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）

1 引言

在现代高性能混凝土中，常通过掺入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入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[1,2]，来诠释这种规律。

2 原材料与试验研究方法

2.1 主要原材料及其性质

（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）。

（2）粉煤灰

表1 花岗岩卵石研磨体级配

表2 粉煤灰的化学组成

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[3]：粉磨时可将一些空心球状颗粒和少量多孔碳粒粉碎，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[4]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。

其中，d50、d10、d90 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入的铁粉，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1，磨60 min 记为F1，磨90 min 记为F2，磨180 min 记为F3。

粉煤灰的化学组成见表2，试验用粉煤灰的物理性能见表3。

表3 粉煤灰的物理性能

本文采用Malvern 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，粉煤灰颗粒群粒度分布的频率分布见表5。

表4 粉煤灰的粒度分布特征

表5 粉煤灰粒度分布

表6 胶砂性能与粉煤灰粒度分布的灰色关联度

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 µm的颗粒逐渐增多；直径10～20µm的颗粒，开始磨细时数量增多，而后逐渐减少；20～100 µm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 µm的颗粒反而逐渐增多。

（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。

（4）水

拌合和养护用水均采用自来水。

2.2 试验研究方法

（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-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。

（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-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。

3 粉煤灰与复合胶凝材料体系的关系研究

3.1 粉煤灰粒度分布与粉煤灰-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-水泥胶砂56d 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。

由表6 可以看出，粉煤灰中直径小于等于20µm 颗粒的体积分数均与胶砂性能成正关联，其中，10～20µm 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10µm 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 µm 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。

3.2 粉煤灰对复合胶凝材料体系流动度的影响

流动度比[7,8]是指在固定水胶比条件下，粉煤灰-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1：3；粉煤灰-水泥胶砂的水胶比为0.50，胶砂比为1：3，粉煤灰30%取代水泥，对以上4 种粉煤灰分别进行流动度测定，试验结果见表7。

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，粉煤灰的掺入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（表3）也基本吻合。

表7 胶砂流动度比

3.3 低水胶比时使用高效减水剂条件下胶砂的力学性能

通常，在混凝土中掺入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 胶砂的力学性能

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±5mm），其中，使用磨细灰F1 时，减水剂掺量最小，但对应的胶砂强度最高；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，掺入F1的胶砂56d 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10～20µm 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：先随比表面积增大，力学性能提高，之后，又随比表面积继续增大，力学性能反而降低。同时，胶砂的力学性能与水胶比有着重要的关联，随水胶比的减小其力学性能逐渐提高。

4 结论

（1）粉煤灰粒度分布明显影响其胶砂力学性能；分布在0～20 µm 粒径范围内的颗粒的体积分数与胶砂力学性能成正关联，说明这些颗粒对胶砂力学性能有积极的正面贡献，其中，尤以10～20 µm的颗粒对应的正关联度为最大；大于20 µm的颗粒的体积分数与胶砂性能成负关联，故对胶砂力学性能起削弱作用。所以，要提高胶凝材料体系的力学性能，就要着重提高10～20 µm 颗粒的含量，减小大于20 µm的颗粒的含量。

（2）在适当范围内(比表面积不超过600 m2/kg)，增加粉煤灰的细度可以提高胶凝材料体系的流动性；但是，当掺入比表面积大于600 m2/kg的粉煤灰时，粉煤灰中会产生颗粒团聚效应，导致对流动性的改善效果逐渐变差。

（3）在胶凝材料体系中掺粉煤灰时，应使用高效减水剂；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；随水胶比的减小，减水剂用量也要增大以满足流动性的要求。随水胶比的降低，胶砂强度呈增高趋势。

[1]张永娟，张雄，周钟鸣.矿渣微粉掺量及其与水泥颗粒群分布的匹配[J].建筑材料学报，2003，6(3)：296-300.

[2]郝文霞，张雄.粉煤灰颗粒群特征及其水泥胶砂性能的关系[J].建筑材料学报，2005，8(3)∶244-249.

[3]王晓钧.粉煤灰机械研磨中物理与机械力化学现象的研究[D].南京：南京工业大学博士学位论文，2003.

[4]李凤生.超细粉体技术[M].北京：国防工业出版社，2000.

[5]傅立.灰色系统理论及其应用.北京：科学技术文献出版社，1992.

[6]刘思峰.灰色系统理论及其应用[M].北京：科学出版社，2004.

[7]Powers,T C.Void Spacing as a Basis for Producing Air-entrained Concrete[J].ACI Journal,1954,50∶ 741-760.

[8]姚燕，王玲，田培.高性能混凝土[M].北京：化学工业出版社，2006