超细粉煤灰对普通硅酸盐水泥性能的影响

杨鑫鑫 王其凯

(济南万科企业有限公司，山东 济南 250013)

粉煤灰作为燃煤电厂燃烧过程中排出的微小灰粒，富含无定型SiO2和Al2O3，用作辅助性胶凝材料时，不仅降低成本和环境污染，还可以改善水泥的工作性能、力学性能和耐久性能等[1-3]。然而，粉煤灰的活性较低。Lam等指出粉煤灰水泥浆体养护90天后仍约有80%粉煤灰未发生水化反应[4]。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。平均粒径低于10μm，比表面积大于600m2/kg的超细粉煤灰具有良好的超细颗粒效应，但粉磨过程中可能破坏粉煤灰的滚珠效应，增加需水量[5-6]。因此，本文以超细粉煤灰为主要研究对象，研究了超细粉煤灰掺量对硅酸盐水泥性能的影响规律。

1 原材料

1.1 普通硅酸盐水泥

本文采用52.5普通硅酸盐水泥，其主要化学组成见表1。

表1 水泥化学组成/wt.%

1.2 粉煤灰

本文选用超细粉煤灰的密度为2.13g/cm3，微观形貌如图1，其形貌为表面光滑、规则的球形颗粒，平均粒径为3.93μm，粒径分布如图2所示。

图1 粉煤灰的SEM形貌照片

图2 超细粉煤灰粒度分析

2 结果与讨论

2.1 凝结时间

图3显示了超细粉煤灰对水泥凝结时间的影响。水泥的初凝时间和终凝时间分别为140 min和212min。超细粉煤灰的掺加明显延长了凝结时间。当超细粉煤灰掺量由5%增加至20%，初凝时间从147min增加至170min，终凝时间从218min增加至245min。

图3 超细粉煤灰对水泥凝结时间的影响

2.2 标准稠度需水量

图4是掺加超细粉煤灰的水泥的标准稠度需水量。从图中可以看出超细粉煤灰的掺加明显增加了标准稠度需水量。纯水泥的标准稠度需水量为24.1%，当超细粉煤灰掺量由5%增加至20%，标准稠度需水量从24.6%增加至27.3%，比纯水泥的标准稠度需水量高了2.1%～13.3%。这是由于超细粉煤灰的高比表面积导致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，降低了水泥浆体的流动性。

图4 标准稠度需水量

2.3 力学性能

超细粉煤灰对水泥的力学性能的影响结果如图5所示。在图5(a)中，随着超细粉煤灰掺量的增加，3d和28d的抗折强度都呈现先增加后降低的趋势。当超细粉煤灰掺量为10%时，3d和28d抗折强度都达到最大，分别比纯水泥高出7.3%和4.5%。当超细粉煤灰掺量为20%时，3d和28d抗折强度都达到最低，分别比纯水泥低3.6%和3.0%。在图5(b)中，抗压强度的变化规律与抗折强度相近，随着超细粉煤灰掺量的增加，3d和28d的抗压强度也呈现先增加后降低的趋势。当超细粉煤灰从5%增加到20%，3d抗压强度从28.6MPa增加至33.1MPa又降低至26.0MPa，28d抗压强度从56.7MPa增加至59.1MPa又降低至51.1MPa。所以，超细粉煤灰对水泥的抗压强度和抗折强度都有明显的影响，尤其在水化早期，这是由于超细粉煤灰在早期发挥了其“颗粒填充效应”，提高了硬化体致密度。在水化后期超细粉煤灰中活性氧化硅和氧化铝参与二次水化反应，其水化产物能够提高颗粒间粘结效应，改善强度。

(a)

(b)图5 超细粉煤灰对水泥的力学性能的影响

3 结 论

超细粉煤灰的掺加明显延长了水泥的凝结时间，并且随着粉煤灰掺量的增加，凝结时间越长。超细粉煤灰的高比表面积导致水泥的标准稠度需水量增加。当超细粉煤灰掺量为20%时，标准稠度需水量增加了13.3%。掺量为5%～15%的超细粉煤灰能改善水泥强度，尤其当超细粉煤灰掺量为10%时，3d抗折强度增加7.3%，3d抗压强度增加20.8%。