機械活化粉煤灰對混凝土工作性能和力學性能的影響

王 晨

（遼寧地質工程職業學院，遼寧 丹東 118000）

粉煤灰是我國高速發展工業生產過程中產生的大量廢渣，隨處堆積的粉煤灰缺乏科學有效的處置方法，產生大量灰塵，污染周邊生態環境。我國每年粉煤灰產量已經超過5×1010t，然而非有效利用率高達70%以上。大摻量粉煤灰混凝土利用廢渣粉煤灰中潛在的活性成分，可以節省水泥用量，綠色環保，能較大幅度降低混凝土工程的造價成本，解決堆放粉煤灰占用大量土地的難題。

目前，科研人員對粉煤灰的研究主要是分析其摻量變化，或是分析通過化學方法把粉煤灰進行活化后對混凝土的影響，利用機械化學法對粉煤灰進行機械活化的研究相對匱乏。本文通過對粉煤灰進行不同時長的機械活化，研究大摻量粉煤灰對混凝土主要工作性能和力學性能的影響，改善大摻量粉煤灰混凝土工作性能，提高其實際應用價值。

1 試驗

本試驗采用遼寧省丹東市某熱電廠Ⅱ級粉煤灰（其成分分析見表1），其主要化學成分是SiO2和Al2O3，這兩種組分的含量占比達到87.6%，這些活性硅鋁成分多數以無定型態存在于粉煤灰中，可促使粉煤灰反應生成水硬性產物。

表1 粉煤灰的化學成分

本實驗采用俄羅斯高能球磨機AGO-‖，球料比設定為20∶1，球磨的時間設定為0min、5min、10min、15min和20min。利用球磨機對粉煤灰進行機械活化，記作H0、H5、H10、H15、H20。采用等量取代法以40%的比例等質量替代混凝土中的水泥，以C40混凝土的基準配合比為基礎。本試驗以不同機械活化時長的粉煤灰等質量代替水泥，對混凝土拌合物工作性能進行試驗分析，通過坍落度試驗測定混凝土拌合物的坍落度和擴展度，評定其流動性，通過直觀經驗法評定其粘聚性、保水性，根據試驗結果分析不同機械活化時間的粉煤灰對混凝土拌合物工作性能的影響，綜合評價機械活化粉煤灰混凝土的工作性能。分析40%摻量粉煤灰不同機械活化時長對混凝土立方體抗壓強度的影響。

2 結果與討論

2.1 對混凝土工作性能的影響

本試驗測試了不同機械活化時長的粉煤灰以40%等質量替代水泥的機械活化粉煤灰混凝土的初盤0min坍落度、30min坍落度、60min坍落度和坍落擴展度，分別對混凝土的保水性和粘聚性進行觀察評定，試驗結果詳見表2。

表2 機械活化粉煤灰混凝土和易性實驗結果

采用機械活化時長分別為0min、5min、10min、15min和20min的粉煤灰，分別以40%的摻量等質量替代混凝土中的水泥，測得機械活化粉煤灰混凝土試件的塌落度變化如圖1所示。

圖1 摻入不同機械活化時長粉煤灰對混凝土坍落度影響曲線

由表2中的試驗數據和圖1的坍落度變化曲線得知，采用不同機械活化時長的粉煤灰以40%摻量等質量替換水泥，制備機械活化粉煤灰混凝土的坍落度得到明顯改善，摻入不同機械活化時長的粉煤灰，機械活化粉煤灰混凝土的坍落度均大于基準混凝土。摻入不同機械活化時長粉煤灰的混凝土試件，坍落度無明顯的差值變化，其經時的坍落度損失均呈現合理的影響曲線，經時損失后的數值均在正常范圍內。因此，不同機械活化時長的粉煤灰摻入混凝土的坍落度沒有明顯變化。

根據表2的試驗數據可知，不同機械活化時長的粉煤灰對混凝土的保水性、粘聚性表現良好，均未產生離析泌水現象。這是由于粉煤灰的密度相對水泥較小，膠凝材料的體積變大，需水量會有所上升。經過機械活化的粉煤灰顆粒變小，與水接觸的表面積增大，能更有效填補混凝土中的孔隙結構。所有混凝土試件均表現出很好的粘聚性，表明機械活化粉煤灰對于減少泌水現象的發生效果更好。

2.2 對混凝土力學性能的影響

表3 機械活化粉煤灰混凝土立方體抗壓強度試驗設計

根據試驗方案確定不同機械活化時間0min、5min、10min、15min和20min的粉煤灰分別按摻量40%制作成5組（Ⅰ組、Ⅱ組、Ⅲ組、Ⅳ組、Ⅴ組）試塊，按照試驗的要求與目的測試7d、28d的抗壓強度（見表3）。取3個試件測得數據的平均值計算每組試件的強度值，故每組制作6個試件，共30個試塊。

不同機械活化時長的粉煤灰按40%摻量取代等質量水泥制備的機械活化粉煤灰混凝土，測其7d和28d混凝土抗壓強度值如表4所示。

表4 機械活化粉煤灰混凝土立方體抗壓強度實驗結果

不同機械活化時長的粉煤灰對混凝土立方體抗壓強度的影響分析，根據混凝土立方體抗壓強度的實驗數據見表4，可得到摻加不同機械活化時長粉煤灰的混凝土隨著期齡增長的變化曲線（見圖2）。

圖2 粉煤灰活化前后對混凝土強度的影響

機械活化后粉煤灰加入混凝土后強度明顯上升，尤其是H10機械活化10min的粉煤灰，7d強度相比未經活化的粉煤灰混凝土增加15%，28d強度相比未經活化的粉煤灰混凝土增加20%。但隨著機械活化時間不斷增加，顆粒之間反而出現二次團聚現象，致使比表面積下降，直接參與反應的面積減少，強度有所降低但仍比未活化時強度高。

機械活化后的粉煤灰增加了粉煤灰的顆粒細度和反應面積，能更有效地參與水化反應，并有效填充混凝土中的孔隙，提升混凝土立方體抗壓強度。隨著期齡的增加，機械活化10min的粉煤灰混凝土28d相對于7d的立方體抗壓強度提升最為明顯。

由此可知，粉煤灰機械活化的時長對其摻入混凝土后的立方體試件抗壓強度具有非常顯著的影響，但從本次實驗中得知機械活化粉煤灰混凝土立方體抗壓強度并不是隨著粉煤灰機械活化的時間增長而增強。粉煤灰機械活化時間過長，導致粉煤灰出現的團聚現象會使粉煤灰產生團聚形成緊實的顆粒，從而降低粉煤灰參與水化反應的面積，使粉煤灰不能有效填充混凝土中的孔隙。

3 結論

機械活化后的粉煤灰摻入混凝土后，坍落度得到改善，均大于基準混凝土。不同機械活化時長的粉煤灰摻入混凝土的坍落度沒有明顯變化。機械活化后的粉煤灰均能提高混凝土的抗壓強度，其中機械活化10min的粉煤灰對混凝土的抗壓強度影響最大；0～10min增加活化時間，混凝土抗壓強度增加；活化10min后的粉煤灰，繼續增加活化時間混凝土抗壓強度將不再增加。