利用粉煤灰改善混凝土力学性能：粉煤灰与超细矿物外加剂的阶段性作用

《Advances in Materials Science and Engineering》：Using Fly Ash to Improve the Mechanical Properties of Concrete: The Staged Action of Fly Ash and Ultrafine Mineral Admixtures

　　

粉煤灰是一种能够减轻环境足迹的建筑材料。然而在燃煤电厂中，由于煤质不均及气流分级系统欠佳，粗灰往往无法满足Ⅰ级（Class I）规范要求。本研究引入一种新颖的阶段性作用（staged-action）方法，将高性能粉煤灰与超细矿物外加剂（ultrafine mineral admixtures）相结合，克服了传统粉煤灰利用的局限性，实现了混凝土的力学增强。该方法可解决煤质不均、风选系统效率低以及现有标准下粉煤灰无法最优发挥性能等问题。研究结果表明，在混凝土中掺入20%高性能Ⅰ级粉煤灰可获得最佳性能。此外，添加超细粉煤灰（ultrafine fly ash）显著提高了水泥净浆的28天抗压强度，两种相应配合比分别记录了15.3%和12.7%的增长。另外，超细复合矿物外加剂（ultrafine composite mineral admixture）通过优化颗粒级配（particle gradation），改善了胶凝混合物的流变（rheological）与力学性能。本研究为粉煤灰的绿色多元化利用提供了重要的理论基础与实践指导，对推进固体废弃物资源化利用及建材行业绿色发展具有积极贡献。

论文《Using Fly Ash to Improve the Mechanical Properties of Concrete: The Staged Action of Fly Ash and Ultrafine Mineral Admixtures》发表在《Advances in Materials Science and Engineering》。全球建筑业面临降低碳足迹与提升基础设施韧性的双重挑战，大量粉煤灰填埋处置引发水土污染，制约工业经济高价值发展。中国近年出台政策鼓励以工业固体废弃物如矿渣、粉煤灰为主原料生产超细粉替代传统外加剂。粉煤灰具形态效应、火山灰效应（pozzolanic effect）与微集料效应（microaggregate effect），可依国标GB/T1596-2017分为Ⅲ级，但实际生产中因煤种多样、脱硫工艺、风选系统效率及超细灰加工设备等因素，多数燃煤电厂粉煤灰需水量比高于100%、45微米筛余大于50%，难达Ⅰ级灰最低要求。现行研磨工艺虽能使细度达标，却常致需水量过高；碱激发（alkali-activated）存在成本高、腐蚀、动力学多变及耐久性隐患；单纯超细粉磨增表面积与活性但同时增需水量、减水剂用量及能耗，且多数研究侧重单一性能而牺牲其他指标。为此，研究人员提出阶段性作用方法论，依次发挥高性能Ⅰ级粉煤灰、超细粉煤灰及超细复合矿物外加剂优势，解耦并优化经济效益、工作性、早龄性能与长期强度发展目标，构建将粉煤灰从处置难题转化为高性能多功能混凝土组分的机理框架与实践路径。

为开展研究，研究人员选取粗骨料为最大粒径20毫米碎石花岗岩、细骨料为天然砂以保证连续适宜粒径分布，细骨料细度模数2.8、粗骨料表观密度2650 kg/m³、吸水率细骨料1.0%与粗骨料0.8%，拌合用水为自来水；超细复合矿物外加剂原料含矿渣粉、粉煤灰、石灰石粉、炉底渣等工业废渣，粉煤灰含量超50%经超细粉磨制得；测试涵盖高效减水剂（superplasticizer）用量、随时间工作性损失（slump loss）及抗压强度，采用150 mm立方体试模分层振实成型，20°C±2°C、相对湿度超95%养护24小时脱模，压力试验机精度±1%、加载速率0.5–0.8 MPa/s，各数据点取同条件下至少三个平行样均值并以95%置信区间特征强度法计算；另对OPC（Ordinary Portland Cement，普通硅酸盐水泥）42.5及P·II 52.5R水泥开展超细粉煤灰替代试验，设计C30与C50混凝土配合比，固定水胶比与砂率，对比基准与替代组坍落度及各龄期抗压强度；选取HX、HL、WW、HS四种OPC 42.5水泥（分别对应辊压机半终磨、辊压机联合粉磨、开路粉磨工艺），掺入18%超细粉进行粒径分布、性能及各龄期强度对比测试，结合Tsivilis理论与Fuller最大密度理论分析颗粒级配优化效果。

1. Introduction

研究人员阐述粉煤灰三大效应及国标分级现状，指出现有粗灰难达Ⅰ级指标、研磨致需水量过高、碱激发与超细粉磨局限，提出阶段性作用策略以整合不同处理优势并规避缺陷，确立研究目标为提供机理支撑与实践可行框架。

2. Materials and Methods

2.1. Effect of Class I Fly Ash on the Mixing of Concrete Water-Reducing Agent

研究人员在等量条件下对比高性能Ⅰ级灰、风选灰、Ⅱ级灰与纯水泥，发现高性能Ⅰ级灰减水效果最优；随粉煤灰掺量增至30%时减水剂用量最少，表明适量高性能Ⅰ级灰可改善相容性并降低减水剂需求。

2.2. Effect of Class I Fly Ash on the Workability Loss of Concrete Through Time

研究人员通过坍落度试验评价工作时变性，同等条件下高性能Ⅰ级灰时变损失最小，掺量30%时2小时后坍落度仍维持约200 mm；掺量增至40%则损失加速、保坍能力下降，表明过量掺加不利工作性。

2.3. Class I Fly Ash on the Compressive Strength of Concrete

研究人员测试不同掺量下150 mm立方体抗压强度，发现高性能Ⅰ级灰约20%掺量为最优，7天与28天强度均优于其他类别；超过20%后增长放缓，40%时增强不显著，确定20%为兼顾早期与长期强度的平衡点。

2.4. Optimization of High-Performance Class I Fly Ash Content and Economic Benefit Analysis

研究人员基于长三角市场数据（水泥450元/吨、高性能Ⅰ级灰250元/吨、减水剂6000元/吨）计算，20%掺量下胶凝材料成本降低并结合减水剂节约0.1%，每立方米混凝土综合降本约20～30元，确认20%掺量具高强度与高经济效益。

3. Physical and Mechanical Properties of Ultrafine Fly Ash in Cement and Concrete

3.1. Ultrafine Fly Ash on the Properties of OPC

研究人员将原灰45微米筛余35%、活性指数76%粉磨至比表面积674 m²/kg、活性指数93%的超细灰掺入10～20%于OPC 42.5，发现标准稠度需水量渐增、凝结时间延长、3天强度随掺量提高而下降，掺量低于15%时28天强度因二次水化与填充孔隙而提升。

3.2. Effect of Ultrafine Fly Ash on the Mechanical Properties of C30 Concrete

研究人员以等质量30 kg/m³超细灰替代13.6%胶凝材料OPC 42.5，固定水胶比0.48、砂率43%，结果坍落度增5 mm，3天与7天强度分别降6.0%与1.9%，28天、56天、90天强度分别增7.7%、1.3%、6.6%，显示超细灰促进后期强度发展。

3.3. Ultrafine Fly Ash on the Mechanical Properties of C50 Concrete

研究人员以96 kg/m³超细灰等质量替代20% P·II 52.5R水泥，发现1天与3天早期强度下降，随时间恢复并于28天显著高于基准组，证实超细粉煤灰对混凝土长期强度提升显著。

4. Results

研究人员依据Tsivilis理论（3–32 μm颗粒质量分数超65%、<3 μm限10%）与Fuller最大密度理论，指出传统单工艺难兼顾；掺18%超细粉使水泥<3 μm颗粒控制在10%内满足Tsivilis级配，10–20%超细粉优化整体逼近Fuller级配。测试HL、HX、WW、HS四种OPC 42.5掺18%超细粉后，45微米筛余、均匀系数、烧失量、密度下降，3–32 μm比例上升；3天强度微降约1 MPa，7天波动±0.5 MPa，28天增2.4–4.9 MPa且随龄期持续增长；流动性、标准稠度与凝结时间变化不大。超细粉<3 μm颗粒超20%、<30 μm超98%，优化自骨料至胶凝材料级配体系，致密微观结构、降水化热、增抗渗性，机制源于火山灰反应与物理微填充（physical microfilling）效应。

5. Conclusion

研究人员通过Ⅰ级灰优化、超细活化与复合设计三阶段技术创新解决粉煤灰高值化应用矛盾，量化成本节约使电厂由“排灰”转“深加工”。主要结论如下：

1. 1.
   综合分析减水剂需求、工作性损失、抗压强度与经济效益确定20%为最优掺量，系强度—经济平衡点，最大化性能同时显著降低生产成本；经济上高性能Ⅰ级灰与超细复合矿物外加剂结合可每立方米混凝土净节约约20–30元。
2. 2.
   粉磨去除粉煤灰惰性表膜提升活性；超细灰掺量增则标准稠度需水量升、凝结延长；3天强度降，低于15%掺量时28天强度升；C30与C50混凝土中等量替代水泥降早期强度但显著提升28天后长期强度。
3. 3.
   粉煤灰球形形态降低剪切应力；胶凝体系掺10–20%超细复合矿物外加剂通过优化颗粒级配与填充效应全面提升力学性能与耐久性，为粉煤灰高值化提供可靠技术路径；成本效益结合性能提升激励该阶段性策略规模化应用，将粉煤灰由废物负担转为宝贵建材。