（材料学专业论文）工业废弃物在蒸压硅酸盐制品中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文研究了粉煤灰、磷石膏、钢渣和硫铁尾矿等工业废弃物在蒸压硅酸盐制 品中的综合利用。 粉煤灰已广泛用于水泥混合材、混凝土掺合料、烧结砖、砌块以及其它新型 建筑材料制品。但由于煤的产地和燃烧制度等的不同，粉煤灰的化学成分和性能 都波动甚大。前人对粉煤灰烧失量和含钙量对蒸压硅酸盐制品的影响已作了许多 研究。硅酸盐建筑制品用粉煤灰已制定了行业标准，对其细度、标准稠度用水量、 烧失量、二氧化硅及三氧化硫含量提出了技术要求。本文主要研究粉煤灰铝硅比 对蒸压硅酸盐制品抗压强度的影响。研究证明，高铝硅比的粉煤灰由于部分a 1 2 0 3 形成刚玉结构，在蒸压条件下，刚玉难以与石灰反应，且这种铝硅比高的粉煤灰 玻璃相含量较少，使蒸压硅酸盐制品的抗压强度大大降低，此类粉煤灰直接用作 蒸压硅酸盐制品原材料是不利的。并建议硅酸盐建筑制品用粉煤灰有关标准的技 术要求需增列与铝硅比有关的技术指标，使不同a 1 2 0 3 含量的粉煤灰得到合理的 综合利用。 工业废弃物磷石膏已被用作水泥缓凝剂，但磷石膏会使水泥的凝结时间延长 较多，多数需经过一定的处理后才应用。本文研究在蒸压硅酸盐制品中使用无需 另行处理的磷石膏取代一般的天然石膏对制品抗压强度的影响。研究证明，磷石 膏的溶解速度高于一般的天然石膏，以磷石膏取代一般的天然石膏，可提高蒸压 硅酸盐制品的强度，并使磷石膏得到更有效的综合利用。 钢渣应用于蒸压硅酸盐制品及硫铁尾矿作水泥生产原材料已有研究和相关 的技术报道。本文创新性地研究在蒸压硅酸盐制品中掺入钢渣和硫铁尾矿的复合 物。研究证明，钢渣和硫铁尾矿的复合物掺入蒸压硅酸盐制品后，利用其相互作 用，能较大幅度地提高制品的抗压强度，这为硫铁尾矿的综合利用开拓了新的途 径。利用硫铁尾矿和钢渣复合生产蒸压硅酸盐制品，经广东省科技情报查新，结 论为未见有相同特点的技术成果及其生产技术报道。 本文对于硫铁尾矿和磷石膏在蒸压硅酸盐制品的应用研究，不仅可以提高蒸 压硅酸盐制品的强度，而且使这些工业废弃物得到更有效的综合利用，特别是开 拓了硫铁尾矿和磷石膏综合利用的新途径，对废弃物资源化具有重要意义。 关键词：粉煤灰；磷石膏；钢渣；硫铁尾矿；蒸压硅酸盐制品 a b s tr a c t t h ea p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a lw a s t ef l ya s h ，p h o s p h o g y p s u m ，s t e e ls l a ga n dt h e m i n ew a s t eo ft r o i l i t eo na u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t sw e r es t u d i e di nt h i sp a p e r f l ya s hh a sb e e nw i d e l yu s e da st h eb l e n d i n gc o m p o n e n to fc e m e n t ，t h ea d d i t i o no f c o n c r e t e ，s i n t e r i n gb r i c k ，b u i l d i n gb l o c ka n ds o m eo t h e rn e wb u i l d i n gm a t e r i a l p r o d u c t s b u tb e c a u s eo ft h ed e f e r e n c eb e t w e e nc o a l sp r o d u c i n ga r e aa n db u r n i n g s y s t e m ，t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dp e r f o r m a n c ev a r i e dg r e a t l y t h ei n f l u e n c e so f f l ya s h sl o ia n dc a l c i u mc o n t e n to na u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t sh a v eb e e nw i d e l y s t u d i e d f r ya s hu s e di ns i l i c a t eb u i l d i n gp r o d u c th a se n a c t e dt h et r a d es t a n d a r da n d r a i s e dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n ts u c ha sf i n e n e s s ，t h ew a t e rc o n t e n to fn o r m a l c o n s i s t e n c y ，l o i ，t h ep r o p o r t i o n so fs i 0 2a n ds 0 3 i nt h i sp a p e rt h ek e yp o i n tw i l lb e p u to n t h ei n f l u e n c e o fa l u m i n a s i l i c ar a t i oo nt h e c o m p r e s s i o ns t r e n g t h o f a u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t s i ti sp r o v e dt h a tt h ec o r u n d u mw h i c hf o r mi nf l ya s h w i t hh i g ha l u m i n a s i l i c ar a t i oi sd i f f i c u l tt or e a c tw i t hl i m ei na u t o c l a v e dc o n d i t i o n ， a n dv i t r e o u sp h a s ea r el i t t l e s ot h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho fa u t o c l a v e ds i l i c a t e p r o d u c t si sd e c r e a s e dc o n s u m e d l y t h i sk i n do ff l ya s hi sd i s a d v a n t a g e o u sw h e nw a s u s e di na u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t s a n di ti ss u g g e s t e dt h a tt h et e c h n i c a lg u i d e l i n e s h o u l db er e l a t e dw i t ha l u m i n a - s i l i c ar a t i o t h e n ，t h i sk i n do ff l ya s hc o n t a i n i n gh i g h p r o p o r t i o no f a l 2 0 3c a ng e tg o o du t i l i z a t i o n p h o s p h o g y p s u m ，ai n d u s t r i a lw a s t e ，h a sb e e nu s e di nc e m e n ta sr e t a r d e r b u ti t w i l lp r o l o n gt h es e tt i m eo fc e m e n t s op h o s p h o g y p s u mn e e db et r e a t e db e f o r e u t i l i z a t i o n i nt h i sp a p e rt h ei n f l u e n c e o fw h i c ho nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hi s s t u d i e d ，p h o s p h o g y p s u mw h i c hn o tb et r e a t e di ss u b s t i t u t e df o rn a t u r a lg y p s u mi n a u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t s i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n t st h a tt h ed i s s o l u t i o nr a t eo f p h o s p h o g y p s u mi sf a s t e rt h a nn a t u r a lg y p s u m s n o to n l yt h es t r e n g t ho fa u t o c l a v e d s i l i c a t ep r o d u c t sc a nb ei m p r o v e db u ta l s op h o s p h o g y p s u mw i l lb em o r ee f f e c t i v e l y u t i l i z e d ，w h e np h o s p h o g y p s u mi ss u b s t i t u t e df o rn a t u r a lg y p s u m m a n yp e o p l eh a v es t u d i e dt h a ts t e e ls l a gw a su t i l i z e di na u t o c l a v e ds i l i c a t e p r o d u c t sa n dt h em i n ew a s t eo ft r o i l i t eu t i l i z e da sp a r e n tm a t e r i a lo fc e m e n t i ti sa i n n o v a t i o nt h a ta d d i n gs t e e ls l a ga n dt h em i n ew a s t eo ft r o i l i t ei na u t o c l a v e ds i l i c a t e p r o d u c t si nt h i sp a p e r i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n t st h a tt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f a u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t sc a nb eo b v i o u s l yi m p r o v e da f t e ra d d i n gt h ec o m p o u n d l i t 华南理工大学工学硕士学位论文 o fs t e e ls l a ga n dt h em i n ew a s t eo ft r o i l i t e i ti san e ww a yo fu t i l i z i n gt h em i n e w a s t eo ft r o i l i t e a f t e rt h ei n v e s t i g a t i o na n dv e r i f yo ft e c h n o l o g i c a li n f o r m a t i o no f g u a n g d o n gp r o v i n c e ，t h ec o r r e l a t i v et e c h n i c a lp r o d u c t i o n i sn o tf o u n dw h i c ha d d i n g s t e e ls l a ga n dt h em i n ew a s t eo ft r o i l i t ei na u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t s i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c ho nt h em i n ew a s t eo ft r o i l i t ea n dp h o s p h o g y p s u mu t i l i z e di n a u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t sn o to n l yi m p r o v e st h es t r e n g t ho fa u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t s ，b u t a l s om a k et h e s ei n d u s t r i a lw a s t eu t i l i z e de f f e c t i v e l y s p e c i a l l yi te x p l o i t st h en e wm e t h o do f u t i l i z i n gt h em i n ew a s t eo ft r o i l i t e a n dp h o s p h o g y p s u m ，i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o no n r e s o u r c er e c o v e r yo fi n d u s t r i a lw a s t e k e yw o r d s ：f l ya s h ；p h o s p h o g y p s u m ；s t e e ls l a g ；t h em i n ew a s t e o ft r o i l i t e ； a u t o c l a v e ds i l i c a t ep r o d u c t s ； i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：际寸耸 日期：别年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在弓年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 蔽中华 导师签名：二雾s 瓤 ，、一 日期：泖岁年彩月形日 日期：；年占月，6 曰 第一章绪论 1 。1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 墙体材料的使用现状 取土烧砖，砌城筑阁。在我们先人的眼里，用秦砖汉瓦一一粘土实心砖修房 建屋，似乎是天经地义，因为即便像万里长城、秦皇陵等这些恢宏磅礴、气象万 千的巨构，也无一例外。但是，随着可持续发展战略的提出，人们越来越重视人 类和自然的协调。在这一战略思想的促动下，为了保护耕地、保护环境、节约能 源，人们向传统材料和技术发起了挑战；一些新的建筑材料应运而生，正越来越 多的替代着拥有2 0 0 0 多年历史的秦砖汉瓦。 早在2 0 世纪5 0 年代末到6 0 年代初，国内有一些地区开始研制，并小批量 生产烧结多孔砖，到6 0 年代中期有1 7 个省市在开发和生产，规格开始多样化， 品种已有3 0 多种，发展应用到各类民用建筑和工业建筑，从低层砖结构建筑到 多层砖混结构建筑。7 0 年代以后，随着框架结构建筑的发展，我国水平孔非承 重空心砖逐步发展起来，开始应用于建筑工程，但总的说来产量不大。1 9 7 4 年 烧结多孔砖和水平孔空心砖的最高年产量折成标准砖为1 1 1 5 亿块，占当年砖总 产量的3 8 。8 0 年代以来，基于国家建筑节能的要求，多孔砖和空心砖的生产和 应用有了一些进展，但发展的速度还不快，1 9 8 0 年的产量折成标准砖为1 2 亿块， 1 9 8 7 年为1 4 1 亿块。 1 j 1 9 8 8 年1 1 月以来，国家建材局、建设部、农业部、国家土地局联合成立了 墙体材料革新与建筑节能领导小组，采用系统工程的方法先后在哈尔滨、成都市、 江苏省进行了试点，随后又通过自我研制开发与引进国外生产技术和设备，建立 了一大批新墙材生产企业，生产了许多品种的新墙材，已初步形成砖、砌块和板 材三大类新型墙体材料的产品结构。1 9 9 6 年全国新型墙体材料产量约合1 4 0 0 亿 块标准砖，占墙体材料总量的2 0 ，比1 9 7 9 年提高了1 7 个百分点1 2 j 。截至1 9 9 9 年，全国有加气混凝土生产线约2 0 0 条，形成生产能力1 0 0 0 万m3 ，1 9 9 8 年生产 加气混凝土近4 0 0 万m3 。在混凝土小型空心砌块方面，近年来全国总产量约3 0 0 0 万m3 ，约占新型墙体材料总量的1 5 ，其中各种轻集料混凝土小砌块的年产量 约为5 0 0 万1 t i3 约占全国混凝土小砌块总产量的2 0 。蒸压灰砂砖在8 0 年代中 期共建生产线4 0 0 多条，年生产4 0 多亿块标准砖。9 0 年代从德国引进了4 0 0 t 双面加压液压机的设计制造技术，该机投放市场后使我国蒸压灰砂砖生产技术装 备水平上一新台阶。其它如空心砖、烧结粉煤灰砖、煤矸石砖、烧结页岩砖在 华南理工大学工学硕士学位论文 9 0 年代的生产、应用技术走向成熟，装备技术有了较快发展，品种增多，质量 上档次。全国新型墙体材料产量占墙体材料的总量的比例从1 9 9 0 的4 6 提高到 2 0 0 0 年的2 8 ，去年新型墙材的产量已达到2 1 0 0 亿块标准砖。从1 9 9 0 年至1 9 9 9 年，累计使用新墙材的建筑面积共计3 3 亿m 2 。1 3 1 广州市的新型墙体材料推广应用工作从1 9 9 2 年以来得到了迅速的发展，生 产应用量逐年提高。据统计，2 0 0 0 年进入广州市的新墙材生产企业有6 0 多家， 生产能力2 0 多亿块标准砖，产品分砖、砌块、墙板3 大类共2 0 多个品种( 如表 1 1 所示) ，新墙材的使用量占墙材总量的7 0 ，达到7 6 1 亿块标准砖，比1 9 9 9 年增长2 3 【3 1 。从产品的应用结构看，应用量较多的依次是灰砂砖、粘土烧结空 心砖、混凝土空心砌块、废渣砖、加气混凝土砌块、轻集料混凝土砌块和页岩砖， 墙板用得比较少，不到3 。 表1 1 广州市新型墙材品种一览表 t a b l e1 - 1t h ev a r i e t yo fn e wb u i l d i n gm a t e r i a lo fg u a n g z h o u 墙材类别 产品名称 蒸压灰砂砖 粘土烧结空心砖 砖类 粉煤灰烧结砖 页岩烧结砖 陶粒混凝土小型空心砌块 煤渣陶粒混凝土小型空心砌块 普通混凝土小型空心砌块 砌块类 粉煤灰蒸压加气混凝土砌块 灰砂蒸压加气混凝土砌块 膨胀珍珠岩混凝土小型空心砌块 g r c 空心轻质隔墙板 g f c 钢网水泥空心板 钢丝网架水泥聚苯乙烯夹芯板 钢丝网架水泥岩棉夹芯板 水泥纤维面夹芯板 板材类 金属面聚苯乙烯夹芯板 铝面蜂巢结构夹芯板 无机纤维板面蜂巢结构夹芯板 纤维水泥板 纤维石膏板 2 第一章绪论 墙体材料革新经过十几年的努力，有了一定的进展。尽管如此，但发展过程 并不平衡，在很多地区新型墙体材料的推广应用还有很大阻力。粘土实心砖仍然 占据着墙体材料的统治地位，在大城市占到7 5 以上，在小城市及广大农村占 到9 5 以上【2 1 。分析其原因：其一，“秦砖汉瓦”是多少年来人类在建筑中广泛 应用的材料，根深蒂固，已完全为人们所接受，而新型墙体材料发展的历史还不 长，广大用户对新型墙体材料的认识水平还缺乏一个质的转变；其二，新型墙体 材料还存在一些缺陷。【4 】由于新型墙体材料发展的历史还不长，在一般情况下生 产这些新型墙体材料的企业规模比较小，有的处于仿制阶段，缺乏科研和产品迅 速更新的能力，缺乏完善的质量保证体系，缺乏快速的信息反应系统，对产品缺 陷的预防，发现问题的处理，防止问题的再发生等方面，还处于小规模生产的水 平。 5 1 这两方面的因素是新型墙材推广应用的严重滞障。 1 1 2 传统墙体材料和新型墙体材料的比较 国内传统墙体材料中，粘土实心砖一直占绝对的主导地位，约占墙体材料总 量的9 0 左右【6 1 。烧结粘土实心砖是典型的不可持续发展材料，但对粘土实心砖 和新型墙体材料的优劣，我们不能一概而论；下面我们从成本、环境协调性以及 使用性能等各个方面对其二者加以比较。 1 1 2 1 粘土实心砖与新型墙体材料的成本比较 这里所说的成本是指直接成本，即材料成本和旌工成本。 1 材料成本这里所提的材料成本是指用于购买材料至施工现场的成本，包 括材料费( 含包装等辅助材料) 、运输费等。由于粘土实心砖和新型墙体材料在 运输费上的差距不是很明显，一般可将其忽略。粘土实心砖的单位价格是远低于 新型墙体材料的，这正是目前粘土实心砖在墙体材料中仍占主导地位的主要原因 之一。 2 施工成本由于粘土实心砖体积小，单位面积粘土实心砖墙体施工所需工 时高于新型墙体材料，大型板材墙体材料施工所需工时则更小。因而，粘土实心 砖的这部分成本要高于新型墙体材料，并且随着单位劳动力成本的增加而增加。 1 1 2 2 粘土实心砖与新型墙体材料的环境协调性比较 1 粘土实心砖不利于保护环境和节约资源 烧制粘土实心砖要毁坏大量的农田，且导致农田难以复耕。据有效资料显示， 全国现有生产砖瓦企业1 1 万多家，占地约5 0 0 万亩，年产量达7 0 0 0 亿块标准砖， 每年烧砖毁田数约达1 0 万亩。1 7 - 8 粘土实心砖需高温烧制，生产过程中消耗大量的能源。能耗约占全年能源消 华南理工大学工学硕士学位论文 耗总量的15 左右f 关于加快墙体材料革新和推广节能建筑的意见，国发 1 9 9 2 1 6 6 号) 。生产粘土砖比生产同体积新型建筑材料耗能高出一倍左右，严重浪费资源。 粘土实心砖的烧制过程中会释放出大量的含氟、硫等有害物质的废烟气，严 重污染环境。 2 新型墙体材料有优良的环境协调性 ( 1 ) 避免或大量减少烧砖毁田新型墙体材料一般不用或很少采用粘土为 原材料，因此，新型墙体材料不象粘土砖那样以毁田为代价。新型墙体材料可以 代替粘土砖，因此发展新型墙体材料可以大量节省土地。如1 0 0 0 0 m3 混凝土砌 块可取代7 0 0 万块粘土实心砖，可节土1 3 0 0 0 m3 ，若按平均采土深度3 m 计，则 可节约6 5 亩耕地【”。 ( 2 ) 节约产品的生产能耗由于国内的墙体材料粘土实心砖占据了绝对的 统治地位，因此耗能很大。据统计，目前国内墙体材料生产能耗和建筑采暖能耗 近一亿五千万吨标煤，约占全年能耗总量的1 5 左右 6 】。与粘土砖生产能耗相比， 砌块类墙体材料的生产能耗可大幅度降低。 砌块类墙体材料与粘土砖生产能耗对比见表1 2 。 表1 2 砌块类与粘土砖的生产能耗 t a b l e l 一2t h ep r o d u c te n e r g yc o n s u m p t i o no fb l o c k sa n dc l a yb r i c k s ( 3 ) 可充分利用地方资源和工业废渣天然砂石、天然轻集料r 火山渣、浮 石) 、工业废渣( 煤渣、矿渣、粉煤灰、煤矸石) 等都可作为砌块类墙体新材料的原 料，如每1 0 0 0 0 m 3 加气混凝土制品可利用粉煤灰4 0 0 0 吨( 按容重5 0 0 6 0 0 k g m 3 计算) 1 6 。 ( 4 ) 污染物排放量小因新型墙体材料大都采用免烧或低温快烧技术，所 以生产过程中有害废烟气排放量远远小于烧制粘土实心砖时的排放量。 1 1 2 3 粘土实心砖与新型墙体材料的使用性能比较 粘土实心砖自身较重，加大了基础的负荷，从而增加了结构造价，尤其是在 高层建筑中，则更显其不足；另外，粘土实心砖保温、隔热能力差，不利于建筑 节能且其自身较厚，影响室内有效使用面积。 而新型墙体材料，其性能好，基本可以满足建筑对材料功能的要求。新型墙 体材料可作承重墙和非承重墙材料，其强度、耐久性、绝热性、隔音性、防火性、 4 第一章绪论 装饰性等基本性能可适应各类建筑的要求。另外，砌块的生产线通过更换模具即 可生产其它类砌块材料，作到一条生产线可以生产多品种、多型号的砌块材料， 如混凝土生产线更换模具就可生产铺地砌块、装饰砌块、花格砌块、楼( 屋) 面砌 块、护坡砌块仓池砌块等品种。 新型墙体材料的自重一般较粘土砖墙要轻，故可减轻建筑荷载，有利于防震。 新型墙体材料可用于建造中层或高层建筑，且建筑寿命长。与粘土砖相比， 可节约砌筑砂浆5 0 左右；墙面抹灰砂浆比砖墙抹灰节约2 0 以上【6 】。 1 2 粉煤灰及粉煤灰蒸压制品 1 2 1 粉煤灰简介 煤炭在锅炉中燃烧后有两种固态残留物一一灰和渣。随烟气从锅炉尾部排除 的，主要经除尘设备收集下来的固体颗粒即为粉煤灰，简称灰或飞灰。我国电力 工业以燃煤为主，每年排放量达5 0 0 0 万吨以上【9 】。如不有效加以利用，就会大 量占用农田、堵塞江河、污染环境。 1 2 1 1 粉煤灰的物理化学性质 粉煤灰是燃烧煤颗粒物中所含矿物质经历了一系列变化而形成的。这些矿物 质主要是硅酸盐矿物( 粘土、岩盐、长石等) 和石英等，经高温晶格( 除少量石 英外) 受到破坏而熔融，在表面张力和外部压力作用下变成液滴，逸出锅炉后急 骤降温凝固成硅酸盐玻璃态微珠( 漂珠、磁珠、沉珠等) 。这些微混合物夹杂着 少量单体碳和石英，由烟囱排除形成粉煤灰。 粉煤灰一般分为飞灰和底灰。飞灰指进入烟气的灰分，其余为底灰，它们的 物理、化学及矿物学性质由多种因素决定，包括母灰的成分、燃烧条件、除尘装 置的效率、类型以及排放方法。 粉煤灰的主要化学成分是s i 0 2 和a 1 0 3 ，属铁铝硅酸盐，占支配地位的元素 有s i 、a 1 、f e 、c a 、k 、n a 、m g 、s 和未燃尽的碳【1 0 】。有些粉煤灰还可能富集 了锗、镓、铀、镍、铂等稀有元素。灰中的初级矿物只要有石英、玻璃、多铝红 柱石，少量矿物组分有石膏、石灰、赤铁矿、方镁石等，除硅酸盐外，还有硫酸 盐、碳酸盐、氧化物和硫化物。 粉煤灰外观类似水泥，它的成分和细度都将影响其颜色，从乳白色到灰黑色， 它呈多孔性蜂窝状组织，比表面积较大，一般在2 6 0 0 5 0 0 0 c m 2 g ，因此具有较 高的吸附活性。粉煤灰颗粒大小为0 5 3 0 0 u m 。比重2 1 2 6 i l 。 粉煤灰的这些物理化学特性决定了它可以在许多领域得到应用。我国粉煤灰 的综合利用已经有几十年的历史，但目前尚无公认的分类方法，只是笼统地将氧 华南理工大学工学硕士学位论文 化钙含量较高地粉煤灰称作高钙灰；反之，则称为低钙灰。许多学者及工程应用 部门都将有关化学成分作为粉煤灰品质分类、分级的依据之一。例如，粉煤灰分 类与氧化钙有关，烧失量与粉煤灰等级有关等。美国学者m c c a r t h y 在采集并分 析了1 7 8 个粉煤灰灰样的化学组成后指出，既然粉煤灰的主要性能与其氧化钙含 量有关，粉煤灰的分类方法理应基于其氧化钙含量。他把氧化钙含量低于1 0 的粉煤灰称为低钙灰，把氧化钙含量在1 0 2 0 之间的粉煤灰称为中钙灰， 把氧化钙含量高于2 0 的粉煤灰称为高钙灰。【1 1 】 1 2 1 2 世界上几个排灰大国的粉煤灰利用情况 据有效资料显示，目前年排灰量在5 0 0 0 万t 以上的大国，有前苏联、中国 和美国，分别排灰1 2 亿t 、9 9 3 6 万t 和7 3 4 4 万t 【l ”。世界上几个排灰大国的粉 煤灰利用情况如下：i l “”j 前苏联以湿排粉煤灰为主，最近期间才开始增加干排灰的设施，现在每年干 排灰为1 0 0 0 万t ，约占1 0 ，年利用量为1 5 0 0 万t ，利用率为1 3 0 。主要是用 来制作水泥、墙体制品、混凝土、砂浆掺合料和道路填方材料。 美国是粉煤灰资源开发利用比较先进的国家，1 9 8 3 年颁布实施对于水泥 和混凝土中掺有粉煤灰的联邦政府的指导原则，对粉煤灰的利用起到了积极的 推动作用。1 9 9 4 年排放灰渣7 3 4 4 万t ，其中1 4 被利用。主要是用在水泥、混 凝土当中。 英国按1 9 8 9 年的统计，粉煤灰的排放量为1 2 5 4 万t ，利用量是6 1 2 t ，利用 率为4 9 ，是利用率比较高的国家。7 0 年代以来，英国积极发展适用于钢筋混 凝土的优质商品粉煤灰，并系统的研究和发展了粉煤灰混凝土的应用技术，现年 利用量达6 0 万t ，至今已浇铸了粉煤灰混凝土1 亿多m 3 。l j 1 2 1 3 粉煤灰在建材工业中的利用 作为一种材料或产业，节约资源、能源也是为了本身能够持续存在和发展。 水泥和混凝土毫无疑问是当代最大宗的人造材料，需要由大量的石头、砂子、粘 土、燃料等原燃材料。水泥和混凝土能否长期作为最主要的建筑结构材料，关键 在于能否成为绿色材料，如果仍以大量使用资源、能源为代价，让其低效、粗放 地发展，不仅会大量消耗我国有限的资源、能源，而且会给环境保护带来沉重的 负担。粉煤灰由于其产出量的巨大，以及利用技术上的优势，使其在水泥、混凝 土、建筑制品等绿色建材中的应用，有着广阔的前景。 ( 1 ) 在水泥工业中的利用 粉煤灰在水泥中的应用可分为两部分。一是用作生料原料，二是用作混合材。 用作水泥生料的原料，主要是利用其s i 0 2 、a 1 2 0 3 、和f e 2 0 3 的成分替代部 分粘土。由于粉煤灰的a 1 2 0 3 较粘土为高，所以常要利用硅砂来调整配方，即粉 6 第章绪论 煤灰、硅砂配料。般粉煤灰用量1 0 以内。它的优点是一般粉煤灰含碱量较 粘土为低，有利于新型干法生产，不易出现结皮现象，同时可用于生产低碱水泥。 用作水泥混合材，主要是利用其火山灰性质，掺加1 0 ，可以生产普通硅 酸盐水泥，用量在3 0 以内，可生产粉煤灰水泥 1 5 】。 水泥工业是可以利用粉煤灰的大户之一，但是目前用得还不多，主要是要解 决供应干灰及相应的输送问题。 此外，可以配制少熟料砌筑水泥，专用于砌筑砂浆。也有现场掺粉煤灰作砂 浆的，以节约水泥，改善和易性。 ( 2 ) 在混凝土中的利用 随着商品混凝土和大型建筑工程的发展，粉煤灰在混凝土中的利用正向广度 和深度发展。除了利用数量大幅度提高外，利用的水平也有很大的提高。已经从 2 0 世纪5 0 、6 0 年代节约水泥、降低水泥水化热为主要目的，发展到适应不同要 求的商品混凝土和混凝土工程，例如改善混凝土的和易性，提高混凝土的耐久性、 可泵性、抗渗性、抗裂性等。 通过8 0 、9 0 年代对粉煤灰性质的深入研究，提出了粉煤灰在混凝土中的利用， 主要是利用它的三种效应：火山灰活性效应，即水泥水化产生的c a ( o h ) 2 将激 发粉煤灰的活性，使之反应生成以c s h 凝胶为主的胶凝物质；形态效应，即 由粉煤灰的形貌所决定的，当其微珠含量较高时( 5 0 ) ，可减少混凝土的用水量， 改善混凝土的工作性质；微集料效应，即细颗粒( 4 5um ) 的粉煤灰可填充混凝 土中的细小孔隙，与c a ( o h ) 2 反应所生成的凝胶也可填充微小孔隙，均使混凝土 更加致密。j j 对于用作混凝土掺合料的粉煤灰技术要求，中华人民共和国行业标准对 g b l 5 9 6 9 1 用于水泥和和混凝土中的粉煤灰 16 】中规定的粉煤灰的技术要求 如表1 3 所示。 表卜3 用作混凝土掺合料的粉煤灰技术要求 t a b l e1 - 3t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to ff l ya s ha sa d d i t i o ni nc o n c r e t e 级别 指标名称 i1 ii l l 细度( 0 0 4 5 m m 方孔筛筛余)不大于 1 2 2 0 4 5 需水量比，不大于 9 51 0 51 1 5 烧失量，不大于 581 5 含水量，不大于 l1不规定 三氧化硫，不大于 333 华南理工大学工学硕士学位论文 粉煤灰混凝土配制技术的提高，可以应用到粉煤灰制品生产中去，它必将促 进粉煤灰制品生产技术的发展。 ( 3 ) 在建筑制品中的利用 目前，粉煤灰在建筑制品中的利用，主要是利用它的火山灰活性。由此可以 生产多种产品，主要是一些墙体材料，如粉煤灰砖、粉煤灰砌块、加气混凝土、 硅酸钙板、彩色路面砖、水泥一粉煤灰瓦、轻质墙板等。如果在粉煤灰建筑制品 中进一步重视它的形态效应、微集料效应，必将提高制品的性能。 在这些系列产品中碱性激发剂可以是石灰，也可以是水泥，硬化条件可以是 蒸压、蒸养或自然养护。 但目前只有水泥粉煤灰制品采用自然养护才有实际生产意义。它雷同于粉煤 灰混凝土，如水泥粉煤灰混凝土砌块。如果是石灰粉煤灰制品，必须突破水化硬化 促进剂这一难题。 至于蒸压和蒸养方法的问题。研究表明，【”】蒸压才能生成结晶度较好的托 贝莫来石等水化产物，它的收缩性小，建筑中应用比较好。蒸养制品在6 0 7 0 年代曾大量推广，强度不是问题，暴露的主要问题是制品收缩大，墙体易开裂。 综上所述，粉煤灰无论是在水泥、混凝土还是在建筑制品等领域内，都有起 广阔的应用前景。不容置疑，绿色建材是2 l 世纪中国建材的希望，可以预见，随 着粉煤灰应用技术的不断发展，粉煤灰作为建材生产的一种主要功能辅料，在绿 色建材中的应用会越来越广泛，并将有力支持建材工业可持续发展的需要。 1 2 2 粉煤灰蒸压制品 1 2 2 1 发展简史 灰砂砖的诞生距今已有一个半世纪。1 8 5 4 年德国医生伯思哈德在莱比锡的 一个手工作坊里，用木制杠杆压力机压制了世界上第一批灰砂砖，采用自然养护。 1 8 8 0 年，米哈伊尔博士把成型的灰砂砖放入高压的蒸汽中养护，大大缩短了冗 长的自然硬化过程。同时期研究蒸压硅酸盐制品的还有法国的列勃林和谢纳尔 蒙，美国的劳林德和俄国的赫鲁谢夫等。通过这些研究，断定了坚硬的人造石材 不仅可以在类似陶瓷工业那样的高温条件下煅烧制得，而且有可能在水或者水蒸 汽的参与下，在较低的温度下制得。 在我国，灰砂砖的应用有近百年的历史。第一座灰砂砖建筑是清朝末年，即 2 0 世纪初建造的，建于现在的北京动物园。灰砂砖是从英国进口的，该建筑至 今仍完好。1 9 6 0 年，我国建成了第一家灰砂砖生产企业，即现在的北京市第二 加气混凝土厂灰砂砖车间【1 ”。 第一章绪论 加气混凝土是一种新型建筑材料制品。它于本世纪初诞生于瑞典o s 。我国 于1 9 6 5 年从瑞典的希波列克斯公司引进成套生产技术和设备建成了北京加气混 凝土厂h 9 。目前我国的加气混凝土生产企业已达15 0 余家，年产量达数百万立 方米。 对于硅酸盐建筑制品中的粉煤灰技术要求，中华人民共和国行业标准j c 4 0 9 9 6 硅酸盐建筑制品用粉煤灰【2 0 】作出规定，如表卜4 所示。 表卜4 硅酸盐建筑制品用粉煤灰的技术要求 t a b l e 卜4t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n to ff l ya s h i ns i l i c a t eb u i l d i n gp r o d u c t 级别 指标名称 ii im 细度( 0 0 4 5 m m 方孔筛筛余量)不大于 3 0 4 55 5 标准稠度用水量不大于 5 05 86 0 烧失量不大于 71 21 5 二氧化硅含量不小于 4 0 三氧化硫含量不大于 2 1 2 2 2 蒸压粉煤灰砖 蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰、石膏以及细集料( 煤渣或其他) 按一定比例 配合，经搅拌、陈化、轮碾、压制成型、高压蒸汽养护制成的墙体材料。 和常压蒸汽养护不同，蒸压养护是在压力0 8 m p a 以上，相应蒸汽温度18 3 以上的饱和蒸汽中养护。因此，蒸压粉煤灰砖的水化生成物和常压蒸气养护粉 煤灰砖不同，它们的性能也有很大不同。蒸压粉煤灰砖是利用粉煤灰数量最大的 建材制品之一，可用湿排原状粉煤灰，生产1 万块砖需粉煤灰1 5t ( 每m 3 产品用 灰8 0 0 1 0 0 0 k g ) 2 1 】。它的生产工艺比较简单，尺寸规格与普通砖一样，因此， 在使用时，和传统的砌筑方法大体相同。 粉煤灰蒸压砖是利用粉煤灰生产砖取代红砖的理想产品，它可广泛用于一般 工业与民用建筑的墙体和基础。但在易受冻融和干湿交替作用的建筑部位必须使 用等砖。用蒸压粉煤灰砖砌筑的建筑物，应适当增设圈梁及伸缩缝，或采取其 它措施，以避免或减少收缩裂缝的产生。长期受热高于2 0 0 、受冷热交替作用 或有酸性侵蚀的建筑部位不得使用蒸压粉煤灰砖【2 1 1 。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 蒸压粉煤灰砖作为一种优质承重新型墙体材料，有着极其广阔的发展前景。 1 承重蒸压制品是实心粘土砖理想的替代产品 蒸压承重墙体材料在欧美建筑市场中占有重要的比重，如德国蒸压灰砂砖占 墙材总量的3 3 ，美国占2 0 ，其他如荷兰、瑞士、比利时等也都占有相当的 比重【2 2 1 。我国在七、八十年代蒸压粉煤灰制品曾得到重视和发展。但因当时工 艺技术不完善、产品质量存在一定缺陷，加之以前我国发展经济时对环境资源采 取掠夺式开采，重视保护的力度不够，大量质次价廉的实心粘土砖充斥市场，使 粉煤灰砖生产举步艰难。现在有了先进成熟的工艺，有了适合粉煤灰特性的成型、 消解设备，加上企业管理水平的提高，使粉煤灰砖产品质量大大提升；另一方面， 现在蒸压建筑制品有了可以借鉴的设计、施工规范，因此该产品必将再度成为新 的热门产品。 2 发展蒸压粉煤灰砖符合墙改、环保和可持续发展战略要求 国家墙体改革发展战略明确指出：空心砖重点是发展利用废渣的高掺量、高 孔洞率、高保温性能、高强度的承重多孔砖和具有外墙装饰的清水墙砖。例如河 南恒通源建设的粉煤灰砖生产线生产的高强蒸压粉煤灰砖，其掺灰量达6 5 以 上，空洞率在3 6 的情况下，强度达2 1 7 m p a ，干缩值0 2 6 m m m ，容重小、保 温隔热性能好、外观尺寸规整，可以直接砌筑清水墙【2 ”。因此可将这一产品视 作首选的环保、节能、新型墙体材料。 3 蒸压粉煤灰砖具有广阔的市场前景 据统计，2 0 0 0 年末全国新型墙材占总墙材的2 8 ，至2 0 0 5 年要达3 5 1 2 。 因此，只要降低产品成本、提高质量，在墙改政策的指导下，其产品具有广阔的 市场前景。 1 2 2 3 蒸压粉煤灰加气混凝土砌块 蒸压加气混凝土砌块是以粉煤灰和砂、水泥、石灰、石膏为只要原料，以铝 粉为发气剂，混合后，经蒸压养护而制成。 作为一种新型建筑材料，加气混凝土制品以其质轻、保温、抗震、利废、经 济等优点，在建筑材料市场竞争中占有一席之地，尤其与传统地建筑材料粘土砖 相比，有着与之不可比拟的优点，主要有以下方面： 1 质量轻 加气混凝土的容重一般为4 0 0 7 0 0 k g m 3 相当于粘土砖的1 3 左右，也低于 一般轻骨料混凝土【23 1 。因而采用加气混凝土砌块作为墙体材料可以大大减轻建 筑物自重，进而也就可以减小建筑物的基础以及梁、柱等结构件的尺寸，可以节 约建筑材料和工程费用，还可以减少建筑物的地震力。( 参见表1 5 ) 第一章绪论 表1 5 几种常用建筑材料容重 t a b l e1 5t h ev o l u m e t r i cw e i g h to fs e v e r a lk i n d so fb u i l d i n gm a t e r i a l s i nc o m m o nu s e 建筑材料加气混凝土木材粘土砖空心砌块普通混凝土 容重 4 0 0 7 0 04 0 0 6 5 01 6 0 0 - 1 8 0 0 9 0 0 17 0 02 0 0 0 2 6 0 0 ( k g m 3 ) 2 性能好 加气混凝土内部含有大量气泡和微孔，因而有很好的保温性能。容重4 0 0 7 0 0 k g m 3 的加气混凝土其导热系数通常为0 0 9 o 1 7 w ( m k ) ，保温能力为粘土 砖的3 4 倍，为普通混凝土的4 8 倍2 4 1 。( 参见表卜6 ) 表卜6 几种常用建筑材料的导热系数 t a b l e l 一6t h ec o e f f i c i e n to f t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fs e v e r a lk i n d so f b u i l d i n gm a t e r i a l si nc o m m o nu s e 建筑材料加气混凝土土坯砖粘土砖普通混凝土 导热系数( w m k ) o 1 50 7 00 8 1 1 5 0 3 有可加工性 加气混凝土不仅可以在工厂内生产出多种规格，还可以象木材一样进行锯、 刨、钻、钉，因而能在使用现场根据实际需要进行加工，十分方便。 4 原料来源广，生产效率高，生产耗能少 加气混凝土可以用砂子、矿渣、粉煤灰、尾矿、煤矸石、生石灰、水泥等多 种原料进行生产，可以根据当地的实际条件确定品种和生产工艺。在有条件的地 方可以进行高度自动化大规模生产，在条件较差的地方，也可以量