鲁木齐中建西部建设新疆有限公司提供的碎石，粒级为 5～20mm 连续级配。表观密度为 2635kg/m3，堆积密度为 1415kg/m3，含泥量为 0.4%。

减水剂和水：减水剂采用新疆新材料公司生产的聚羧酸减水剂，固含量为 40%。拌合和养护用水为自来水。

1.2 试验检验方法

混凝土的工作性能：参照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验标准》，力学性能：参照GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》，混凝土碳化性能和抗冻性：参照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》。

1.3 混凝土试验配合比

混凝土配合比见表3。

表3 混凝土配合比 kg/m3

2 结果与分析

2.1 样品的工作性能分析

对掺入不同细度的超细粉煤灰混凝土拌合物的工作性能进行测试，测试结果见表4。

表4 不同细度粉煤灰混凝土拌合物的工作性能

表4 为不同细度粉煤灰混凝土拌合物的工作性能。从表4 可以看出：随着粉煤灰平均粒径的减小，粉煤灰混凝土具有较好的流动性、黏聚性和保水性，表明磨细粉煤灰可以改善混凝土的工作性能。当粉煤灰磨细至 5μm（A4）时，粉煤灰混凝土的坍落度和扩展度达到最大，相比于 A1 组粉煤灰混凝土分别提高了 9.1%和 16.7%，这表明磨细粉煤灰可以改善混凝土的工作性能，而且细度越小改善作用越明显。这是因为粉煤灰颗粒大多数为表面光滑的玻璃微珠，掺入混凝土中具有减水作用，提高混凝土拌合物的流动性。

2.2 样品的力学性能分析

对掺入不同细度的超细粉煤灰制备的混凝土的力学性能进行测试，测试结果见表5 和图1。

表5 不同细度粉煤灰对混凝土力学性能的影响

图1 不同细度粉煤灰混凝土的力学性能

从表5 和图1 可以看出，磨细粉煤灰可以提高混凝土的力学性能。随着粉煤灰平均粒径的减小，不同龄期的粉煤灰混凝土抗压强度和抗折强度逐渐提高。当粉煤灰粉磨至 5μm 时，粉煤灰混凝土的力学性能达到最大，其 3d、7d 和 28d 的抗压强度相比于 A1 组分别提高了 25.1%、29.0% 和 36.9%，而 3d、7d 和 28d 的抗折强度相比于 A1 组分别提高了 25.%、29.3% 和 38.6%。这表明磨细粉煤灰可以提高混凝土的力学性能。这主要是因为粉煤灰经过磨细后，其比表面积增大，提高了粉煤灰的活性，增加与水泥水化产生的 Ca(OH)2的接触面积，促进了粉煤灰活性硅铝的溶出，不仅使粉煤灰混凝土的早期抗压强度增加，同时增加了其后期抗压强度。此外，粉煤灰磨至一定的细度之后，其可以物理填充一些空隙，提高混凝土的密实度，进一步提高粉煤灰混凝土的力学性能。

2.3 样品的碳化深度分析

对掺入不同细度的超细粉煤灰制备的混凝土的碳化性能进行测试，测试结果见表6 和图2。

表6 不同细度粉煤灰对混凝土碳化深度的影响 mm

图2 不同细度粉煤灰混凝土的碳化深度

从表6 和图2 可以看出：随着粉煤灰平均粒径的减小，不同龄期的粉煤灰混凝土碳化深度逐渐降低，表明磨细粉煤灰可以改善混凝土的抗碳化性能。当粉煤灰磨细至 5μm（A4）时，粉煤灰混凝土的碳化深度最低，相比于 A1 组粉煤灰混凝土分别降低了 60.0%、57.9%、61.3% 和 58.9%，这表明磨细粉煤灰可以改善混凝土的抗碳化性能，而且细度越小改善作用越明显。这是因为磨细加速了粉煤灰的水化，生成了更多的水化硅酸钙凝胶，填充了基体孔隙，优化了水泥石的微观结构，提高了体系的致密度。

2.4 样品的抗冻性能分析

（1）抗压强度损失率

对掺入不同细度的超细粉煤灰制备的混凝土的冻融循环次数进行测试，抗压强度损失率的测试结果见表7和图3。

从表7 和图3 可以看出：随着冻融循环次数的增大，粉煤灰混凝土的抗压强度损失率显著增大。此外还发现，随着粉煤灰平均粒径的减小，相同冻融循环次数的粉煤灰混凝土抗压强度损失率逐渐减小。当粉煤灰混凝土冻融循环 200 次时，A2 组、A3 组和 A4 组抗压强度损失率相比于 A1 组分别降低了 6%、20.6% 和44.1%，表明磨细粉煤灰可以减小抗压强度损失率，提高抗冻性能。

表7 冻融循环次数的混凝土抗压强度损失率 %

图3 冻融循环次数的混凝土抗压强度损失率

（2）动弹模量

对掺入不同细度的超细粉煤灰制备的混凝土的冻融循环次数进行测试，其相对动弹模量的测试结果见表8和图4。

从表8 和图4 可以看出：随着冻融循环次数的增大，粉煤灰混凝土的相对动弹模量显著降低。此外还发现，随着粉煤灰平均粒径的减小，相同冻融循环次数的粉煤灰混凝土相对动弹模量逐渐增大。当粉煤灰混凝土冻融循环 200 次时，A2 组、A3 组和 A4 组相对动弹模量相比于 A1 组分别增加了 8.9%、23.2% 和 37.5%，表明磨细粉煤灰可以改善混凝土的抗冻性能。

图4 不同冻融循环次数的混凝土相对动弹模量

表8 不同冻融循环次数的混凝土相对动弹模量

（3）质量损失率

对掺入不同细度的超细粉煤灰制备的混凝土的冻融循环次数进行测试，其质量损失率的测试结果见表9 和图5。

图5 不同冻融循环次数的混凝土质量损失率

从表9 和图5 可以看出：随着冻融循环次数的增大，粉煤灰混凝土的质量损失率显著增大。并且随着粉煤灰平均粒径的减小，相同冻融循环次数的粉煤灰混凝土质量损失率逐渐减小。当粉煤灰混凝土冻融循环 200次时，A2 组、A3 组和 A4 组质量损失率相比于 A1 组分别降低了 11.1%、22.2% 和 36.1%，表明磨细粉煤灰可以减小混凝土的质量损失率，提高抗冻性能。

3 结论

粉磨技术减小了粉煤灰的细度和平均粒径，提高粉煤灰混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性，改善混凝土的工作性能，平均粒径为 5μm 的粉煤灰混凝土的最大坍落度和扩展度达到了 240mm 和 350mm。

磨细粉煤灰提高了混凝土的力学性能，随着粉煤灰平均粒径的减小，不同龄期的粉煤灰混凝土抗压强度和抗折强度逐渐提高，与平均粒径为 20μm 的粉煤灰混凝土相比，平均粒径为 5μm 的粉煤灰混凝土的 28d 抗压强度和抗折强度分别提高了 36.9% 和 38.6%。

随着粉煤灰平均粒径的减小，增大了粉煤灰的比表面积，促进了粉煤灰混凝土的水化，降低了碳化深度、抗压强度损失率和质量损失率，增大了相对弹性模量，改善了混凝土的抗碳化性能和抗冻性能，提高了混凝土的耐久性能。