（化学工艺专业论文）粉煤灰免烧轻集料的制备及其路基强度的实验研究.pdf

摘 要 摘要 粉煤灰免烧轻集料是以粉煤灰、石灰、水泥为主要原料，掺入外加剂，经配 料、成球、养护等工艺制得的一种环保、节能的新型绿色建材产品。本文通过力 学试验，研究了原材料掺入量、激发剂和外加剂的种类、粉煤灰固细度、养护条 件、及养护的温度和时间等因素对粉煤灰免烧轻集料性能的影响。利用x 射线衍 射分析和s e m 显微分析，研究了粉煤灰免烧轻集料的矿物组成和微观结构，并 结合前入对粉煤灰的水化研究结果，分析了粉煤灰免烧轻集料的反应机理 论文同时研究了以免烧粉煤灰轻集料替代碎石作为路基骨料，粉煤灰、水泥、 脱硫石膏为胶结料时，路基的力学性能，实验结果表明，当水泥加入量占材料总 质量5 ，脱硫石膏加入量占总质量1 2 5 时，不论使用湿粉煤灰还是干粉煤灰， 路基7 天抗压强度达到3m p a 以上，2 8 天强度在5 m p a 以上，干密度只有1 3 4 g c m 3 ，比一般碎石路基( 干密度2 5g c m 3 左右) 低8 0 以上，单位体积水泥用 量少。使用粉煤灰，生石灰、脱硫石膏为胶结料时，路基7 天无侧限抗压强度很 容易就能达到1m p a ，2 8 天强度在3 m p a 左右，脱硫石膏的加入，克服了传统石 灰、粉煤灰稳定类路基早期强度过低的弊端，作为工业副产物，脱硫石膏具有来 源广，价格低廉的优势，克服了其他石灰、粉煤灰类外加剂价格偏高的缺点。免 烧粉煤灰轻集料路基具有强度高，密度低，粉煤灰掺量高，大量利用工业废弃物 的优点，经济、环境和社会综合效益明显。 图2 3 表2 5 参7 4 关键词：粉煤灰；轻集料；反应机理；路基强度 分类号；t u 5 2 2 3 ；5 3 0 5 4 1 0 ； 摘要 a b s t r a c t u s i n gc o a la s h , l i m ea n dc e m e n ta sr a wm a t e r i a l ，m i x e dw i t hc h e m i c a la d d i t i v e ， t h r o u g hb u r d e n , p e l l e t i z a t i o na n dc u r i n gp r o c e s s ，t h en 哪t y p eo fe n v i r o n m e n t a l f r i e n d l ye n e r g y s a v i n ga n dg r e e nb u i l d i n gm a t e r i a l - - n o n - s i n t e r e dc o a la s hl i g h t w e i g h t a g g r e g a t ec o u l db ep r e p a r e d m a c h e n i e a lt e s t sw e r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h e e f f e c t so fm a t e r i a lc o m p o s i t o n , a c t i v a t o ra n da d d i t i v ec a t e g o r y , c o a la s hs i z ea n d c u r i n go nc o a la s hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e x r da n de s e mw e r eu s e d e dt oa n a l y z et h e h y d r a t i n g r e a c t i o nm a c h e n i s m t h ee x p e r i m e n t so ns u b s t i t u t i n gt h ea g g r e g a t ef o rc r u s h e ds t o n ea sr o a d b e d m a t e r i a l sw e r ep e r f o r m e dw i t hc o a la s h , c e m e n ta n dl i m ea sc e m e n t a t i o nm a t e r i a l , d e s u l f u r a t i o ng y p s u ma se a r l y - s t r e n g t ha g e n t w a sp e r f o r m e d t h er o a d b e ds t r e n g t h t e s t i n gr e s u l t ss h o w e dt h a t7d a y c o m p r e s ss t r e n g t ho fr o a d b e da c h i e v e d3m p a a n d2 8 d a y o n ea c h i e v e d5m p a w h e nc o n t e n to fc e m e n ti s5 a n dd e s u l f u r a t i o ng y p s u mw a s 1 2 5 t h ed r yd e n s i t y1 3 4 9 e r a w a s8 0 l o w e rt h a nt h eo n eo fc r u s h e ds t o n e r o a d b e d t h a tc e m e n tc o n s u m p t i o nw a sc u td o w n u s i n gc o a la s h , l i m ea n d d e s u l f u r i z a t i o ng y p s u ma sc e m e n t e dm a t e r i a l t h e7 d a y c o m p r e s ss t r e n g t hw a se a s yt o r e a c h1m p a , a n d3m p af o r2 8d a y t h ed e s u l f u r i z a t i o ng y p s u m ，ak i n d o fs o l i dw a s t e f o rc o a l f i r e dp o w e rs t a t i o n , w a sa d d e dt oi n c r e a s et h ee a r l ys t r e n g t ho fr o a d b e d , i nt h e m e a n t i m ep a v m e n tc o s tw a sl o w e d i ti sb e l i e v e dt h a tt h en o n - s i n t e r e dc o a la s h l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ew i t hh i g hs t r e n g t h ，l o wd e n s i t y , h i 【g hc o a la s hc o n t e n tw i l lb e a p p l i e d t oa c t u a lr o a d b e dc o n s t r u c t i o ni nt h en e a rf u t u r e f i g u r e2 3 t a b l e2 5r e f e r e n c e7 4 k e y w o r d s ：c o a la s h ；l g h t w e i g h ta g g r e g a t e ；r e a c t i o nm e c h a n i s m ；r o a d b e ds t r e n g t h c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t u 5 2 2 3 ：5 3 0 5 4 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞盘垄王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意 学位论文作者签名：日期：理丑年月压日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞煎垄王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞筮理王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：参铭殍 导师鼢磊撅 签字日期钇矽年歹月傀 锵嘲：1 刈脚 安徽理工大学硕士论文文献综述 1 1 粉煤灰的基本性能 1 1 。1 粉煤灰的分类和分级 1 文献综述 目前我国粉煤灰尚无公认的分类方法，只是笼统地将氧化钙含量较高的粉煤 灰称作高钙灰，大体上相当于美国a s t m 的c 类灰；反之称为低钙灰，大体上 相当于美国a s t m 的f 类灰。将采用除尘器收集的粉煤灰称之为干排灰，将用水 冲出的炉底渣称之为湿排灰。 表1m e l ：a r t h y 分类法 t a b l e1m e e a r t h ye l a s s i f l e a t l o a 粉煤灰类别氧化钙含量( ) 低钙灰 中钙灰 高钙灰 2 0 表2m 吣h 分类法 t a b l e 2m 硝kd a s s i f i c a l l o m 美国自1 9 9 7 年开始在a s t mc6 1 8 - 8 0 中将粉煤灰分成f 类灰和c 类灰， 其定义如下： f 类粉煤灰：通常是由燃烧烟煤或无烟煤所得的，并能符合这一类技术条件 的粉煤灰。此类粉煤灰具有火山灰活性。 c 类粉煤灰：通常是由燃烧褐煤或次烟煤所得的，并能符合这一类技术条件 的粉煤灰。此类粉煤灰除具有火山灰活性外，同时具有水硬性。 近年来美国不少学者对现行粉煤灰分类标准提出了异议，m c c a n h y 认为粉煤灰 安徽理工大学硕士论文 文献综述 的主要性能与氧化钙含量有关，提出了基于氧化钙含量的分类方法( 表1 ) ：m a j k o 直接根据粉煤灰是否具有胶凝性，通过测定纯粉煤灰浆体的凝结时间和在水中的 稳定性，提出了新的分类方法( 表2 ) 。 表3 用于水泥的粉煤灰分级 t i b l e 3c o a la s hc l a s s i f i c a t i o nf o rc e m e u t 我国粉煤灰的理化性质波动范围较大，应用领域广泛，在不同应用领域对粉 煤灰级别的划分依据也不相同。国家技术监督局于上世纪9 0 年代前后陆续颁布了 8 8 17 3 8 7 农用粉煤灰污染物的控制标准；, c 4 0 9 - 9 1 硅酸盐建筑制品用粉煤 灰质量等级划分标准；g b l 5 9 6 9 1 用于水泥和混凝土中粉煤灰标准等。 表4 用于混凝土的粉煤灰分级 t a b l e4c o a la s hc l a s s i f i c a t i o nl b r n c r e t e 1 1 2 粉煤灰的颗粒特性 粉煤灰来自于煤中无机组分，迄今，煤中发现的矿物已超过1 2 5 种，伴生 元素达8 4 种以上。无机组分在煤中可以独立矿物离子交换态、溶解盐类及与大 分子结合等形式存在。从实用的角度，可大致分为与有机质结合紧密的细分散状 2 安徽理工大学硕士论文文献综述 矿物和与有机质结合松散、颗粒较大的独立矿物两类。火力发电厂首先将原煤磨 细( 通过7 5 pm 网目) 成煤粉，煤粉与热空气一起喷入炉膛中燃烧。锅炉中煤粉 的燃烧可分为两个阶段：( 1 ) 挥发分的析出、着火与燃烧；( 2 ) 固定炭、残焦的 着火与燃烧。前一过程仅需3 0 m s 1 0 0 m s , 后一过程约需1 s 。在煤粉燃烧过程中， 煤中无机组分在锅炉内高温( 1 3 0 0 ( 2 1 5 0 0 ) 热动力条件下，将发生一系列复 杂的物理化学变化，其中极少一部分经挥发凝结形成亚微米级颗粒，而其余部分 则随着煤粉颗粒的碎裂经熔融聚结形成微米级颗粒，亚微米级颗粒虽然在质量上 仅占1 ，但其颗粒数量却占飞灰总数的9 9 ，具有极大的危害性1 1 1 。上述灰 粒有各自不同的归宿：一部分超细飞灰( 主要为亚微米级) 沉积在锅炉受热面 上，构成结渣和沾污；少量颗粒较租的灰粒沉至锅炉底部冷水池中，以底灰形式 排出：其余绝大部分飞灰顺烟道上升，被除尘器捕获，部分未被捕获的细粒飞灰 逸散于大气中。 据成分和微观形貌特征，可将粉煤灰分出低铁质玻璃微珠( 空心微珠、实心 微珠) 、高铁质玻璃微珠( 磁珠) 、高钙玻璃微珠、不规则多孔玻璃体和未燃尽炭 粒等颗粒类型。低铁质玻璃微珠来源于煤中粘土矿物，粘土矿物的粒度、成分、 结晶形态及其与有机质的结合关系等将影响到粉煤灰颗粒的形貌与粒度分布。煤 粉燃烧试验证实，煤中镜质组和稳定组在快速加热时，挥发分大量逸出，体积迅 速膨胀，形成空心炭，燃烧在外部与内部同时进行1 2 1 。随着有机质的燃尽，煤粒 中各处小灰球粘结在一起，形成熔融包壳，并在液体表面张力作用下成球，形成 空心微珠。空心微珠的体积或壳壁的厚薄与熔体粘度有关，由高岭石形成的熔体 粘度较高，往往会形成粒径较大的薄壁空心微珠；而由伊利石或其它金属氧化物 含量较高的粘土矿物形成的熔体，粘度较低，一般形成粒径较小的厚壁空心微珠 或实心微珠。呈分散状存在的含铁矿物，可与粘土小灰球聚结在一起，形成磁珠， 以厚壁空心微珠或实心珠的形式存在。惰性组燃烧速度慢，不膨胀，其中呈分散 状的矿物经高温熔融形成小灰球，分布于颗粒表面，但彼此间因碳的阻隔，不会 粘结，待残碳燃尽后形成细粒灰球。与有机质解离的独立矿物的变化，受有机组 分燃烧过程的影响较小。石英颗粒通常仅部分熔融，形成不规则颗粒：粘土矿物 因脱水收缩，形成多孔玻璃俸；黄铁矿、白铁矿等含铁矿物则形成另外一种几乎 全由氧化铁构成的磁珠【3 l ：碳酸盐岩矿物经分解熔融，形成高钙微珠。由于煤粉 颗粒在锅炉燃烧时，滞留的时问很短，不可能完全燃烧。有少部分未燃尽碳粒残 留在灰中1 4 j 。 3 安徽理工大学硕士论文 文献综述 1 1 3 粉煤灰的矿物组成 表5 煤中主要矿物 勘出l e qm i n e r a i si n 越 煤中的主要矿物包括硅酸盐、氧化物、碳酸盐、亚硫酸盐、硫酸盐、磷酸盐 4 安徽理工大学硕士论文 文献综述 等。c o u c h 懈种煤低温燃烧后得到的灰状物质x 射线衍射图谱分析的结果， 碍出煤中可能存在的主要矿物见表5 。 表6 粉煤灰中的晶体矿物 t a b l e6c r y s t a lm i n e r a l si nc o a la s h 粉煤灰中的矿物相是由煤中无机物经高温后转化而来，很显然，煤经高温燃 烧后。煤的矿物特性甚至形态都将发生很大变化，通常煤灰中主要物相为玻璃体， 含量一般在6 0 以上，但晶体矿物含量有时也比较高，h u f f m a n 6 1 等对美国1 8 种煤灰的高温特性进行了研究并给出了f e o s i 0 2 - a 1 2 哂系统高温相图，虽然是在 还原条件下得出的，但结果足以使我们定性认识煤灰的矿物组成。s l o s s l r 等研究 了英国粉煤灰的主要矿物组成并测定了各组分的含量。r o h a t i g i 8 i 通过系统研究煤 灰中无机矿物在高温下的转化规律。给出了低钙粉煤灰和赢钙粉煤灰的主要矿物 5 安徽理工大学硕士论文文献综述 成分( 表6 ) 。表7 是刘巽伯等1 9 1 对我国一些地区6 0 多种粉煤灰中矿物相分析结 果。不同地区不同种类粉煤灰中的矿物相差异较大，这种差异使得不同的粉煤灰 使用效果、资源化程度差异比较大，应该说根据粉煤灰中的矿物相在确定粉煤灰 的品质方面更为确切。 表7 我国粉煤灰物相组成范围 t a b l e 9 m i n e r a l m p o l s i t i o 础o f c o a l a s h t u o u r c o u n o y 1 1 4 粉煤灰的活性 粉煤灰的活性包括粉煤灰的火山灰活性和自硬性。通常粉煤灰的活性指它的 火山灰活性，即指粉煤灰在常温常压下与石灰反应生成具有胶凝性能的水化产物 的能力。在o h 作用下，粉煤灰玻璃体中s i 0 键和趾o 键解聚，活性s i 0 2 和 a 1 2 0 3 溶出并进一步与钙反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝物质，从而 产生强度。由于粉煤灰是在高温流态化条件下快速形成，玻璃液相出现使之在表 面张力的作用下收缩成球形液滴并相互粘结，由于快速冷却大量粉煤灰粒子仍保 持高温液态玻璃相结构，这种较为致密结构中，除表面外断键很少，可溶活性 $ i o z 、a 1 2 0 3 也少，因而粉煤灰的火山灰活性也不高。又由于玻璃微珠表面存在惰 性表面层，水化活性很低并阻止其内部活性组分进一步的水化，粉煤灰的水化首 先从玻璃体的断裂面开始，要提高粉煤灰的早期活性，必须破坏表面一s i o - s i s 和；s i o 朋一网络构成双层保护层，使 s i 0 4 、【舢0 4 】四面体形成的三维连续 的高聚体变成单体或双聚体等活性物质，同时使内部活性组分得以释放。国内外 大量文献研究了粉煤灰活性激发方法【蚺”】，主要包括三个方面： 物理激发法：主要通过机械粉磨，该法可将粗的粉煤灰颗粒磨成细小的碎粒 方面，粉碎租大多孔的玻璃体，解除玻璃颗粒粘结，改善了表面特性，提高了 6 安徽理工大学硕士论文 文献综述 物理活性；另一方面，粗大玻璃体尤其是多孔和颗粒粘连体的破坏，破坏了玻璃 体表面坚固的保护膜，使内部可溶性s i 0 2 、a i ：0 2 溶出，断键增多，比表面积增 大，使反应接触面增加，活化分子增加，粉煤灰早期化学活性提高。因此，机械 磨细提高粉煤灰的活性非常有效，特别是颗粒粗大的粉煤灰。但单纯磨细提高粉 煤灰火山灰活性是有限的。在磨细初期，能使粉煤灰比表面积、硅铝溶出度增大， 但磨细一段时间后，增加磨细时间对粉煤灰物化性能改善就不明显， 甚至没有 多少变化。且细磨设备效率低，能耗大，在实际运用中只能作为一种辅助手段。 化学激发法；通过直接加入各种碱类、盐类等激发剂或者多种复合就可以激 发粉煤灰活性，且不受粉煤灰掺入量的限制，工艺简单，是大量利用粉煤灰的有 效手段。 物理化学激发法：通过对粉煤灰的表面改性，导入晶种，蒸养，压蒸等方法 激发粉煤灰活性，活化程度高且不受粉煤灰掺量的限制，是一种有效的激发途径， 但这种方法需要额外的热力设备，工艺过程复杂，这在很大程度上限制了其在实 际工程中的运用，但该法能有效粉煤灰制品强度，特别是早期强度，在条件允许 情况下可采用其中的部分方法。 1 2 粉煤灰在路基中的应用 1 2 1 粉煤灰综合利用概况 粉煤灰的利用情况和发展水平，由于各国技术经济的条件不同而千差万别， 但又都各具特色。国外对粉灰的研究，可追溯到1 9 2 0 年后的电厂大型锅炉革新， 从此开始燃烧煤粉，也就从这以后，就有人开展粉煤灰利用的研究。但真正引起 人们重视是在2 0 世纪5 0 年代之后尤其是7 0 年代中期石油危机之后，许多国家 发电厂的燃料结构发生了变化，都加快转向以煤炭为主要燃料的进程。随之而来 的是大量灰渣的排放，这进一步促使更多的人重视粉煤灰资源的综合利用。美国 是粉煤灰资源开发和综合利用比较先进的国家，他们重视国家立法的作用。1 9 7 6 年国会立法资源保护和再利用法；1 9 7 9 年美国国家环保局( e p a ) 组织起草 了对于水泥和混凝土中掺有粉煤灰的联邦政府的指导原则，1 9 8 3 年颁布执行， 对粉煤灰利用起了推动作用。在各种利用途径中，用于水泥、混凝土是一个十分 重要的方面。粉煤灰在道路和工程填筑中的利用，在近一二十年来也有了非常大 的发展。在英国等发达国家，灰渣利用率和利用水平较高，技术进步较快，直接 经济效益十分明显波兰在粉煤灰的利用中，侧重于建材产品，多年来投入相当 7 安徽理工大学硕士论文文献综述 多的力量，致力于粉煤灰加气混凝土的研究开发，在材性、工艺和机械设备配套 方面都有较高水平【堋。 我国粉煤灰利用起始于2 0 世纪5 0 年代，并于6 0 年代设定了专门机构，开展 了这方面的工作。最初的发展方向是制做建筑制品和建筑材料，但进展缓慢。从 6 0 年代开始，粉煤灰利用重点转向墙体材料，研制生产了粉煤灰密实砌块、墙板， 粉煤灰烧结陶粒和粉煤灰粘土烧结砖等，先后在上海、北京、天津、吉林等省市 建成示范工厂，同时引进前苏联、东欧国家利用粉煤灰生产蒸养( 压) 建筑制品的 技术把粉煤灰综合利用作为一项重大的经济政策，并提到战略高度，则是在改 革开放以后，国家和地方制定了一系列鼓励粉煤灰资源综合利用政策，有力的推 进了粉煤灰的利用。1 9 7 9 年以前的利用率还不及1 0 ，到1 9 9 5 年，粉煤的利用 率上升到4 1 7 。至今比较成熟的技术和已建成生产线的有；粉煤灰加气混凝土、 粉煤灰砌筑水泥、粉煤灰粘土砖、耢煤灰硫酸盐密实砌块、粉煤灰地面砖、粉煤 灰免烧砖、粉煤灰硅酸盐水泥、料煤灰混凝土、粉煤灰筑路、粉煤灰充填等。 随着我国电力工业的发展，每年粉煤灰的排放量要增加5 0 0 一- 6 0 0 万吨以 上，而我国人均资源又相对比较贫乏，这就给综合利用粉煤灰、保护生态环境提 出了更高的要求，粉煤灰综合利用率应当比其他国家高得多。粉煤灰综合利用技 术政策总原则是【1 9 l ：把大批量用灰技术作为重点，把提高粉煤灰综合利用经济效 益、社会效益有机结合作为主攻方向，巩固己有的技术成果，逐步完善比较成熟 的利用技术，大力推广成熟的粉煤灰综合利用技术，积极采用国际先进技术和装 备，不断提高我国的粉煤灰利用技术水平，赶上和超过国际先进水平 2 0 1 ，从国内 外粉煤灰利用研究情况来看，基本有3 个方耐2 1 l ： 低附加值利用建筑工业用灰是目前粉煤灰的主要利用途径，粉煤灰用于轻质 骨料的基料、砖料等。此外，修路、回填等。 中等附加值利用主要指粉煤灰在水泥、混凝土方面的应用，此类利用对粉煤 灰品质要求较高。 高附加值利用从粉煤灰中精选和回收空心微珠、碳粉、铁精粉及其他有价值 的金属等物质，分选出的空心微珠还可以作为塑料、橡胶、金属的填充剂。从粉 煤灰中精选和回收材料的价值是很可观的。 对像我国这样一个粉煤灰排放大国，由于中等和高附加值利用受到粉煤灰质 量和掺量的限制，开发粉煤灰低附加值利用的优质产品仍然是减小粉煤灰排放压 力的最有效途径之一。 8 安徽理工大学硕士论文 文献综述 1 2 2 粉煤灰在路基中的运用 粉煤灰用作路基在国外已有近百年的运用历史，理论与实践两方面的探索表 明，石灰粉煤灰修筑的路基具有稳定性好、后期强度增长快、板体性强、适应各 种气候环境和水文地质条件等优点【弘砑，同时可以大量利用粉煤灰这种工业废 渣，节约水泥，减小粉煤灰排放造成的环境压力等，具有良好的经济和环境效益 闭。 我国在这方面的研究起步较晚，国内虽已有成功经验，但由于认识不到位， 施工难度大，加之粉煤灰压实机理较复杂，运输困难，1 9 8 0 年以前未能在全国推 开f 刎。近年来，随着高速公路的建设，交通部门曾使用大量的粉煤灰作为路基填 料，铁路部门也做过一定的试验研究。粉煤灰路基根据施工方法分为纯粉煤灰路 基和灰土间隔路基。纯粉煤灰路基因其用灰量大，板结后密实度高、自重轻、路 基沉降小、施工中受雨季影响小等特点，在实际施工应用中比较容易推广l 冽。但 由于纯粉煤灰为松散介质，颗粒间没有粘聚力，因此在应用粉煤灰作为路基填科 时，必须用粘性土作为外包裹，即形成“皮包馅”结构。采用该种结构形式修建 铁路或公路路基时仍需要大量的粘性土作为边坡外层和基面，而这些粘性土往往 来源于可耕地【强捌。近几年来，粉煤灰填筑路基已在高速公路建设方面得到应用， 河北省在石太、唐津、石安高速公路路基工程建设中都利用了粉煤灰填筑路基， 大量地节约了路基填料所用耕地，还解决了发电厂贮灰占用耕地以及粉煤灰对环 境污染等问题p “。 但把粉煤灰石灰稳定碎石作为路基材料，国内外在这方面的研究报道还不是 很多见，但有关石灰粉煤灰稳定土及石灰粉煤灰方面的研究结果，对于二灰碎石 ( 粉煤灰、石灰) 具有借鉴作用【3 2 l 。粉煤灰石灰稳定碎石应用于路面基层材料， 与水泥混凝土、沥青混凝土一样，它们都可看作是由基体相( 水泥沙浆、沥青和 二灰) 和分散相( 集料) 组成的两相复合材料。这类材料的强度是由分散相和基 体相各自对强度的贡献，以及它们之问的相互作用效果决定的。在水泥混凝土中， 由于水泥浆的强度很高，可以使集料以悬浮的形式存在。而对于沥青混凝土和二 灰碎石，由于基体相强度较底，充分发挥集料对材料整体强度的贡献显得由为重 要。在二灰碎石中，集料颗粒间的相互摩擦、嵌挤形成二灰碎石的骨架结构，石 灰粉煤灰则起填充骨架空隙的作用。二灰发生化学反应，生成水化硅酸钙、铝酸 钙等胶凝物质，黏结集料颗粒，形成具有一定强度、整体性好的二灰碎石l “。实 验证明掺入集料以后，对提高二灰碎石的强度有利，特别是早期强度，并同时使 9 安徽理工大学硕士论文文献综述 二灰碎石比二灰具有更优良的工程特性吲。 国内一些地方已经尝试在某些路段使用二灰碎石作为路基材料，河北省石家 庄北外环路采用了二灰稳定碎石基层厚1 2 e m ( 其中一段为京石高速公路连接线) ， 京石高速公路通车后，经受了大交通量的考验，使用效果较好。9 0 年代，石灰、 粉煤灰稳定碎石作路面基层开始在二级公路以上的重点项目中推广应用。同时， 先后在京石高速公路、石清公路修筑了粉煤灰路基试验路段，为粉煤灰路基的设 计、施工、质量控制和检测积累了必要的数据。理论与实践两方面的探索表明， 粉煤灰铺筑的公路路基，物力力学性能虽然好。但和土路基相比，也存在一些问 题，诸如运输成本和机械费用增加，用水量大对碾压机械设备有特殊要求，以及 沿路群众干扰旆工等问题。据石清公路田庄试验段提供的资料，使用粉煤灰填筑 路基与沿线取土填筑路基相比，机械费用增加2 5 倍以上，每立方米投资增加1 7 元左右，且旌工工艺复杂，施工难度增大，公路投资加大。并且筑路施工中存在 二次污染和施工后养生时间长的问题，国内外的相关部门已经着手进行研究对策， 有的用洒水方法、有的用盖棚方法虽取得了一定效果，但比较原始，不能令人 满意。八十年代后期日本设计了“固化法”新工艺，1 9 9 1 年完成了小试，1 9 9 5 年扩大规模并筑路试用，但成本较高且如何缩短施工后的养生时间仍没有得到很 好的解决。 我国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，煤在能源构成中约占 7 8 ，全国燃煤消耗量每年达十几亿吨，粉煤灰所造成的空气污染、水污染、固 体排放物污染已严重地威胁着生态环境。火力发电也必将成为我国主要的电力生 产方式之一，在火力发电继续存在的将来，粉煤灰应用于公路建设仍将是粉煤灰 综合利用的大户，因此，解决其粉煤灰在应用中的二次污染，缩短施工周期、降 低成本，等方面的技术难题，加快寻求更加科学合理、更加先进实用的技术是其 发展趋势。 公路的建设消耗了大量的自然资源( 石、砂、黏土等) ，给生态环境造成了破 坏性的伤害。因此，人类面临着如何协调经济发展和保护自然资源及环境的重大 课题。如何利用粉煤灰资源制造筑路材料，用以代替石、砂、粘土，是粉煤灰综 合利用的重点努力方向。 1 0 安徽理工大学硕士论文 文献综述 1 3 轻集料概述 1 3 1 轻集料和轻集料混凝土 根据我国国家标准g b t1 7 4 3 1 1 1 9 9 8 的规定，轻集料是指堆积密度不大于 1 1 0 0 k g m a ，粒径大子5 m m 的粗集料和堆积密度不大予1 2 0 0r g m 3 ，粒径大于5 n n n 的轻细集料的总称，用它可以配制出密度等级为2 0 0 - 1 9 0 0 ，强度等级为 c l 5 m c l 5 0 的各种轻集料混凝土。在我国，一般又称租轻集料为陶粒，按材料来 源分为天然轻集料、工业废渣轻集料和人造轻集料。如：浮石、火山渣、珍珠岩 等都是天然轻集料，粉煤灰轻集料是一种典型的工业废渣轻集料，各种粘土轻集 料、页岩轻集料属于人造轻集料；按材料属性分为无机轻集料和有机轻集料；按 其性能分为超轻集料、普通轻集料、高强轻集料，表8 是轻集料按性能分类指标 的对比，依据技术指标分为优等品、一等品及合格品。 表& 不同性能轻集料指标对比 t a b a l e8c h a r a c t e r i s t i c sf o rd i f f e r e n tl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e s 用轻集料、轻砂( 或普通砂) 、水泥和水、必要时加入化学外加剂和矿物外加 剂配制而成的、干表观密度不大于1 9 5 0k g m 3 的高强、高工作性，高耐久性、高 体积稳定性的混凝土。具有以下性斛站硼： ( 1 ) 轻质高强 集料中孔隙的存在降低了集料的容重，从而降低了轻集料混凝土的容重，轻 集料混凝土容重一般为8 0 0 1 9 5 0k g m 3 ，作承重结构用的轻集料混凝土的容重 为1 4 0 0 1 9 5 0k g m 3 ，比普通混凝土约小2 0 一3 0 ，而相应抗压强度可达到3 5 一 加m p a 。轻集料混凝土强度一般可达到1 5 - 5 0 级，最高可达7 0 级。国外已经获 得2 8 天强度达到5 5 5m p a ，而容重只有1 6 6 0k g m 3 的结构轻集料混凝土 ( 2 ) 保温隔热性能好 多孔轻集料内部的孔隙，还使其导热系数低，保温性能好。干燥状态人造轻 1 1 安徽理工大学硕士论文文献综述 集料混凝土的导热系数一般为0 2 1 o 8 1w m k ，远低于普通混凝土的1 8 6 2 0 9 w m k 和砖砌体的0 8 1w m k ，与普通粘土砖相比，不仅强度高，整体性 好，而且保温性能良好。用它制作墙体时，在同等的保温要求下，可使墙体的厚 度减少4 0 以上，而墙体自重可减轻一半以上。 ( 3 ) 抗震性能好 轻集料混凝土由于自重轻，弹性模量低，变形性能好，用它建造的建筑物， 在地震荷载作用下，所承受的地震力小；其构筑物在地震荷载下对冲击波能量吸 收快，震动波的传递较慢；且轻集料混凝土自振性能比普通混凝土要好，因而抗 震性能好i 蚓。( 轻集料混凝土相对抗震系数为1 0 9 ，普通混凝土为8 4 ，砖砌体为 6 4 ) 。例如1 9 7 6 年的唐山大地震中，天津、北京所有轻集料混凝土的建筑物无一 遭受破坏，而这些建筑物邻近的砖混结构的建筑倒塌和遭到破坏得较多。 ( 4 ) 耐火性能好 轻集料混凝土由于导热系数低，其耐火性能比普通混凝土高4 倍，在高温作 用下，可保护钢筋不遭受破坏。耐火性能试验中证明，普通混凝土耐火为1 h ，轻 集料混凝土则可达到4 h 。在6 5 0 ( 3 的高温下，轻集料混凝土能维持常温下强度的 8 5 ，而普通混凝土只能维持常温下强度的3 5 7 5 ，轻集料混凝土受热时由于 有轻集料的缓冲作用，其线膨胀系数比普通混凝土低2 0 3 0 ，变形小就稳定， 就不易破坏。对于同一耐火等级，轻集料钢筋混凝土板的厚度可以比普通混凝土 减薄2 0 以上。此外，轻集料还可以用于配制不高于1 2 0 0 的耐高温混凝土。 ( 5 ) 抗渗性好 轻集料混凝土的抗渗性能优于普通混凝土，如2 0 0 号轻集料混凝土的抗渗压 力可达1 8 2 5 个大气压，而普通混凝土仅为6 个大气压，用作上、下水管道，不 仅能降低自重，便于运输和安装，还可大大提高抗渗能力。 ( 6 ) 施工适应性强 人造轻集料及其混凝土可以在广阔的范围内配制，根据不同需要来生产不同 容重和强度轻集料混凝土，既可制作大孔无砂、全轻、砂轻混凝土，又可配制钢 筋和预应力钢筋混凝土；既可以预制，也可以用机械化现场浇筑，各种建筑体系 内部都可以使用。并且人造轻集料混凝土的生产工艺和普通混凝土基本相同，不 需要什么特殊的生产设备。 ( 7 ) 综合技术经济效果好 尽管高强轻集料混凝土单方造价比同强度等级的普通混凝土高，但由于其减 轻了建筑物的自重，缩小结构断面，增加使用面积，降低基础造价而具有显著的 安徽理工大学硕士论文 文献综述 综合经济效益。国内外工程实践证明，2 0 层以上的高层建筑，采用高强轻集料混 凝土可节约建筑造价1 0 左右。 1 3 2 轻集料生产应用概况 我国轻集料工业的发展始于人造轻集料研究与开发，近半个世纪以来，经历 了漫长而又曲折的过程。1 9 5 6 年在山东博山利用水泥回转窑试制成功我国第一批 粘土轻集料之后，至1 9 7 5 年轻集料的生产有了一定的规模，生产厂家发展到十几 个，轻集料及其砼的研究取得一定成绩。1 9 7 5 年以后，随着我国建筑工业化和墙 体改革的深入，轻集料的生产和应用有了较大发展，天然轻集料开始大量开采和 利用，至八十年代末，商品超轻轻集料及其超轻轻集料砼小型空心砌块问世，他 的性能符合墙体改革需要，因此一问世就得到社会的认可，轻集料工业特别是超 图1 人造轻集科产量和品种 f i g u r e lv a r i o u sl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ep r o d u c t s 轻集料得到迅速发展，1 9 7 8 年各种轻集料年产量达1 1 5 万m 3 ，其中人造轻集料 约3 0 万i n 3 。至1 9 9 5 年，我国人造轻集料生产厂有3 0 余家，年产量达2 0 0 万m 3 ， 安徽理工大学硕士论文文献综述 同时，伴随混凝土技术的发展，高强轻集料的发展出现强劲势头，用其配制的高 强轻集料混凝大量运用于桥梁、高层建筑的承重结构中【捌。2 0 0 5 年6 月，国务 院颁发t 2 0 0 5 1 3 3 号国务院办公厅关于进一步墙体材料革新和推广节能建筑的 通知，要求到2 0 1 0 年底，所有城市禁止使用实心粘土砖，力争到2 0 0 6 年，新建 建筑严格执行建筑节能设计标准，到2 0 1 0 年，新型墙体材料产量占墙体材料的比 重达到5 5 ，建筑应用比例达到6 5 以上，通知的颁布大大推动了轻集料的发展， 2 0 0 5 年我国人造轻集料产薰达到4 0 0 万一，图1 为我国八十年代以后人造轻集 料产量和产品结构【删 在国外，生产和使用人造轻集料混凝上己有9 0 多年的历史。其中以美国、丹 麦、挪威、德国和日本等发达国家的研究和应用水平较高，且每年以较快的速率 递增p 1 书l 。上世纪五六十年代，轻集料混凝土在美国得到快速发展。这期间美国 先后建造了1 0 0 余座中小型轻集料混凝土桥梁和大量的民用建筑和公共设施。同 一时期，轻集料混凝土在前苏联、法、德等欧洲国家也得到了迅速发展，各国轻 集料产量迅速增加，如美国在7 0 年代初期轻集料年产量就达到1 8 0 0 万m 3 ，前苏 联也达到了1 0 0 0 万皿1 3 以上。在德国的f i i h l i n g e r 桥首次使用了后张预应力轻集料 混凝上以后，轻集料混凝士升始大量用于人型桥梁结构。例如，荷兰、美国在7 0 年代期间就建造了多座跨度超过1 0 0 m 的大型轻集料混凝土桥梁上世纪9 0 年代 初期，轻集料混凝土研究与应用在挪威等北欧国家 寻到了大力发展，以挪威、美 国和日本为代表，一些国家在普通轻集料混凝土的研究与应用基础上先后开展了 对高强、高性能轻集料混凝土的研究，内容涉及到高强轻集料混凝土的配制、生 产工艺、高性能轻集料的研究等多个方而，重点则在于改善混凝土工作性和耐久 性，并己取得了一些成果。例如，挪威研制的 f _ a o - - l c 6 0 高强轻集料混凝土己 建设了1 0 余座大跨度桥梁，其中有世界上跨度最大的3 0 0 米恳竹桥。此外还建设 了二十余座海上石油平台每个平台使用高强轻集料混凝土约争- 6 万立方米。在 北欧地区，高强轻集料和轻集料混凝土的产量和使用量在逐年增加。 1 3 3 轻集料的生产工艺概况 美国是世界上生产人造轻集料最早的国家，1 9 0 8 年，美国开始利用膨胀住粘 土和页岩为原料，透过回转窑高温( 约1 1 0 0 o ) 快速煅烧过程制造人造轻集料， 1 9 1 9 年，o l s e n 和o s e a 首先取得煅烧页岩及其混凝土的美国专利。1 9 3 0 年初期， 利用天然资源生产轻集料专利开始在美国大量问世。当时主要的烧结设备多为回 转窑，煅烧温度相对较低，轻集料在回转窑中破损严重。二十世纪六十年代，相 1 4 安徽理工大学硕士论文 文献综述 继开发出立窑和烧结机烧结法制备超轻和高强轻集料。随着人们环境意识的增强， 七十年代，开始出现利用工业废渣和城市淤泥为原料，粉煤灰烧结轻集料生产工 艺得到迅速发展。进入八十年代，利用淤泥和粉煤灰为原料生产出的轻集料大量 问世，其生产技术以丹麦的“史密斯”技术和英国的“史泰来”技术为代表m 蜘。 “史密斯”技术使用粘土、淤泥等为原料，在回转窑内成球、煅烧。对粘土、淤 泥的化学成分和物理性能有特定要求，若以粉煤灰为主要原料，需要粘结剂，窑 外成球。其主要生产工艺过程为： ( 1 ) 原料“陈化”处理。含水率达到设定，输入原料库“陈化”2 4 h ，经机械“揉 和”后，进入回转窑。 ( 2 ) 使用外加剂。为调节淤泥和粘土成份，提高轻集料膨胀率，在机械“揉和” 过程中，掺入名为“油渣”的有机物质。 ( 3 ) 窑内直接造粒进入回转窑的泥料，经过链条装鬣的特殊处理，直接形成粒 径符合设定要求的料球。 ( 4 ) 多节插入式回转窑焙烧。依据“史密斯”技术设定的焙烧条件，由两节或三 节不同直径的回转窑，插入形成不同温度，不同长度的焙烧区域，完成轻集料在 特殊环境中的连续焙烧过程。 ( 5 ) 竖式冷却高温轻集料。回转窑j j 出的高温强集料，经过竖式冷却机，空气强 化冷却后，筛选入仓。 “史泰来”技术是以粉煤灰为原料，经焙烧机焙烧，形成高强度轻集料的一 种生产工艺。粉煤灰中大于4 5 u r n 的颗粒含量超过4 5 时，通过选粉器，进行预 处理。粉煤灰中碳含量不足5 时，需添加煤粉，煤粉细度要求小于1 5 0 , u r n ，细 度合格的粉煤灰，输入混合仓，均化2 4 h 后，通过计量，输入混合器。为了调整 粉煤灰的化学成分，有时需要添加一定量的改性剂时，按实验确定的比例后同时 输入混合器混合均匀。混合均匀的粉煤灰，输入搅拌器与一定比例的水，通过搅 拌，形成小的生料球核，之后输入成球机，在成球过程中，喷洒一定比例的水， 通过调整成球盘的倾斜角度和转速，使其球核逐渐增大，形成颗粒组成符合设计 要求的料球，生料球通过喂料机，均匀喂入烧结机，烧结温度与粉煤灰的灰融点 有关，通常9 0 0 1 2 0 0 。烧结机的长度取决于烧结温度和烧结时间，可用煤粉， 也可用渣油或天然气为燃料。烧成的轻集料，通过传送带输入振动筛分级，大于 设计要求的颗粒，通过锤式破碎机破碎后再输入振动筛，小于4 r a m 的颗粒作为 陶砂产品，粉料返回原料储仓 传统烧结方法生产轻集料工艺的优点是产量高、成本低，吃灰量大；产品质 安徽理工大学硕士论文文献综述 量稳定，控制灵活，操作简便：热能利用合理，对原材料也不苛求；生产的轻集 料强度高，容重小，综合性能优良，可作为较高等级轻质混凝土的集料用于高层 建筑或路面施工等，其缺点是设备笨重，工艺复杂，用钢量多，仅以原设计1 8 m 2 烧结机总重达1 1 7 t ；燃烧消耗大，要求生料球含炭量4 _ - 6 ，此外尚须点火用 燃料：耗电量大，配烧套结机的通风机风量、风压大，用电量也大。目前每生产 l m 3 轻集料需耗电2 7 2 8 k w ；表层轻集料质量不易控制，烧结机熔烧轻集料虽然 生产上容易调节、控制，但表层轻集料进出点火器时，易骤热、骤冷，影响轻集 料的焙烧质量。因此而使得轻集料生产成本提高，在一定程度上限制了轻集料生 产和应用。 1 3 4 兔烧粉煤灰轻集料研究概况 人们早已认识到粉煤灰掺加部分激发剂可在常温下制作胶凝材料，并进行了 大量的试验研究，由于作为胶凝材料或强度太低或成本过高而未引起人们足够的 重视，但随粉煤灰引起的环境问题日益恶化和粉煤灰在建材中应用后对节约能源、 资源的积极作用，粉煤灰建材资源化观点为更多人所接受，以及复配激发剂的发 展，粉煤灰胶凝材料的发展出现了良好的势头，兔烧粉煤灰轻集料就是其中的一 种制品。欧盟一些国家，在生产免烧粉煤灰轻集料方面进行了大量开发和研究， 其中最为成功的是荷兰的h o o g o v e n s 公司i 删和其它些公司，9 0 年代该公司研 制出了粉煤灰掺量在9 0 以上的免烧轻集料，并建立了年产3 5 万吨粉煤灰轻集 料生产厂，产品性能良好，各项质量指标均能达到a s t m 要求m ，且具有生产工 艺简单、能耗小、成本低等优点。美国、日本、印度等国家在免烧粉煤灰轻集料 生产与应用方面也有较深入的研究，表9 是一些粉煤灰免烧轻集料生产概况。【蟠l 表9 三大免烧粉煤灰轻集料企业生产概况 t a b l e9t h r e ed o n - s i n t e r e dc o a la s hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ep r o d u c t s 我国在这方面的研究起步稍晚。有一些研究成果，安徽省建筑科学研究院研 1 6 安徽理工大学硕士论文 文献综述 制的免烧粉煤灰轻集料以耗能低( 自然养护) 吃灰量大，工艺简单为特点，生产了 堆积密度为6 5 0 8 0 0 k g m 3 ，粒径为：卜- 2 0 m m 粉煤灰轻集料所配制的c 2 0 、c 3 0 轻集料混凝土主要物理性能耐久性基本符合规范值，但收缩值仍处于以允许值上 限。华北电力大学庞兰辉、张树国【4 9 】等研制出了粉煤灰掺量7 0 的免烧轻集料， 其性能符合我国标准。清华大学的冯乃漾i s o 利用泡沫塑料为芯材研制出了自然