颗粒级配对高掺量粉煤灰干混砂浆性能影响的研究

________________BULLETIN OF THE 2018 年 6 月报

CHINESE CERAMIC

盐通

Vol.37 No.6

SOCIETY_____________________June,2018

颗粒级配对高掺量粉煤灰干混砂浆性能影响的研究

王霞，卓锦德，季宏伟，董阳，李俏，王珂

(北京低碳清洁能源研究所，北

京

102209)

Andreasen方程计算粉体紧密堆积用于表征粉体颗粒的级配作用。通过研

究不同粒径粉煤灰对高粉煤灰掺量干混砂浆的性能影响，研究得出:颗粒太细的粉煤灰，会更加偏离原来的紧密堆

摘要:依据颗粒紧密堆积理论，一般采用

积状态，不但不能充分发挥其微观填充的补强作用，反而大大降低强度。因此，使用粉煤灰与水泥复合掺配时，特 别是高粉煤灰掺量，需要考虑颗粒与颗粒之间的相互补充作用，使胶凝材料的颗粒粒径分布更趋近于紧密堆积，从 而提高基体材料的密实度，保持较高干混砂浆性能。

关键词分级粉煤灰；干混砂浆；最紧密堆积理论；颗粒级配中图分类号：TU528

文献标识码:A

文章编号:1001-1625(2018)06-1877-04

:

Effect of the Particle Size Distribution on the Performance

of Dry-mixed Mortar with High Loading Fly Ash

WANG Xia, ZHUO Jin-de, JI Hong-wei, DONG Yang, LI Qiao, WANG Ke

(National Institute of Clean-and-Low Carbon Energy,Beijing 102209,China)

Abstract：Based on particle dense packing theory, the Andreasen equation is generally used to calculate

powder packing for evaluating the grading of powder particles. By studying the effect of the same fly ash with different particle sizes on the performance of high loading fly ash dry-mixed mortar, the result shows that the packing curve using ultrafine fly ash significantly deviates from the original dense packing state.This micro-filling cannot achieve the reinforcing effect but also greatly reduce the strength. Therefore, using fly ash to replace cement in dry-mixed mortar, particularly for high loading fly ash, the complementary role of all particles should be considered for the better dense packing to increase the density and maintain the performance of dry mortar.

Key words：separated fly ash；dry-mixed mortar；dense packing theory；particle size distribution

1

引言

随着我国经济环境走新型的工业化道路，大力发展节能、利废、环保建筑产品，提倡使用环境友好型建筑 材料。干混砂浆正是符合这些条件的新型建筑材料，受到政策的大力支持，率先得到发展和推广。干混砂浆 是由胶凝材料、矿物掺合料、细骨料、外加剂等固体材料组成，产品是一种高度无序、多相、多孔的非均质材 料，为了提高水泥基材料的结构密实性，长期以来科研人员十分注意粗细骨料的颗粒级配，使其合理搭配，互 相填充，达到空隙率最小的目的[1]。然而在干混粘结砂浆基础配方中普通硅酸盐水泥约占40%，40〜70目 水洗砂约占40.6%，70〜140目水洗砂约占17.4%，其中普硅水泥的粒径范围为0.2〜105 pm，颗粒粒径分 布在0.2〜20 pm约占55%;70〜14目超细砂的粒径分布在100〜650 pm，颗粒粒径分布在100〜300 pm约 占66% ;40〜70目的细砂的粒径分布在150〜1500 pm之间，颗粒粒径分布在300〜1500 pm占83%;干混 砂浆中颗粒粒径最大的是细砂，其中的最大颗粒粒径约为1500 |xm。依据最紧密堆积理论，Andreasen方程 计算得知:在干混砂浆中，细砂、超细砂、水泥粉体颗粒的粒径分布是不均勻的，不能够形成合理的级配，在堆 积状态下颗粒之间的空隙率很大，如图1。微观范围的粉体，即胶凝材料(水泥和粉煤灰)颗粒的级配问题也 非常重要，理论上微细颗粒的粉煤灰能够有效填充水泥凝胶体内部的微细空隙，提高制品的强度和耐久性。

基金项目：神华集团科技创新资助（ST930015SH03)

作者简介:王霞（1984-)，女，硕士，工程师.主要从事工业固体废弃物资源化利用研究工作.

1878 专题论文

硅酸盐通报

第37卷

但由于粉煤灰的粒径与其分布差异非常大，一般在特种干混砂浆，不敢任意添加粉煤灰，尤其是高掺量取代 水泥。本文就此方面进行研究，在高粉煤灰掺量下，通过对比不同粒径粉煤灰掺配后形成的粉体颗粒级配， 对紧密堆积与特种粘结干混砂浆性能的影响。

2填充作用机理分析

在干混砂浆中，粉体的堆积状态与胶凝材料硬化性质有着密切关系，胶凝材料中水泥与粉煤灰颗粒的良

好级配，以及微细粉煤灰的填充作用，可以使粉体实现紧密堆积状态。但由于影响胶凝材料空隙率的因素多 而复杂，对于粉煤灰的颗粒粒径分布及掺量并没有理想的模型可以确定，在实际工程中大都采用试验方法来 确定配方。本文借鉴Andreasen方程的结论，对分级粉煤灰的填充作用进行有益探索。

依据粉体紧密堆积理论，采用以下的Andreasen方程，可计算出粉体颗粒的最佳级配[2]。

Andreasen 方程：f/⑶=100 (/)//)[)71

式中：为与粒径D对应的颗粒的筛下量;久为体系中最大颗粒的粒径;^为与对应的颗粒尺寸;〃为

分布模数。

Andreasen根据其试验结构指出，各种分布的空隙率随方程中分布模数〃值的减小而下降，当降至n =

1/3时，粉体可以得到最大的密实度，而〃值继续降低是没有意义的[3_6]。

依据粉体最紧密堆积理论，采用Andreasen方程，计算出干混砂浆物料中粉体的最佳级配（以〃 =1/3，1500 pm为/),)及与实际干混粘结砂浆基础配方进行 对比，如图1所示。最紧密堆积的要求粉体中小于20

pm的颗粒（A-B区）占到25%。砂浆只有水泥有20 pm以下的颗粒，但无法达到25%要求。因此，水泥颗

粒在0.2〜20 pm之间填充性并不好。最紧密堆积也 要求粉体100〜300 pm的颗粒(C-D区）占到2〇%，而 300 pm以上的颗粒(D-E区）占到40%。可见实际配 方中，70〜140目超细砂量过少而40〜70目细砂量过 多，造成粗颗粒之间有很多间隙。因此，可以使用特定 粒径分布的粉煤灰高掺量地取代水泥，填补水泥粉体

与超细砂中不足够的细颗粒之间的间隙，同时满足性能的要求。

从图1中可以看出，依据粉体紧密堆积理论，采用Andreasen方程计算，理想的最紧密堆积曲线theory 与实际的干混粘结砂浆配方Control曲线仍然有相当大的差别，在横坐标（颗粒粒径）A和B(0. 2〜20 pm) 之间，theory曲线的位于Control曲线之上，说明最紧密对比粉体在这一粒径区间内颗粒的百分含量大于

Control配方粉体;B和C(20〜100 pm)之间两条曲线较吻合;在横坐标(颗粒粒径）C和D( 100〜300 pm)之

Fig. 1 Comparison diagram betweendense packing

theory and Control powder accumulation

间，theory曲线的位于Control曲线之上，说明最紧密对比粉体在这一粒径区间内颗粒的百分含量大于

Control配方粉体;在横坐标(颗粒粒径）D和E(300〜1000 pm)之间，Control曲线的位于theory曲线之上，说

明最紧密对比粉体在这一粒径区间内颗粒的百分含量小于Control配方粉体。由此分析得知，要想达到最紧 密堆积理论，需要在横坐标(颗粒粒径)A-B(0.2〜20 pm)之间和C-D(100〜300 pm)之间搭配一些细粉体， 或D-E(300〜1000 pm)之间适当减少一些粗粉体的含量。粉煤灰的粒径分布通常在0.2〜300 pm，用于取 代水泥时，可根据其不同粒径填补A-B(0.2〜20 pm)之间或C-D(100〜300 pm)之间与理论值的差距。

3实验

1)分级粉煤灰:以粉煤灰〇(原灰，普通二级粉煤灰)分选出2种粒径更小的粉煤灰，分别为粉煤灰1、粉

3.1原材料煤灰2,如下：

粉煤灰〇:密度为:2.27 g/cm3，/^。=1.51 ^jLm，Z)5。=25.8 Km，Z)9。=73.88 pm;粉煤灰 1:密度为:2. 34 g/cm3，/^。=1.55 ^jLm，Z)5。=15.0 Km，Z)9。=71.98 pm;粉煤灰 2:密度为:2.55 g/cm3，Z}1() =0.77 jjim，Z)5。=2.75 jjim，Z)9。=6.05 jjim;

第6期王霞等:颗粒级配对高掺量粉煤灰干混砂浆性能影响的研究

1879

2) 可再分散乳胶粉:市售常用的醋酸乙烯与乙烯共聚的EVA胶粉；3) 木质纤维:J. RETTENMAIER & SOHNE，Made in Germany;

4) 普通硅酸盐水泥:P • 0 42.5普通硅酸盐水泥，唐山冀东水泥股份有限公司；5)

水洗砂：40〜70目和70〜140目两种规格;二者以质量比为2. 0:1〜2.5:1的比例进行级配，北京亮

丽星光商贸中心；6) 纤维素醚（HPMC) :Samsung PMC40US。3.2设备

1) 搅拌机:JJ-5型，无锡建仪仪器机械有限公司；2) 万能试验机:型号CMT4000，美特斯工业集团；3)

水泥混凝土标准养护箱:型号HBY40A型，有效容积0.4 m3,65 cmx50 cmxl30 cm,无锡建仪仪器

机械有限公司。3.3测试条件

实验室环境:温度为(20 ±2) 1，湿度为（50 ± 10)% ;实验所用的原材料、成型模具等均需要在实验室 标准环境下存放24 h以上。

养护条件:温度为(20 ±2) 1，湿度为(50 ±10)%。

测试条件：原强测试(14 d)是，在标准养护条件下养护14 d龄期后进行测试；

耐水粘结强度测试(14 + 7) d，在标准养护条件下养护14 d，然后浸水7 d，晾干后进行测试。3.4测试方法

依据JG/T 149-2003《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》标准进行测试。

JG/T 149-2003《膨胀聚苯板薄抹灰外墙外保温系统》标准中规定胶粘剂性能如表1所示。

表1胶粘剂性能指标

Tab. 1 Adhesive performance indicators

Items

Adhesive strength (14 d) Tensile adhesive strength, MPa ^

(With cement mortar)Water-resistant strength (14 + 7) d

Adhesive strength (14 d) Tensile adhesive strength, MPa ^

(With EPS board)Water-resistant strength (14 + 7) d

Operable time/h

Indicators0.600.40

0. 10，Destruction of the interface on EPS board 0. 10，Destruction of the interface on EPS board

1.54.0

4结果与讨论

设计高粉煤灰掺量的粘结砂浆试验，干粉料的总质量1000 g，其中胶凝材料总量为400 g，粉煤灰分别

4.1不同粒径粉煤灰对高粉煤灰掺量干混粘结砂浆的粘结性能影响

占胶凝材料用量的70% ;砂子总量580 g，外加剂（木质纤维、纤维素醚及可再分散乳胶粉）总量20 g。具体 性能对比见表2所示，包括Control(配比中未掺粉煤灰)与标准要求。

表2

不同粒径粉煤灰对干混粘结砂浆的粘结强度性能测试表

Tab. 2 Results for adhesive strength of dry-mixed mortar with different particle size fly ash

Items

Fly ash type

Standard requirement

Control

Fly ash 0Experiment 1Experiment 2Experiment 3

Fly ash 1Fly ash 2

Adhesive strength (14 d) /MPa

With EPS boardWith cement mortar

多0.1多0.60.12 ±0.020.61 ±0.100.10 ±0.010.60 ±0.050.11 ±0.010.08 ±0.01

0.88 ±0.100.54 ±0.06

Water-resistantstrength ( 14 + 7 ) d/MPa

With cement mortarWith EPS board

多0.4多0.1

0.12 ±0.010.75 ±0.13

0.54 ±0.120.10 ±0.010.11 ±0.010.05 ±0.00

0.54 ±0.080.55 ±0.11

通过表中可以看出，当粉煤灰取代70%水泥时，不同粒径的粉煤灰对粘结砂浆的性能影响差异性较大，

从14 d原强来看，粉煤灰2(/)5。=2.75 pm)，14 d与EPS板的粘结强度仅为(0.08 ±0.01) MPa,与砂浆块的 粘结强度为(0.54 ±0.06) MPa,均未满足标准值要求;其余两种粉煤灰均满足标准值要求。从(14+7) 水测试结果来看，粉煤灰2(/)5。=2.75 pm)与

d耐

EPS板的耐水粘结强度为（0.05 ±0.00) MPa;低于标准值要

1880 专题论文

硅酸盐通报

第37卷

求;其余两种粉煤灰均满足标准值要求。数据显示粒径太小的粉煤灰(粉煤灰2)是不适合取代水泥。4.2采用最紧密堆积理论对干混砂浆进行分析计算

在实际的干混粘结砂浆基础配方中（Control)整体颗粒粒径分布在0. 2〜20 jjim约占22% (由水泥提 供），颗粒粒径分布在20〜300 pm约占45% (由水泥与超细砂提供）而颗粒粒径分布在300 pm以上约占 33% (由超细砂与细砂提供）。一般粉煤灰的粒径范围为0. 2〜300評可影响A-B(0. 2〜20 pm)、B-C(20 〜100 pm)或C-D(100〜300 pm)之间颗粒堆积。以下探讨不同细度粉煤灰在干混砂浆体系中取代水泥对 整个粉体颗粒的紧密堆积影响。

0oi

l 9o 8 o

%/3ga.6oI94

? o.6 o5 4o

3o. 2o 1 o

0,1

图2

1

Partical size/fxm

10 100 1000 0.1

图3与

o

1

Partical size/gm

K) H)0 1000

紧密堆积理论、粉煤灰0、粉煤灰1 与

紧密堆积理论、粉煤灰2

Control粉体堆积对比图

Fig. 2 Dense packing theory, fly ash 0, fly ash 1 and Control powder accumulation comparison diagramControl粉体堆积对比图

Fig. 3 Dense packing theory, fly ash 2 and Control

powder accumulation comparison diagram

从图2可以看出，采用这两种粒径的粉煤灰(Z)5。分别为25. 8和15 pin)取代70%水泥后，可使水泥基体 系在C-D之间更接近最紧密堆积状态，粉料中的总空隙率降低，体现为水泥基试样的各项宏观物理性能指 标均较为理想，各龄期粘结拉拔强度发展较为理想(试验测试结果见表2)。

从图3可以看出，使用粒径更细的粉煤灰2(/)5。=2. 75評）取代70%水泥，是使A-B之间的曲线更偏 离原来的紧密堆积状态，解释了使用比较细的粉煤灰，并没有形成适当的级配掺入到干混砂浆中后，不但不 能充分发挥其微观填充的补强作用，反而大大降低强度。

5结论

依据粉体紧密堆积理论，采用

际配方

Control曲线仍有差距。因此在满足标准要求下，可以掺入粒径品质一致的粉煤灰取代水泥，改善胶

Andreasen方程计算，理想的最紧密堆积曲线theory与干混粘结砂浆的实

凝材料颗粒级配的作用，降低成本，提高粉煤灰利用价值。通过试验证明，太细的粉煤灰不适合在干混砂浆 中高掺量地取代水泥，因为会更加偏离原来的紧密堆积状态，不但不能充分发挥其微观填充的补强作用，反 而大大降低强度，无法满足标准强度的要求。但适当粒径的粉煤灰取代70%水泥，由于颗粒之间较致密的 堆积，还能满足标准强度的要求。因此，使用粉煤灰与水泥复合掺配时，需要考虑颗粒之间相互补充，使胶凝 材料颗粒的粒径分布更接近紧密堆积，从而提高基体的密实度，保持较高粘结强度。

参考文献

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