高掺粉煤灰水泥论文

1、 高掺量粉煤灰水泥的潜在经济环保效应作品背景 混凝土材料是当今用量最大、用途最广泛的建筑材料,据统计,每年全世界的耗用量接近100亿吨。而水泥作为混凝土的重要组分,在生产过程中会向大气中排放大量的COZ,目前全世界每年C02排放量约为100亿吨,造成环境污染、温室效应和全球变暖等不利影响。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一2010年我国粉煤灰和煤矸石产生量约 10.7亿t,预计到2015年产生量将继续增加,有望达到13亿t。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。目前，国内对粉煤灰的大批量处理主要是回填，而回填带来的主要问题是粉 煤灰潜在的毒性对环境的长期影响，从而对地下水、土

2、壤造成污染。粉煤灰浸出的一些微量重金属元素也会对环境造成影响。正是基于水泥与粉煤灰的环境问题，本文重点研究了不同量粉煤灰掺入水泥，对水泥抗压及其他性能影响，在满足水泥性能的前提下，提高混台水泥中粉煤灰掺量，促进粉煤灰废渣在水泥工业中的大规模应用，不仅有利于固体废弃物再利用，变废为宝，而且可以保护环境，节约资源，对社会和经济两方面有着重要的意义，亦对粉煤灰高价值利用开辟了广阔的途径，因此具有很好的发展前景。， 关键词 粉煤灰，水泥 抗压强度 正文实验方案一 实验主要原材料 本试验用水泥为42.5 MPa 级的普通硅酸盐水泥 粉煤灰为二级粉煤灰(水泥和粉煤灰的化学组成如下表1).经粉磨后的比表面积

3、为6 000 cm2 /g 水为普通自来水 二主要原料基本介绍（一）粉煤灰概述1粉煤灰定义 煤粉中的无机物在燃烧过程中先分解然后经烧结熔融，最后冷却形成粉煤灰，其化学组成主要为Si02、A1203、Fe!03矿物组成主要包括玻璃体和晶体矿物。2粉煤灰活性粉煤灰的活性是衡量粉煤灰再利用价值的重要参数，其活性大小与细度、烧失量、化学成分披玻璃体含量相关粉煤灰的的活性在水泥生产中主要体现在化学活性，粉煤灰化学活性则与粉煤灰自身化学组成密切相关，粉煤灰的化学活性主要表现为火山灰活性，掺有粉煤灰的水泥水化过程中，首先是水泥熟料矿物水化，此过程中释放Ca(OH)2，Ca(OH)2与粉煤灰中的活性组分发生的

4、火山灰反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。由于火山灰反应减少了系统中氢氧化钙的含量，又可加速水泥熟料的水化。粉煤灰的物理活性在水泥生产宏观机理有着重要作用。粉煤灰的物理活性主要是指粉煤灰形态效应、微集料效应等的总和，是与自身化学性质无关，又能促进制品胶凝活性和改善制品性能（如强度、抗渗性、耐磨性等）的各种物理效应的总称它是粉煤灰能够直接被充分利用、最有实用价值的活性，是粉煤灰早期活性的主要来源粉煤灰的形态效应，主要表现为粉煤灰的颗粒形貌、粒度分布等特性所引起的可改善水泥基材料性能的填充作用、润滑作用等（二）水泥概述 细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并

5、能将砂、石等材水泥样本料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料 三 实验一 （一）实验配料本实验对于实验原料的处理采用等量替换法，即保持每组水泥、水和粉煤灰的质量为一定值（本实验为990g），通过改变添加粉煤灰的质量，从而改变水泥浆的配合比（ 本实验采用改变粉煤灰占总的水泥浆的质量百分数为10%、20%、30%、40%、50%和一组不加粉煤灰的空白对照组）。依次对其编号 FA10 FA20 FA30 FA40 FA50 FA0。原料配合比如下表2所示 表2 主要实验原料及需求量（每组胶凝材料总量以990g计）组别编号粉煤灰等量替换水泥（%）配合比水泥（g）粉煤灰（g）水（g）1FA009903962

6、FA 1010891993FA 20207921984FA 30306932975FA 40405943966FA 5050495495（二）实验设计 本试验采用上述材料，设计配制不同不添加粉煤灰的水泥浆采用配制了7 d、14 d、28 d、60 d 等不同龄期的普通水泥浆和添加同量的粉煤灰的水泥浆进行对比试验。水泥浆试件制作采用强制式搅拌机进行搅拌，机械振捣成型。成型后的试件采用标准养护，对到龄期的水泥浆，进行抗压强度的测定，由于100 mm × 100 mm × 100 mm试件和标准试件相比有小尺寸效应，即环箍效应，因此，在所得强度的水泥浆基础上，乘以0 95换算成1

7、50 mm × 150 mm × 150 mm 标准试件的强度。 （三）实验结果 四 实验分析通过以上的数据我们可以发现：1 用粉煤灰掺杂水泥，会使前期的水泥抗压强度偏低 ，并且，随着粉煤灰 量的逐渐加多，水泥3天的抗压强度不断下降。2 用粉煤灰掺杂水泥，水泥的28天抗压强度基本符合实际需求，并且再添加粉煤灰合适的范围，掺杂粉煤灰水泥的28天抗压强度比同等量水泥的强度没有差别：不仅如此，基本上本实验做得粉煤灰掺杂水泥的抗压强度均符合国家标准，适用于不同的水泥质量需求。3 掺杂粉煤灰等量替换为10%，3天抗压强度效果好，28天抗压强度也差别很小（小3MPa);掺杂粉煤灰等量替

8、换为20%，28天的抗压强度效果好(与未掺杂的水泥强度一样）；掺杂粉煤灰等量替换为40%，水泥的28天抗压强度也是符合国家标准，由于掺杂的粉煤灰多，实际效益最高。4 对不同的质量的水泥需求，实际生产选择不同的组的粉煤灰水泥，但是均比不添加粉煤灰的水泥综合效益高 对于本实验粉煤灰在水泥体系的实验结果，本小组在此实验的基础上进一步探究探在此胶凝材料中水化程度和粉煤灰的反应程度，论证反应机理，进一步阐述实验一的实际和合理性 四 实验二 （一）原材料与配合比 试验用水泥为混凝土外加剂性能检测专用基准水泥，比表面积为341 m2kg，标准稠度用水量为272(质量分数)；粉煤灰为实验一所用粉煤灰，需水量为

9、95(质量分数)水泥和粉煤灰的化学组成如实验一表1所示，胶凝材料配合比如表所示 （二）试样制备与测试方法 用5 mL离心管成型胶凝材料净浆试样，然后密封养护养护制度有2种，即标准养护(20±1)，相对湿度大于90)和高温养护高温养护的具体过程为：将成型密封后的净浆试样直接放入(65士2)的烘箱中养护7 d(如测试龄期未到7 d，则直接取出测试)，再置于标准养护室中养护至规定龄期破碎试样，取中间碎块浸泡于无水乙醇中，中止水化进行化学结合水量测试时，取碎块磨细，再在（65土2)烘箱中烘24 h至恒重，随后高温(1 000)灼烧3 h至恒重净浆试样化学结合水量(W。，)的计算式如下： 式中

10、：m1为65烘干后试样的质量(g)；m1为1 000灼烧后试样的质量(g)；Wfa.cWfa·W fa1+Wc·Wc1；Wfa.c和Wc分别为粉煤灰和水泥的质量分数()；W fa1和Wc.1分别为粉煤灰和水泥的烧失量() 采用盐酸选择溶解法测试复合胶凝材料净浆中粉煤灰的反应程度，具体测定过程参照GBT12960-2007水泥组分的定量测定粉煤灰反应程度(a，。)的计算式如下： 式中：W(HCL)为胶凝材料净浆经盐酸溶解后残余的质量分数；W(FA.HCl)。为粉煤灰经盐酸溶解后残余的质量分数；W(CHCl)。为纯水泥净浆经盐酸溶解后残余的质量分数 （三）结果与分析 图I为不同

11、水化龄期时净浆的化学结合水量从图1可以看出：(1)粉煤灰的掺人降低合胶凝材料的总水化程度(2)养护温度对净浆化学结合水量的影响较大例如，当水胶比为03且高温养护下，纯水泥净浆水化1 d时的化学结合水量就高达1394，相比于同条件标准养护试样，提高约70，而且粉煤灰掺量越大，化学结合水量提高越多这是因为，在高温下，粉煤灰的玻璃体网络结构更容易受到破坏，一O一Si一O和一0一A10一Si一0一共价键更容易解聚，粉煤灰活性得到增强，其火山灰反应进程加快，反应产物迅速增加，体系的总水化程度得到较大提高 不同水化龄期时胶凝材料中粉煤灰的反应程度如图2所示由图2可以看出：(1)在标准养护或高温养护条件下，

12、粉煤灰反应程度均随水化龄期的延长而逐渐提高，随粉煤灰掺量的增加而降低，随水胶比的增加而有略微增长，但并不明显(2)在标准养护条件下，粉煤灰早期(17 d)的反应程度较低7 d后增长才变得明显，尤其在28 d以后增长更加迅速这是因为在水化初期，粉煤灰主要以物理填充的形式参与复合胶凝材料的水化过程只有到水化后期时，粉煤灰才以化学反应形式参与复合胶凝材料的水化过程，使体系内的水化产物总量增加实验结论 粉煤灰的掺入降低了胶凝材料的总水化反应程度;但是粉煤灰掺量越大，粉煤灰的反应程度越低，而水泥的水化程度越高掺杂粉煤灰的水泥的抗压强度体现在水化后期(28 d后)五 实际综合分析 通过实验二的实验数据与图

13、表，我们分析的结果为实验一的简单对比实验提供了支持，从实验二的结论我们可以准确的认识到实验一所得数据和结论的合理性：而对于实验一的数据与结论我们可以知道粉煤灰的添加对于水泥块抗压性能的影响，在合适的添加量时不仅没有降低水泥块的抗压性能，反而增强其后期的抗压性能。 因此，在水泥里掺入定量粉煤灰，虽然早期3d强度降低，但若对前期强度要求不是很高，且养护合理。粉煤灰水泥还是会得更广泛的应用的。粉煤灰水泥在经济效益与环保效益方面的优势更突出。 六 实际效益 （一）环保效益 据国家统计局数据，2013年全国煤炭消费量约为36.2亿吨，同比增加0.7亿吨，增长1.97%。粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下

14、来的细灰。我国1995年粉煤灰排放量约125亿t，2000年粉煤灰排放量约15亿t，2009年粉煤灰排放量约375亿t。与此相应的，在我国大部分的城市，大气中悬浮颗粒物的主要来源是燃煤飞灰，污染程度严重的话，形雾霾，人吸入体内，甚至被血液吸收，送到人体各个器官，也可能与细胞发生各种化学反应，同时飞灰沉降落地或堆放在储灰污池中的粉煤灰，因雨水淋滤，会污染地表水及地下水。凡此种种，如果不对粉煤灰加以处理，一旦排放到环境中，将对我们的健康造成危害，对生存的生态环境造成破坏。水泥工业作为典型的大气污染行业，是危害我国大气安全的重要因素。水泥工业的环境污染主要是粉尘、废气和噪音。据统计，在2002年我国

15、水泥工业烟尘和粉尘排放总量是809万吨，占我国全年烟尘粉尘排放总量的近40%。水泥成本的大部分是回转窑煅烧水泥过程中煤炭能源的消耗费用，水泥工业高耗能显而易见。另外，据新华网最新报道，我国人均排放量CO2已经超过世界平均水平，世界平均水平是6.4t，我们现在的是7tCO2。 因此，用粉煤灰部分替代水泥或掺合进混凝土，不仅可以减少火力发电厂粉煤灰固体废弃物的堆积，节约灰场的土地占用面积，也可以减少对大气和水资源的污染。.而且，还可以减少的水泥的部分产量，节约资源，降低生产水泥过程的污染和能耗。减少温室气体CO2的排放量，缓解全球气温上升的压力。最后，形成以“资源一产品一废弃一再生资源”为表现形式

16、的循环经济模式，使固体废弃物粉煤灰成为再生与环保资源，达到节能减排、生态环保的作用。（2） 经济效应用粉煤灰等量替换水泥，减少一定比例的水泥用量，用便宜许多的等量的粉煤灰代替，毫无疑问，可以减少混凝土的生产成本。以普通C30 混凝土为例，一立方混凝土需要P.O42.5水泥361 kg 、砂子 613.7kg 、 石子1249.06kg 、 水 176.89kg，即配比为1 : 1.7 : 3.46 : 0.49 。粉煤灰替代20%的水泥时，混凝土强度减少量很小，而此时可以减少使用水泥72.2kg，全国各地PO42.5水泥价格200500元/吨，由于地域不同和产品质量不同而有差异。而粉煤灰价格相

17、对低得多，混凝土用粉煤灰通常50150元/吨，如目前灵寿县清逸矿产品加工厂生产的国际一级粉煤灰价格90100元/吨、国际二级粉煤灰价格6070元/吨、国际三级粉煤灰价格3850元/吨。若取水泥和粉煤灰差价为150元，那么一立方的混凝土成本可以减少多余10元。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，其主要来源是以煤粉为燃料的火电厂和城市集中供热锅炉，其中90%以上为湿排灰，活性较干灰低，且费水费电，污染环境，现阶段我国年排渣量已达3000万t。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，是一种过剩的廉价资源。而水泥是高能耗、高污染、高水耗产品，尽管水泥行业的发展壮大是的现今水泥行业产能过剩，但是水泥的价格肯定不会低于工业废渣粉煤灰（如图（1），来自中国水泥网），在保障混凝土品质的条件下，用粉煤灰最大程度的替换水泥是大势所趋，所以粉煤灰替代水泥的经济效益将会更大。我国的建设工程量还在不断上升，预拌混凝土产量持续走高，中国混凝土网预计“十二五”期间，预拌混凝土产量还将有小