粉煤灰的物理化學(xué)性能

1、粉煤灰的物理，化學(xué)性能及其應(yīng)用技術(shù)研究唐守清(福建省華廈建筑設(shè)計(jì)院，福州 350007)摘 要 本文研究了粉煤灰的物理化學(xué)性能，提出了粉煤灰脫炭利用的原理和技術(shù)，利用脫炭粉煤灰和高效早強(qiáng)減水荊的“雙摻”技術(shù)，進(jìn)行了水泥路面的試驗(yàn)研究，粉煤友替代水泥量達(dá)20 ，較好地解決了水泥路面中直接利用粉煤灰所存在的主要問(wèn)題。關(guān)鍵詞 粉煤灰；物理化學(xué)性能；脫炭粉煤灰；路面修復(fù)1 引言粉煤灰的主要來(lái)源是以煤粉為燃料的火電廠和城市集中供熱鍋爐。我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消耗國(guó)家。全國(guó)煤炭產(chǎn)量的大約30用于發(fā)電，產(chǎn)生的粉煤灰和爐底渣的量非常大。特別是改革開(kāi)放以來(lái)，電力工業(yè)迅速發(fā)展，導(dǎo)致粉煤灰排放量逐年銳增。因此

2、必須加強(qiáng)對(duì)粉煤灰物理、化學(xué)性能及其應(yīng)用技術(shù)研究，否則將會(huì)給能源生產(chǎn)、資源利用和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)不可估量的嚴(yán)重后果。因此，長(zhǎng)期被作為固體廢棄物看待的粉煤灰，近年來(lái)隨著國(guó)際性能源供需矛盾的加劇和對(duì)環(huán)境保護(hù)愈來(lái)愈高的要求，已引起了世界各國(guó)的關(guān)注，并對(duì)其利用進(jìn)行了廣泛的研究、試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了一定的成就，國(guó)外先進(jìn)國(guó)家(歐盟、美國(guó)等)粉煤灰利用率已達(dá)7080 ，我國(guó)粉煤灰利用率亦達(dá)4050 ，對(duì)節(jié)約能源和改善環(huán)境起到了重要作用。然而，我國(guó)電廠排放的粉煤灰品質(zhì)極不穩(wěn)定，有80 以上的粉煤灰燒失量超過(guò)6 ，有的達(dá)到20 以上，資源化性能較差，極大地限制了粉煤灰的應(yīng)用范圍和數(shù)量，是導(dǎo)致我國(guó)粉煤灰利用率偏低的重要原

3、因。為實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約和減少粉煤灰對(duì)環(huán)境的污染，開(kāi)拓粉煤灰綜合利用的新途徑，本文對(duì)粉煤灰的物理、化學(xué)性能及在各種不同類(lèi)別工程中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。希望本文對(duì)粉煤灰的綜合利用以及環(huán)境保護(hù)有一定的幫助。2 粉煤灰的物理化學(xué)性能1，221 粉煤灰的化學(xué)組成以福建武夷山晶輝山莊技改工按照粉煤灰為例，其化學(xué)成分分析(表1)表明，粉煤灰中硅的含量最高，其次是鋁，以復(fù)雜的復(fù)鹽形式存在，酸溶性較差。鐵含量相對(duì)較低，以氧化物形式存在，酸溶性好。此外還有未燃盡的炭粒、CaO和少量的MgO、Na20、K20、S03等。表1 福建武夷山晶輝山莊技改工程化學(xué)成分（%）成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO S

4、O3 Na2O及K2O 燒失量含量 4559 2128 <4 1.52.0 0.30.8 <0.7 0.91.4 101522 粉煤灰的物理性能按照粉煤灰顆粒形貌可將粉煤灰顆粒分為：(1)玻璃微珠；(2)海綿狀玻璃體(包括顆粒較小、較密實(shí)、孔隙小的玻璃體和顆粒較大、疏松多孔的玻璃體)；(3)炭粒。其中大部分是海綿狀玻璃體，顆粒分布極不均勻，必須通過(guò)研磨處理，改善其性能的差異性。(1)粉煤灰的強(qiáng)度粉煤灰是以酸性氧化物為主的玻璃相物質(zhì)，它在水泥的水化產(chǎn)物形成的堿性環(huán)境中逐漸受到腐蝕，發(fā)生火山灰反應(yīng)，形成CSH凝膠，減弱了OH一的濃度，促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，對(duì)水泥石強(qiáng)度的增長(zhǎng)起了重要作用

5、。以下將以晶輝山莊道路工程為例說(shuō)明粉煤灰的強(qiáng)度特性。該混凝土采用“雙摻”技術(shù)，即在混凝土中同時(shí)摻加粉煤灰和高效早強(qiáng)減水劑。表2 C30 早強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)表試件序號(hào) 1.11.3 2.12.3 3.13.3 4.14.3粉煤灰摻量 0% 10% 20% 30%配合比 1:2.1:4 0.11:0.9:2.1:4 0.22:0.8:2.1:4 0.33:0.7:2.1:4水灰比 0.5 0.49 0.46 0.45減水劑(%) 2 2.25 2.5 2.75試件序號(hào) 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3齡期(d) 3 7 2

6、8 3 7 28 3 7 28 3 7 28抗壓強(qiáng)度MPa 28.4 30.5 32.6 27.8 29.7 33.0 27.6 29.5 33.6 25.2 27.5 33.8抗折強(qiáng)度MPa 3.3 4.2 4.7 3.2 4.1 4.7 3.2 4.0 4.6 3.0 3.5 4.4從上表可知：同一摻量的粉煤灰混凝土隨著齡期的增加，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度均比基準(zhǔn)混凝土快；而且，粉煤灰摻量為20的混凝土試件的強(qiáng)度增長(zhǎng)和基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)相關(guān)性最好。 (2)粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響在抗碳化能力方面，實(shí)驗(yàn)表明，水泥用量不減少，再外摻粉煤灰取代部分砂子，這樣的粉煤灰混凝土抗碳化能力就可以增加；同時(shí)摻用粉

7、煤灰和減水劑，即采用“雙摻”的技術(shù)措施，還可以更好地發(fā)揮粉煤灰的效應(yīng)，保證提高粉煤灰的抗碳化能力。在鋼筋抗銹蝕方面，由于粉煤灰改善混凝土的體積變化的性能，使混凝土避免出現(xiàn)裂縫和微裂縫，水分和氧的難以人侵，對(duì)保護(hù)鋼筋不被銹蝕意義重大。3 粉煤灰的綜合利用目前，我國(guó)粉煤灰的大宗利用途徑是生產(chǎn)建筑材料、筑路和回填。粉煤灰建筑材料的性能與傳統(tǒng)的建筑材料相比有許多優(yōu)點(diǎn)。如粉煤灰加氣混凝土，其干容重只有500kgm ，不到粘土磚的13；導(dǎo)熱率為011013W(m ·K)，約為粘土磚的15，具有輕質(zhì)、絕熱、耐火等優(yōu)良性能。硅酸鹽砌塊強(qiáng)度達(dá)到100150號(hào)，導(dǎo)熱系數(shù)比普通混凝土小一倍，且砌筑效率高。

8、粉煤灰燒結(jié)磚比普通粘土磚輕15 20 ，導(dǎo)熱系數(shù)只有粘土磚的70 。粉煤灰陶粒性能優(yōu)于天然輕骨料，用其配制的混凝土不僅容重輕，而且具有保溫、隔熱、抗沖擊等優(yōu)良性能，在高層建筑、大跨度構(gòu)件和耐熱混凝土中得到應(yīng)用。粉煤灰硅酸鹽水泥干縮性小，水化熱低，抗裂性、和易性與可泵性好，特別適用于大壩工程及泵送混凝土施工。粉煤灰含有一定的殘留碳，用其燒制建筑材料可節(jié)約大量能量。當(dāng)粉煤灰熱值為500×419kJkg，摻用量為40時(shí)，可節(jié)約燒磚用煤50 。生產(chǎn)粉煤灰砌塊的能耗僅為同體積粘土磚的60左右。利用粉煤灰生產(chǎn)建筑材料、筑路和回填可以節(jié)約大量粘土。對(duì)粉煤灰燒結(jié)磚，粉煤灰摻加量一般為30 50 ，最

9、高到70 ，相應(yīng)節(jié)約用土30-50 。粉煤灰用于筑路和回填是投資少、見(jiàn)效快的一種直接大用量利用粉煤灰的途徑。此種道路壽命長(zhǎng)，維護(hù)少，可節(jié)約維護(hù)費(fèi)用30-80 。目前我國(guó)粉煤灰綜合利用技術(shù)主要有以下九種。31 生產(chǎn)粉煤灰燒結(jié)磚粉煤灰燒結(jié)磚是以粉煤灰和粘土為原料，經(jīng)攪拌、成型、干燥、焙燒制成的磚。粉煤灰摻量30 一70 ，其生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備與普通粘土磚基本相同，主要是多了粉煤灰的貯運(yùn)、計(jì)量、脫水和攪拌設(shè)備。利用粉煤灰生產(chǎn)燒結(jié)磚技術(shù)成熟，所用的粉煤灰燒失量不限，只要粘土有足夠的塑性，在生產(chǎn)粘土磚的基礎(chǔ)上，添加些必要的設(shè)備，仍采用擠出成型，無(wú)論是在輪窯還是在隧道窯里都能燒制粉煤灰磚。過(guò)去磚廠采用國(guó)產(chǎn)

10、設(shè)備和傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，粉煤灰摻量只有40左右。近幾年采用了國(guó)外的技術(shù)和設(shè)備，粉煤灰摻量提高到60 70 。實(shí)踐表明：用于燒制粉煤灰燒結(jié)磚的粉煤灰中SiO：的含量不宜高于70 ，超過(guò)此含量，混合料的塑性大大降低，制品的抗折和抗壓強(qiáng)度較低；A120，的含量以15 25為宜，低于10時(shí)，制品強(qiáng)度低，高于25 時(shí)，雖制品強(qiáng)度高，但燒成溫度提高；Fe：0，含量以5 10 為宜，含量過(guò)高，將縮小混合料的燒成溫度范圍，給焙燒工序操作造成困難；MgO和硫化物含量越小越好，MgO含量一般不應(yīng)超過(guò)3 ，硫化物的含量最好小于1%。32 生產(chǎn)粉煤灰蒸養(yǎng)磚粉煤灰蒸養(yǎng)磚是以粉煤灰為主要原料，摻人適量骨料生石灰、石膏，經(jīng)坯料

11、制備、壓制成型、常壓或高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)而制成的磚。粉煤灰在濕熱條件下，能與石灰、石膏等膠凝材料反應(yīng)，生成具有一定強(qiáng)度的水化產(chǎn)物。粉煤灰摻量約為65 ，生產(chǎn)工藝分高壓養(yǎng)護(hù)和常壓養(yǎng)護(hù)兩類(lèi)。高壓養(yǎng)護(hù)的磚強(qiáng)度較高。對(duì)粉煤灰要求含碳量低，活性高。生產(chǎn)工藝包括原料處理、計(jì)量、攪拌、消化、輪碾、成型和養(yǎng)護(hù)等工序。消化可提高料溫，縮短磚坯靜停時(shí)間；輪碾可起到攪拌、活化和壓實(shí)的作用。磚坯通常采用半干壓法成型，常用設(shè)備有八孔、十六孔轉(zhuǎn)盤(pán)式壓磚機(jī)及杠桿式壓磚機(jī)等。采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)，蒸汽壓力一般為08NPa。33 生產(chǎn)粉煤灰硅酸鹽砌塊粉煤灰硅酸鹽砌塊以粉煤灰、石灰、石膏為膠結(jié)料，以爐渣為骨料，經(jīng)加水?dāng)嚢?、振?dòng)成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)

12、而成。粉煤灰摻量為30 左右，爐渣占55 。生產(chǎn)粉煤灰硅酸鹽砌塊對(duì)粉煤灰的質(zhì)量要求是燒失量不大于15。膠凝材料中要含有足夠高的氧化鈣，水灰比不宜大于055。生產(chǎn)工藝包括原材料加工處理、混合料的計(jì)量和制備、振動(dòng)成型和蒸汽養(yǎng)護(hù)。砌塊的容重一般為1800kgm 左右，抗壓強(qiáng)度可達(dá)100150號(hào)，其缺點(diǎn)是收縮值偏大，碳化系數(shù)偏低，抗凍性稍差。34 生產(chǎn)加氣混凝土粉煤灰加氣混凝土是以粉煤灰為基本原料，配以適量的生石灰、水泥、石膏及鋁粉等添加劑制成的一種輕質(zhì)混凝土建筑材料，粉煤灰摻量一般可達(dá)70 。這一產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)成熟，產(chǎn)品質(zhì)量已過(guò)關(guān)。國(guó)家頒布的有關(guān)加氣混凝土的試驗(yàn)方法(JG 25627580)、產(chǎn)品標(biāo)

13、準(zhǔn)(JG 31582)、應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(JC1784)等，都包括了粉煤灰加氣混凝土。生產(chǎn)工藝和設(shè)備大體上與其他品種加氣混凝土相同。將經(jīng)過(guò)加工的、符合要求的原料按一定比例混合，并加人發(fā)泡劑等，經(jīng)攪拌澆注入模、發(fā)泡膨脹、靜停、切割，進(jìn)高壓釜養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)的蒸汽壓力一般為116MPa。若生產(chǎn)加氣混凝土板材，還需配備鋼筋車(chē)間，澆注前先將加工好的鋼筋網(wǎng)片固定在模具中。粉煤灰加氣混凝土的性能和其他品種加氣混凝土基本相同，使用范圍也相同。3，5 生產(chǎn)粉煤灰陶粒以粉煤灰為原料，加人一定量的膠結(jié)料和水，經(jīng)成球、燒結(jié)而成的輕骨料即為燒結(jié)粉煤灰陶粒。它是一種性能較好的人造輕骨料。其用灰量大，還可以充分利用粉煤灰中的熱值，

14、粉煤灰摻量約80 。生產(chǎn)工藝一般由原料的磨細(xì)處理、混合料加水成球、焙燒等工序制成。燒結(jié)通常采用帶式燒結(jié)機(jī)、回轉(zhuǎn)窯或立波爾窯。帶式燒結(jié)機(jī)對(duì)原料的適用范圍大，生產(chǎn)操作方便，產(chǎn)量高，質(zhì)量較好，工藝技術(shù)成熟。用燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)的粉煤灰陶粒的容重一般為650kgm。，可以配制300號(hào)混凝土。36 代替粘土做生產(chǎn)水泥的原料粉煤灰的成分與粘土相似，可以替代粘土配料生產(chǎn)水泥，還可利用其殘余碳，在煅燒水泥熟料時(shí)可節(jié)約燃料。生產(chǎn)工藝和技術(shù)裝備與生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥一樣，無(wú)特殊工藝技術(shù)要求。但要注意配料方案的調(diào)整，嚴(yán)格控制各種原料的摻人量，以保證出磨生料化學(xué)成分符合要求 熟料煅燒采用機(jī)立窯或回轉(zhuǎn)窯均可。37 粉煤灰做生產(chǎn)水

15、泥的混合材料在磨制水泥時(shí)，除摻加3 一5的石膏外，還允許按水泥的品種和標(biāo)號(hào)添加一定量的材料與熟料共同粉磨，習(xí)慣上稱(chēng)此材料為混合材料。用粉煤灰做混合材料時(shí)， 其質(zhì)量需達(dá)到GB1596881、級(jí)灰的要求。根據(jù)粉煤灰的摻量，可生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥(粉煤灰摻量15)和粉煤灰水泥(粉煤灰摻量20 一40)。由于粉煤灰摻量增加，粉煤灰水泥與普通硅酸鹽水泥性能有所不同，主要是早期強(qiáng)度有所降低。在生產(chǎn)中對(duì)粉煤灰的均勻性要求嚴(yán)格。用60 一70粉煤灰、25 30水泥熟料及少量石膏進(jìn)行研磨，可生產(chǎn)低標(biāo)號(hào)水泥，稱(chēng)為砌筑水泥。這種水泥用灰量大，生產(chǎn)成本低，市場(chǎng)容量大，是很有開(kāi)發(fā)前途的利廢產(chǎn)品。粉煤灰做水

16、泥 昆合材料最好用干灰，可以降低能耗和二次污染。干排灰可由密封罐車(chē)、密封罐船或通過(guò)管道用氣體輸送進(jìn)廠，經(jīng)貯庫(kù)、加料倉(cāng)進(jìn)入水泥磨與熟料和石膏混磨。38 粉煤灰在砂漿中可以代替部分水泥、石灰或砂用于砂漿中的粉煤灰質(zhì)量要求不高，砂漿在建筑工程中用量很大，可利用大量粉煤灰。目前尚無(wú)國(guó)家或行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)范，在使用前需經(jīng)過(guò)配比試驗(yàn)。用粉煤灰作 昆凝土摻和料，要求粉煤灰有較高的質(zhì)量，如細(xì)度要大、活性要高、含碳量要低。因此常用磨細(xì)粉煤灰，每立方米混凝土可用灰50100kg，節(jié)約水泥50 100kg。摻粉煤灰的水泥凝結(jié)較緩慢，和易性好，能減少離析人泌水，可泵性能好，有利于較長(zhǎng)距離運(yùn)輸和泵送施工。摻粉煤灰混

17、凝土的制作工藝流程與普通混凝土基本相同，只是增加了粉煤灰這種原料需要增加相應(yīng)的儲(chǔ)存、計(jì)量和輸送設(shè)備。39 粉煤灰用于筑路和回填用粉煤灰、石灰和碎石按一定比例混合攪拌可制作路面基層材料。摻加量最高可達(dá)70 ，對(duì)粉煤灰質(zhì)量要求不高，可根據(jù)粉煤灰、石灰道路基層施工暫行技術(shù)規(guī)定(CJ483)進(jìn)行生產(chǎn)和施工。粉煤灰代替粘土筑路堤有全灰和間隔灰兩種，施工設(shè)備和步驟與粘土路堤相同。粉煤灰均可滿足對(duì)填方材料的質(zhì)量要求，且粉煤灰對(duì)水質(zhì)不會(huì)造成污染。工程回填、圍海造田和礦井回填等可大量使用粉煤灰。利用脫炭粉煤灰修復(fù)公路路面時(shí)，在路面混凝土中可替代20 的水泥，每m3路面混凝土產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益為2385元m3，經(jīng)濟(jì)

18、效益十分顯著。310 低溫合成粉煤灰水泥低溫合成粉煤灰水泥的生產(chǎn)原理和一般硅酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥的生產(chǎn)原理不同，它是將配合料(主要是石灰和粉煤灰)先蒸汽養(yǎng)護(hù)生成水化物，然后經(jīng)脫水和低溫(7oo cc800oC)固相反應(yīng)形成水泥礦物1】。該技術(shù)具有煅燒溫度低和粉煤灰用量大等特點(diǎn)。此法生產(chǎn)鋁硅酸鹽復(fù)合水泥具有早強(qiáng)性能，并可消除高鈣固硫粉煤灰作水泥混合材料時(shí)含硫量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)帶來(lái)的不利影響。而且其強(qiáng)度性能優(yōu)于用普通粉煤灰低溫合成熟料制成的特種粉煤灰水泥，其CB2，CB3的3d、7d、28d強(qiáng)度均接近硅酸鹽水泥。4 結(jié)束語(yǔ)本文從研究粉煤灰的物理、化學(xué)性能人手，主要討論了粉煤灰的綜合利用。粉煤灰是一種新型的建筑材料，綜合利用粉煤灰具有顯著的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可以降低土地資源的損耗。因此利用好粉煤灰將是一件利過(guò)利民的大事。參考文獻(xiàn)1沈旦申粉煤灰混凝土