不同掺量的磨细粉煤灰对水泥性能的影响研究

章慧兰 闫文学

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021;2.吴忠仪表有限责任公司，宁夏吴忠 751100)

粉煤灰是煤燃烧后的烟气中收集下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物。粉煤灰如果不加处理，就会产生大量扬尘，污染环境，其中的有毒化学物质对人体和生物产生极大危害。在混凝土中掺入适量的粉煤灰不仅可以保证混凝土的强度、耐久性，还可以显著改善混凝土的外观质量，降低工程造价，具有循环利用废物和节约水泥的双重作用，有广阔的发展空间和应用前景［1-4］。本试验就粉煤灰在不同球磨时间和不同掺量下水泥胶砂性能进行研究，以期找到最合适的粉煤灰添加量，为工程实际应用提供基础。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥:国内某水泥厂P.O42.5级水泥。

粉煤灰:国内某电厂粉煤灰，其化学组成见表1。

表1 粉煤灰化学组成 %

1.2 试验方法

为了比较不同球磨时间的粉煤灰对水泥胶砂性能的影响，将粉煤灰在球磨机里分别研磨0 min，10 min和20 min，并分别进行编号F0，F10和F20。不同球磨时间的粉煤灰的筛余见表2。

表2 不同球磨时间的粉煤灰筛余 %

将不同球磨时间的粉煤灰按照不同掺加量掺入同一种标号的水泥熟料中，成型后在恒温恒湿箱中养护至规定龄期，分别进行安定性检测和抗压强度测试，安定性测定GB/T 1346-2001水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法的雷氏夹，抗拉强度测试采用GT/B 17671-1999水泥胶砂强度检验方法。

2 结果与讨论

2.1 粉煤灰球磨时间对水泥安定性的影响

分别将球磨时间0 min，10 min，20 min的两种粉煤灰按照不同掺量进行浆料的安定性试验。试饼全部合格，雷氏夹结果见表3。

表3 不同掺量的粉煤灰水泥雷氏值

由表3可以看出，随着粉煤灰的添加，雷氏值发生一定增加;随着粉煤灰球磨时间的增加，对安定性影响相应减小。

这项试验表明，在水泥中添加粉煤灰时，粉煤灰球磨时间和掺量对水泥安定性具有一定影响。水泥中游离CaO引起的膨胀是水泥安定性不良的主要原因，如果水泥里的游离CaO集中，就会引起水泥硬化后产生不均匀的体积变化，即为体积安定性不良。粉煤灰经过球磨后可以减少游离CaO的粒度，增大游离CaO在水泥浆体中的分散程度，同时粉煤灰经过球磨后细度增加，有利于浆体吸收生成的Ca(OH)2。当掺量为30%时，粉煤灰球磨时间为10 min对应的水泥雷氏值为2 mm，粉煤灰球磨时间为20 min对应的水泥雷氏值为1 mm。因此，当在水泥中添加粉煤灰时，增加粉煤灰的球磨时间，也就是增加粉煤灰的细度，有利于改善水泥浆料安定性。

2.2 粉煤灰球磨时间对水泥凝结时间的影响

图1 不同掺量的粉煤灰水泥的初凝时间

图2 不同掺量的粉煤灰水泥的终凝时间

由图1和图2可以看出，随着粉煤灰掺加量的增加，初凝时间和终凝时间都相应增加。在相同掺量的情况下，随着粉煤灰球磨时间的增加，水泥初凝时间和终凝时间都相应减少。

由图1和图2可以看出，粉煤灰掺量越大，水泥的凝结时间越长。其原因是粉煤灰取代水泥进行配制浆体使浆体中水泥数量减少，水泥浆体的有效水灰比增大，减慢水泥的水化速率，水泥基体系形成空间网络结构的速度也相应减慢，表现为初凝时间和终凝时间相应延长。在相同掺量的情况下，随着粉煤灰球磨时间的增加，水泥初凝时间和终凝时间都相应减少。这是由于粉煤灰经过球磨，其颗粒被粉碎，结构缺陷数量相应增加，在破碎面上形成的不饱和键和断键数量增加，粉煤灰被磨细后的活性比原状粉煤灰的活性高［5］。当掺量为30%时，粉煤灰球磨时间为10 min对应的水泥初凝时间为175 min，终凝时间为200 min;粉煤灰球磨时间为20 min对应的水泥初凝时间147 min，终凝时间为172 min。

2.3 粉煤灰球磨时间对水泥强度的影响

粉煤灰掺加量对水泥不同龄期的抗压强度具有很大的影响。本试验对粉煤灰不同球磨时间和不同掺量对水泥强度发展的影响进行了工艺研究，结果见图3～图6。

图3 水泥3 d抗折强度与粉煤灰球磨时间的关系

图4 水泥28 d抗折强度与粉煤灰球磨时间的关系

图5 水泥3 d抗压强度与粉煤灰球磨时间的关系

由上图可以看出，与不添加粉煤灰的水泥相比，在水泥中添加未球磨的粉煤灰时，其抗折强度和抗压强度都有不同程度的下降;在水泥中添加球磨时间为10 min的粉煤灰时，其抗折强度和抗压强度有升有降;在水泥中添加球磨时间20 min的粉煤灰时，其抗折强度和抗压强度有不同程度的上升。未经球磨的粉煤灰影响水泥强度的原因在于［6］:粉煤灰颗粒结构比较密实，比表面积小，存在很多球形颗粒，吸水能力较弱。在早龄期，粉煤灰几乎不会发生火山灰反应。随着粉煤灰掺量的增加，水泥的抗折强度以及抗拉强度持续降低，如图5和图6所示。在晚龄期，由于粉煤灰的火山灰作用以及水泥熟料水化反应之间的相互促进作用，再加上粉煤灰的微集料反应，使得在掺量为20%的情况下，添加未经球磨粉煤灰的水泥的强度可以赶上不掺粉煤灰的水泥的强度;当掺量变大时，其强度则出现大幅度下降。粉煤灰经过10 min球磨后，掺量为20%时，水泥的3 d和28 d强度与不掺粉煤灰水泥的强度相差不大。粉煤灰经过20 min球磨后，掺量为20%时，水泥的3 d和28 d强度则超过不掺粉煤灰水泥的强度，当粉煤灰掺量升到30%时，水泥的强度则出现下降。这是由于粉煤灰经过球磨后，其颗粒被破碎，增加了粉煤灰颗粒的活性点，增大了其活性和水化速率，可以充分发挥粉煤灰的火山灰作用，再与水泥熟料的水化反应共同作用，增强水泥的强度。因此，在水泥中添加粉煤灰时，以粉煤灰球磨20 min、掺量为20% ～30%为宜。

图6 水泥28 d抗压强度与粉煤灰球磨时间的关系

3 结语

1)加入粉煤灰对水泥安定性有一定影响。2)添加粉煤灰延长水泥的凝结时间。在相同掺量的情况下，添加的粉煤灰越细，水泥凝结时间越短。3)当粉煤灰球磨时间在20 min，掺加量在20%～30%时能够显著提高水泥的强度。

［1］ 刘爱新.粉煤灰混凝土的性能及其应用［J］.混凝土，2001(12):6-8.

［2］ 王云朝.粉煤灰对水泥混凝土性能的影响［J］.现代公路，2010(21):148-149.

［3］ Xu Aimin，Shondeep L Sarkar.Microstructural Study of Gypsum Activated Fly Ash Hydration in Cement Paste［J］.Cem Concr Res，1991(21):1137-1147.

［4］ FERNANDEZ JIMENEZ A，PALOMO A.Composition and microstructure of alkali activated fly ash binder;effect of the activator［J］.Cem.Concr.Res.，2005(35):1984-1992.

［5］ 黄 莹，谢友均.粉煤灰掺量及细度对水泥凝结时间的影响［J］.水泥，2003(12):4-6.

［6］ 田 卿，刘 丹.粉煤灰对混凝土的影响及其原因［J］.中国高新技术企业，2008(6):90-92.