粉煤灰作为预拌混凝土的常用材料之一，尽管酸溶性能不突出，但经过超细加工后，性能会发生特定改变，被运用到混凝土的预拌中，可以大大提升混凝土自身的强度和韧性。在开展混凝土预拌作业前，相关技术人员需通过试验确定粉煤灰材料的基础性能和实际掺量。对此，本文通过实验的方式，详细分析了不同细度粉煤灰在混凝土中对水泥性能的影响，具体体现在粉煤灰的粒径分布、颗粒形貌、抗压强度、微观结构等方面，希望能为今后相关研究提供参考。
01
粉煤灰的粗细
一级粉煤灰细度是指45μm方孔筛筛余量≤12%；二级粉煤灰要求45μm方孔筛筛余量≤25%；三级粉煤灰要求45μm方孔筛筛余量≤45%。
超细粉煤灰并非一级粉煤灰，超细粉煤灰的比表面积为700～1000m 2 /kg。超细粉煤灰无法精确定义，但一般来讲，如果把超细粉煤灰和一级粉煤灰对比，必须比一级粉煤灰细5～10倍，达到一个量级，才能独立称为超细粉煤灰。通常，超细粉煤灰精细沉珠的粒径D 50 ＜2μm，D 95 ＜10μm，由于其连续粒径分布、球状，因此可以优化混凝土或水泥的级配，改善砂浆和水泥的流变性，降低黏度，增加密实度，提高防腐能力，广泛应用于超高性能混凝土中。
02
粉煤灰结构
2.1粉煤灰的粒径分布
不同时间段研磨的粉煤灰，其粒径大小分布状况也大不相同。
未经研磨的粉煤灰FA1粒径，其分布曲线范围呈广泛状态并含有大量颗粒状。而与FA1相比较，细化处理完的粉煤灰粒径，其分布范围明显变窄。且随着研磨时间的延长，粉煤灰的粒径分布曲线也逐渐向左移动，其中值粒径（d 50 ）也呈变小（FA2、FA3、FA4分别为8.2μm、4.5μm、2.4μm）的状态，与正态分布状态接近。由此得出，借助专业设备处理后，含有大粒径的粉煤灰颗粒被彻底打碎，小粒径的粉煤灰颗粒则存在于机械设备中，整个粉碎过程并没有发生明显变化。
2.2粉煤灰的颗粒形貌
研磨后，技术人员借助专业设备对研磨不同时间段的粉煤灰颗粒的形状和样貌予以观察和记录 [1] 。
观察发现，粉煤灰颗粒的变化随研磨时间延长发生不同程度的变化，该结果与上述粉煤灰粒径分布研究结果一致，且研磨后的FA1已成为规则大小不一的圆形颗粒，表面光滑亮丽。而经过再次研磨的FA2，其大颗粒均被粉碎且形状为不规则的棱形，虽然还存在少部分原来状态的粉煤灰，但在再次延长研磨时间后，FA3中所含的大颗粒也全部被粉碎，呈表面粗糙的小颗粒状态，圆形颗粒减少。由此可知，研磨加工作业可改变初始粉煤灰中颗粒的形状和样貌，研磨时间越长，颗粒表面的缺陷就越大，这非常不利于水泥浆体和易性的保持。
2.3抗压强度测试
在对粉煤灰-水泥复合胶凝材料的抗压强度测试中，技术人员以抽样的方式对其展开研磨细化处置。
掺加粉煤灰的试样，其3d抗压强度明显降低。这一现象发生的原因，是一种称作稀释效应的物理结果。与上述PCFA1试样对比，掺超细粉煤灰的水泥复合胶凝材料的抗压强度提高，但提高的幅度不是特别明显。这也说明掺入粉煤灰的粒径减小的同时，填充效应和晶核效应对浆体的影响会随之增大。且掺入的粉煤灰可引入大量的细小颗粒，用以填充研磨过程中出现的孔隙，同时在机械设备操作过程中，粉煤灰的颗粒表面开始由细变糙，在提升水化产物和粉煤灰颗粒之间结合能力的同时，颗粒表面的活性也被大大增加，力学性能得到进一步提升。
此外，在以28d为时长的条件下，所测的4种试样所展现的抗压强度也明显不同。随着研磨时间的延长，粉煤灰的颗粒粒径呈现变小现象，同时其抗压强度也随之增强。技术人员还以90d的龄期对上述4种试样做了相关测试，得到的结果与28d龄期条件下的结果几乎类似。由此可知，利用研磨细化这种方法，可有效增强粉煤灰的化学反应活性，该性能也会随着研磨时间产生不同程度的抗压能力提升。鉴于粉煤灰自身携带的火山灰化学效应，在其SiO 2 与水泥水化生成的Ca(OH) 2 发生化学反应时，会自动生成水化硅酸钙等凝胶物，此时便可将该凝胶物填充在原有的孔隙中，以拉升粉煤灰的密度，从而达到降低硬化浆体孔隙率的目的。
2.4微观结构
在测试的4种试样中，只有PCFA1试样的球形颗粒没有任何反应，且保留其自身原有的表面特征，即大粒径的颗粒被初始的水泥水化产物所包裹。相较于PCFA1试样，PCFA2试样则具备更紧密的表面结构，该试样表面还存在没有被化学反应过的非晶态微球及部分被反应过的颗粒，并已被不规则的基质包裹。由此微观分析得出，超细化研磨方法，可以很好提升粉煤灰颗粒的反应活性，从而达到浆体密结的结果，由此增加粉煤灰的抗压强度。
2.5孔结构
除上述几种测试方法，技术人员为直接证明研磨工艺对粉煤灰的水泥复合胶凝材料结构有利，对粉煤灰的孔径分布也展开了分析。根据分析得出，粉煤灰的凝胶材料孔隙大小一般分为3种类型，尺寸在0.01～100μm。在测试的4种样式中，几乎不存在较大的毛细孔，存在最多的为凝胶孔和中毛细孔类型。PCFA1粉煤灰的反应活性较低，存在于该试样中的孔隙类型也只有中毛细孔和少量凝胶孔2种。试样PCFA2及PCFA3、PCFA4的孔隙类型也各不相同，PCFA2体积明显减小，凝胶孔和中毛细孔之间分布几乎一样，PCFA3和PCFA4的内部存在非常细的孔隙结构，导致这一现象发生的原因为研磨细化过程中，被活化的粉煤灰颗粒的填充作用和水产生了一定的化学反应。
03
粉煤灰浆体的制备及配合比
由于粉煤灰属废弃物料，因此在混凝土预拌的使用中不可直接掺和使用 [2-4] ，需借助专业搅拌设备对其进行研磨细化加工 [5] ，并参照实验参数进行粉煤灰浆体的制备，即：水+粉煤灰加浆料+研磨介质的比例分别为0.5和0.9，并将研磨机的转速控制在400r/min，便于保持制成浆体的和易性。此外，划分3个时间段，以20min（FA2）、40min（FA3）、60min（FA4）为时间段标准，对粉煤灰浆体的混合液进行分时段研磨处理。
作为粉煤灰浆体制备的关键工序，配合比的实验参数确定尤为重要。超细粉煤灰的配合比见表1。在借助搅拌设备配制过程中，技术人员需按照比例将制备成功的粉煤灰浆体，以浇筑的方式注入到指定的钢模内，并在持续振动60s后，将其放置在温度为20℃的湿润环境中展开相关养护工作，待其脱模后方可存放。
04
不同细度和掺量的粉煤灰对水泥性能的影响
4.1不同掺量粗、细粉煤灰与水泥用量的关系
具体实验数据见表2，从表2可以看出：P·O42.5R水泥随着粗粉煤灰掺量的增加，水泥的用水量上升，呈现出正比关系；掺入细粉煤灰的水泥用水量则无明显变化。
4.2不同掺量粗、细粉煤灰与凝结时间的关系
从表2可以看出：P·O42.5R水泥中加入粗、细两种粉煤灰后，当掺量达到15%左右时，两者的凝结时间出现第一个高峰，终凝分别是263min和277min，之后随着掺量的增加，凝结时间明显延长，当掺入量为30%时，终凝达到303min；掺入细粉煤灰的水泥，凝结时间变化不大，有的还出现下降趋势，当掺入量为30%时终凝达到266min，与掺量为15%时的凝结时间相比有所缩短。
4.3不同掺量粗、细粉煤灰与强度的关系
从表2可以看出：P·O42.5R水泥中掺入粗、细粉煤灰后，二者的强度发生了变化。掺入粗粉煤灰时，随着掺量的增加强度出现不同程度的下降，当粗粉煤灰的掺量为25%时，虽然强度满足P·C32.5水泥内控标准要求，但标准稠度用水量达到了30.20%，比同掺量下掺细粉煤灰的水泥标准稠度用水量高4.02%。当掺量达到30%时，28d抗压强度仅为34.9MPa，达不到P·C32.5水泥内控标准37.0MPa的要求。掺入细粉煤灰的水泥随着掺量的增加，强度也呈现下降趋势，但是没有掺粗粉煤灰的水泥下降大，当掺量为10%时，28d抗压强度值是52.2MPa，比试验所用P·O42.5R高出4.0MPa；当掺量为25%时，28d抗压强度仍有47.9MPa，除了混合材超出国家标准要求的范围外，其他各性能均达到P·O42.5R内控标准要求，只是掺加粉煤灰的水泥早期强度与P·O42.5R水泥相比偏低4MPa左右；当掺量为30%时，28d抗压强度仍有44.4MPa，超过了P·C32.5水泥内控标准要求；当细粉煤灰掺入量达到40%时，仍满足P·C32.5水泥内控标准要求。
4.4实验结果分析
综上所述，利用磨细粉煤灰生产P·O42.5R水泥时，可以使混合材在原基础上提高8%，标准稠度用水量与实验用的P·O42.5R水泥基本相同，凝结时间比试验用的P·O42.5R水泥延长70min左右（初、终凝基本相同），早期抗压强度下降约1MPa，28d抗压强度增加约4MPa，吨水泥生产成本将下降约6.4元（根据预算成本熟料165.5元/t，粉煤灰80元/t来计算：每提高1%混合材掺量，生产成本约降0.85元）；利用磨细粉煤灰生产P·C42.5水泥时，可以使混合材在原基础上提高18%，标准稠度用水量与试验用的P·O42.5R水泥略有增加，初、终凝时间分别延长60min和80min左右，早期强度下降约3MPa，28d强度增加2MPa，吨水泥生产成本下降15.3元；生产P·C32.5水泥时，可以使混合材在原基础上提高18%～25%，标准稠度用水量、强度与现生产的P·C32.5水泥基本相同，凝结时间将比现生产的P·C32.5水泥延长60min左右（初、终凝基本相同），吨水泥生产成本下降21.6～24.0元；而且磨细粉煤灰不入磨，直接进入选粉机，水泥粉磨综合电耗也有所下降，进一步降低水泥生产成本。利用粗粉煤灰只能生产P·C32.5水泥，混合材掺量在原基础上也只能提高10%左右，生产成本虽有所下降，但标准稠度用水量明显上升，不利于工程使用。
05
结束语
（1）被研磨处理后的粉煤灰，其粒径的分布状态和形式均发生一定的改变，且在不同的研磨时间段，其中值粒径存在逐渐减小现象且分布范围有所缩小，表面缺陷也更高。
（2）逐量加入超细粉煤灰，可明显提升粉煤灰-水泥复合胶凝材料的抗压强度。
（3）在复合凝胶材料中加入超细粉煤灰，可降低凝胶孔中的毛细孔体积，由此增加其孔隙率体积。
（4）在相关材料中加入超细粉煤灰，材料中的Ca(OH)2含量会减少，这也体现出超细粉煤灰颗粒的反应活性特征，且研磨时间越长，反应消耗的Ca(OH) 2 越多，火山灰活性也就越高。
（5）利用粗粉煤灰作混合材可以降低P·C32.5水泥生产成本，但效果不明显。
（6）利用细粉煤灰作混合材，能较大提高P·O42.5R水泥和P·O32.5水泥中混合材掺量，降低其生产成本，并可以增加P·C42.5R水泥新品种，提高公司经济效益。
(来源：中铁十六局集团物资贸易有限公司-陶首成）
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