粉煤灰粒度分布对粉煤灰-水泥胶凝体系的影响

２４６　科技研究　城市道桥与防洪　２０１１年６月第６期　

粉煤灰粒度分布对粉煤灰一水泥胶凝体系的影响　

杨治国，周立霞，张戎令　

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州７３００７０）　

摘要：该文介绍了用Ｍａｌｖｅｍ　ＭＳ２０００激光粒度仪测定几种不同细度粉煤灰的粒度分布，以灰色关联方法分析粉煤灰粒度分　布与相应粉煤灰一水泥胶砂力学性能之间的相关性，并分析不同细度粉煤灰对其胶砂的强度、流动度等技术性能的影响。研　究表明：粉煤灰粒度分布明显影响其胶砂力学性能；分布在０—２０　ｍ粒径范围内的颗粒对胶砂力学性能有积极贡献，其中，　尤以ｌ０～２０　ｍ的颗粒贡献最大，而大于２Ｏ　ｍ的颗粒对胶砂力学性能起削弱作用；当比表面积不超过６ＯＯ　ｍ２］ｋｇ时，增加　粉煤灰的细度可以提高胶凝材料体系的流动性；在胶凝材料体系中掺粉煤灰时应使用高效减水剂，且随水胶比的减小，减水　剂用量也要增大以满足流动性的要求；掺粉煤灰的胶砂可在减少减水剂掺量的情况下，达到与基准胶砂相同的流动度；随水　胶比的降低，胶砂强度呈增高趋势。　关键词：建筑材料；粒度分布；试验研究；灰色关联分析；磨细粉煤灰；粉煤灰一水泥胶凝体系　中图分类号：ＴＵ５０２　文献标识码：Ａ文章编号：１００９—７７１６（２０１１）０６—０２４６—０４　

０　引言　

在现代高性能混凝土中，常通过掺人较廉价　

的粉煤灰来改善混凝土的性能。由于原状粉煤灰　

的颗粒级配与活性均不尽理想，一般要采用人工　

手段激活，其中，超细粉磨既可以改善粉煤灰的颗　

粒级配和活性，又能降低需水量，是一种非常有效　

的方法。笔者通过在胶凝材料体系中掺人不同细　

度的磨细粉煤灰，来考察粉煤灰细度及粒度分布　

对胶砂力学性能的影响规律，并通过分析粉煤灰　

粒度分布与胶砂性能之间的灰色关联度【ｌｌ２Ｊ，来诠　

释这种规律。　

１　原材料与试验研究方法　

１．１主要原材料及其性质　

１．１．１水泥　

甘肃永登水泥厂生产的祁连山牌４２．５级硅　

酸盐水泥（标记为ＰＣ１）。　

１．１．２粉煤灰　

采用的原状粉煤灰为兰州第二热电厂采用浆　

液增湿脱硫技术生产的一级粉煤灰（Ｆ０），考虑到　

该厂生产的粉煤灰是采用静电分选设施来分选　

级别，会导致粉煤灰表现出不稳定性，因此，在将　

粉煤灰用作水泥基材料的混合料时需要进行粉　

磨处理。　

粉煤灰在粉碎和研磨的过程中，由于机械力　

会引起一系列的物理和化学变化Ｉ３Ｊ：粉磨时可将　

收稿日期：２０１　１－０３—２８　收稿日期：甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室开放基金　资助项目（Ｋｆｊｊ一１０—０６）　作者简介：杨治国（１９７７一），男，甘肃白银人，硕士，讲师，从事　结构工程的教学及研究工作。　一些空心球状颗粒和少量多孑Ｌ碳粒粉碎，还可将　

体型大的粘连的球体群分散，使实心玻璃体颗粒　

表面受到摩擦而变粗糙，最终使颗粒粒度减小、比　

表面积增大；当颗粒粒度很小时还会由热效应引　

起热团聚现象；物料经粉碎后，物料堆积状态的变　

化会引起密度的变化，粉煤灰在研磨初期，密度会　

随研磨时间的延长而增大，这种变化会逐渐减缓；　

机械力会引起粉煤灰的结构变化，如晶型的转变、　

晶格畸变与缺陷、结晶程度的降低等；在机械力作　

用下，颗粒细化、结晶程度降低会使粉煤灰的反应　

活性提高。　

粉体材料颗粒粒度的表征【４Ｊ包括粒子大小的　

表征（平均直径）和粒度分布的表征。粒度分布又　

分为频率分布和累积分布。累积分布又分为下累　

积分布和上累积分布。累积分布表示小于或大于　

某一粒径的粒子占全部颗粒的百分含量（百分含　

量可以以颗粒体积为基准），累积分布是频率分布　

的积分形式。累积分布曲线可更加直观地表达颗　

粒粒度分布。同时，也可用分布宽度ｓ（见式１）来　

衡量颗粒的粒度分布范围。　

一—ｄｇｏ－—ｄｓｏ　ｄ—　ｄｌｏ　

其中，ｄｓｏ．￣ｄ。。、ｄ帅分别是指在累积百分率曲线　上占颗粒总量为５０％、１０％、９０％所对应的粒子直　

径。显然，分布宽度ｓ数值越大，说明颗粒的粒度　

分布范围越宽。　

考虑到以钢球作为研磨体制备磨细粉煤灰时，　

不容易彻底去除钢球带人的铁粉，故将钢球换为高　

强度的花岗岩卵石，研磨体级配与数量见表ｌ，磨　

６０　ｒａｉｎ记为Ｆ１，磨９０　ｍｉｎ记为Ｆ２，磨１８０　ｒａｉｎ记　

为Ｆ３。　

粉煤灰的化学组成见表２所列，试验用粉煤　２０１１年６月第６期　城市道桥与防洪　科技研究　２４７　

灰的物理性能见表３所列。　

表１　花岗岩卵石研磨体级配一览表　

表３粉煤灰的物理性能一览表　

本文采用Ｍａｌｖｅｍ　ＭＳ２０００激光粒度仪测定矿　

物掺合料的颗粒群粒度分布情况。试验用粉煤灰　

的粒度分布特征见表４所列，粉煤灰颗粒群粒度　

分布的粒度范围见表５所列。　

表４粉煤灰粒度分布的特征一览表　

粒度范围／％　编号——————　＜５　ｍ　５～１Ｏ　ｍ　１０￣２０　ｍ　２０－５０　ｍ　５０￣１００　ｍ　ＭＯＯ　ｍ　ＦＯ　１０．６２　ｌ６．４９　２６．１２　２８．４８　１５．３Ｏ　２．（）０　Ｆ１　１８．５２　２５．７４　３１．１４　２１．２３　３－３５　０．００　

Ｆ２　２４．７ｌ　２７．７６　２８．５４　１６．６３　１．８６　０．４８　Ｆ３　２４．８９　３２．４３　２７．５５　１０．９８　１．８５　１．４２　

由表４可以看出，随磨细时间的延长，粉煤灰　

的比表面积增大，表面积平均粒径及体积平均粒　

径均呈减小趋势，而中位径也逐渐减小，说明粉磨　

效果越好。　

由表３及表５可以看出，随粉煤灰磨细时间　

的延长，粉煤灰比表面积增大、细度增加，直径小　

于１０　ｍ的颗粒逐渐增多；直径ｌ０　２０　ｍ的　

颗粒，开始磨细时数量增多，而后逐渐减少；２０～　

１００　ｍ的颗粒，随磨细时间的延长其含量逐渐　

减少；采用这种非恒温条件下的研磨会引起机械　热效应，从而引发颗粒团聚现象，这种热团聚现象　

使得大于１００　ｍ的颗粒反而逐渐增多。　

１．１．３高效减水剂　

采用江苏博特新材料有限公司的缓凝型聚羧　

酸减水剂。　１．１．４水　

拌合和养护用水均采用自来水。　

１．２试验研究方法　

１．２．１试件成型及养护　

根据《高强高性能混凝土用矿物外加剂》　

（ＧＢ／Ｔ１８７３６—２００２）的规定，水泥胶砂或粉煤灰一　

水泥胶砂采用水泥胶砂搅拌机搅拌、振实台成型，　

２４　ｈ后脱模，放入室内水中进行养护，至规定龄　

期进行相关性能的测试。　

１．２．２粉煤灰与胶砂性能的关系研究　

采用灰色系统理论【５，６］中的灰色关联分析方法　

研究粉煤灰的技术性质对粉煤灰一水泥胶砂性能　

的影响规律，以作为改善粉煤灰性能，进行粉煤灰　

优选的理论依据。　

２粉煤灰与复合胶凝材料体系的关系研究　

２．１粉煤灰粒度分布与粉煤灰一水泥胶砂性能的　

灰色关联分析　

以水胶比分别为０．４０、０．３５、０．３２条件下粉煤　

灰一水泥胶砂５６　ｄ抗折、抗压强度为母序列（Ｙ１、　

Ｙ２），以粉煤灰颗粒群粒度分布（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、　

Ｘ５、Ｘ６）为子序列，进行灰色关联分析。计算母序　

列与子序列的灰色关联度，并判断关联极性，结果　

见表６所列。　

由表６可以看出，粉煤灰中直径小于等于２Ｏ　ｍ　

颗粒的体积分数均与胶砂性能成正关联，其中，　

１０　２０　ｍ颗粒的体积分数与胶砂性能的正关　

联度值最大，说明这一尺寸范围内的颗粒对胶砂　

性能所起的正面的促进作用最大；小于ｌ０　ｍ颗　

粒的体积分数与胶砂性能的正关联度值较小，主　

要是由于颗粒细小会导致胶砂需水量增加，进而　

削弱其性能所致。直径大于２０　ｍ颗粒的体积分　

数均与胶砂性能成负关联，原因在于这些颗粒的　

活性逐渐降低，微粉填充效应逐渐减弱，故对胶砂　

力学性能起削弱作用。　

２．２粉煤灰对复合胶凝材料体系流动度的影响　

流动度比ｌ７’８］是指在固定水胶比条件下，粉煤　

灰一水泥砂浆与未掺粉煤灰的水泥砂浆的流动度　

之比。该指标可以较直观地反映掺入粉煤灰对胶　

砂流动性的改善效果。水泥胶砂的水胶比为　

０．５０，胶砂比为ｌ：３；

粉煤灰一水泥胶砂的水胶比　２４８　科技研究　城市道桥与防洪　２０１１年６月第６期　

注：表中括号内“＋”表示正关联，“一”表示负关联。　

为０．５０，胶砂比为１：３，粉煤灰３０％取代水泥，对　

以上四种粉煤灰分别进行流动度测定，试验结果　

见表７所列。　

表７胶砂流动度比一览表　

由表７的试验结果可以看出，在胶凝材料体　

系中掺入粉煤灰可以改善其流动性，比表面积不　

超过６００　ｍ２／ｋｇ时，粉煤灰的掺人对胶砂流动性的　

改善效果很明显，并且越细的粉煤灰对胶砂流动　

性的改善效果越好；但粉煤灰磨得过细后，在没有　

外加剂的条件下，由于分散效果不佳导致不能充　

分发挥粉煤灰球形颗粒的粒形效应，所以，其对胶　

砂流动性的改善效果逐渐削弱。粉煤灰对胶凝材　

料体系流动性的影响规律与粉煤灰的需水量比试　

验结果（见表３）也基本吻合。　

２。３低水胶比时使用高效减水剂条件下胶砂的力　

学性能　

通常，在混凝土中掺人高效减水剂可以将水　

胶比降低并获得较为优良的流动性和较高的强　

度，从而可配制成高性能混凝土。表８列出了粉　

煤灰３０％掺量，水胶比分别为０．４０、０．３５和０．３２　

的条件下，控制胶砂流动度为２００±５　ｍｍ时，高　

效减水剂的用量，以及胶砂５６　ｄ的抗折及抗压　

强度。　

表８的试验结果表明，水胶比为０．４０时，掺　

粉煤灰的胶砂可在减少减水剂掺量的情况下，达　

到与基准胶砂相同的流动度（２００±５　ｍｍ），其中，　

使用磨细灰Ｆ１时，减水剂掺量最小，但对应的胶　表８胶砂的力学性能一览表　

砂强度最高；水胶比降至０．３５、０．３２时，也有同样　

的规律。但是，随着水胶比的降低，为满足流动性　

的要求，需要的减水剂的掺量也相应增加；水胶比　

为０．４０、０．３５、０．３２时，在掺入粉煤灰的对比胶砂　

中，掺人Ｆ１的胶砂５６　ｄ强度最高。同时，随水胶　

比的降低，对应的各胶砂强度呈增高趋势。　

采用Ｆ１配制的胶砂，其力学性能均高于其它　

胶砂，这主要是因为Ｆ１的颗粒粒度分布比较合理所　

致。根据前面的灰色关联分析，粒径在ｌＯ～２０　ｍ　

范围内的颗粒体积分数对胶砂力学性能的正面影　

响最大，而在所有细度的磨细粉煤灰中，Ｆ１所含　

该粒径范围内的颗粒最多。　

对相同水胶比的胶砂，采用不同细度的粉煤　

灰配制的胶砂，其力学性能的变化规律为：

先随比