粉煤灰的物理化学性能

1、粉煤灰的物理，化学性能及其应用技术研究唐守清(福建省华厦建筑设计院，福州 350007)摘 要 本文研究了粉煤灰的物理化学性能，提出了粉煤灰脱炭利用的原理和技术，利用脱炭粉煤灰和高效早强减水荆的“双掺”技术，进行了水泥路面的试验研究，粉煤友替代水泥量达20 ，较好地解决了水泥路面中直接利用粉煤灰所存在的主要问题。关键词 粉煤灰；物理化学性能；脱炭粉煤灰；路面修复1 引言粉煤灰的主要来源是以煤粉为燃料的火电厂和城市集中供热锅炉。我国是世界上最大的煤炭生产和消耗国家。全国煤炭产量的大约30用于发电，产生的粉煤灰和炉底渣的量非常大。特别是改革开放以来，电力工业迅速发展，导致粉煤灰排放量逐年锐增。因此

2、必须加强对粉煤灰物理、化学性能及其应用技术研究，否则将会给能源生产、资源利用和环境保护带来不可估量的严重后果。因此，长期被作为固体废弃物看待的粉煤灰，近年来随着国际性能源供需矛盾的加剧和对环境保护愈来愈高的要求，已引起了世界各国的关注，并对其利用进行了广泛的研究、试验和应用，取得了一定的成就，国外先进国家(欧盟、美国等)粉煤灰利用率已达7080 ，我国粉煤灰利用率亦达4050 ，对节约能源和改善环境起到了重要作用。然而，我国电厂排放的粉煤灰品质极不稳定，有80 以上的粉煤灰烧失量超过6 ，有的达到20 以上，资源化性能较差，极大地限制了粉煤灰的应用范围和数量，是导致我国粉煤灰利用率偏低的重要原

3、因。为实现能源节约和减少粉煤灰对环境的污染，开拓粉煤灰综合利用的新途径，本文对粉煤灰的物理、化学性能及在各种不同类别工程中的应用进行了探讨。希望本文对粉煤灰的综合利用以及环境保护有一定的帮助。2 粉煤灰的物理化学性能1，221 粉煤灰的化学组成以福建武夷山晶辉山庄技改工按照粉煤灰为例，其化学成分分析(表1)表明，粉煤灰中硅的含量最高，其次是铝，以复杂的复盐形式存在，酸溶性较差。铁含量相对较低，以氧化物形式存在，酸溶性好。此外还有未燃尽的炭粒、CaO和少量的MgO、Na20、K20、S03等。表1 福建武夷山晶辉山庄技改工程化学成分（%）成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO S

4、O3 Na2O及K2O 烧失量含量 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颗粒形貌可将粉煤灰颗粒分为：(1)玻璃微珠；(2)海绵状玻璃体(包括颗粒较小、较密实、孔隙小的玻璃体和颗粒较大、疏松多孔的玻璃体)；(3)炭粒。其中大部分是海绵状玻璃体，颗粒分布极不均匀，必须通过研磨处理，改善其性能的差异性。(1)粉煤灰的强度粉煤灰是以酸性氧化物为主的玻璃相物质，它在水泥的水化产物形成的碱性环境中逐渐受到腐蚀，发生火山灰反应，形成CSH凝胶，减弱了OH一的浓度，促进了水泥的水化反应，对水泥石强度的增长起了重要作用

5、。以下将以晶辉山庄道路工程为例说明粉煤灰的强度特性。该混凝土采用“双掺”技术，即在混凝土中同时掺加粉煤灰和高效早强减水剂。表2 C30 早强混凝土抗压强度和抗折强度试验表试件序号 1.11.3 2.12.3 3.13.3 4.14.3粉煤灰掺量 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减水剂(%) 2 2.25 2.5 2.75试件序号 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3龄期(d) 3 7 2

6、8 3 7 28 3 7 28 3 7 28抗压强度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抗折强度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从上表可知：同一掺量的粉煤灰混凝土随着龄期的增加，强度增长速度均比基准混凝土快；而且，粉煤灰掺量为20的混凝土试件的强度增长和基准混凝土的强度增长相关性最好。 (2)粉煤灰对混凝土耐久性的影响在抗碳化能力方面，实验表明，水泥用量不减少，再外掺粉煤灰取代部分砂子，这样的粉煤灰混凝土抗碳化能力就可以增加；同时掺用粉

7、煤灰和减水剂，即采用“双掺”的技术措施，还可以更好地发挥粉煤灰的效应，保证提高粉煤灰的抗碳化能力。在钢筋抗锈蚀方面，由于粉煤灰改善混凝土的体积变化的性能，使混凝土避免出现裂缝和微裂缝，水分和氧的难以人侵，对保护钢筋不被锈蚀意义重大。3 粉煤灰的综合利用目前，我国粉煤灰的大宗利用途径是生产建筑材料、筑路和回填。粉煤灰建筑材料的性能与传统的建筑材料相比有许多优点。如粉煤灰加气混凝土，其干容重只有500kgm ，不到粘土砖的13；导热率为011013W(m ·K)，约为粘土砖的15，具有轻质、绝热、耐火等优良性能。硅酸盐砌块强度达到100150号，导热系数比普通混凝土小一倍，且砌筑效率高。

8、粉煤灰烧结砖比普通粘土砖轻15 20 ，导热系数只有粘土砖的70 。粉煤灰陶粒性能优于天然轻骨料，用其配制的混凝土不仅容重轻，而且具有保温、隔热、抗冲击等优良性能，在高层建筑、大跨度构件和耐热混凝土中得到应用。粉煤灰硅酸盐水泥干缩性小，水化热低，抗裂性、和易性与可泵性好，特别适用于大坝工程及泵送混凝土施工。粉煤灰含有一定的残留碳，用其烧制建筑材料可节约大量能量。当粉煤灰热值为500×419kJkg，掺用量为40时，可节约烧砖用煤50 。生产粉煤灰砌块的能耗仅为同体积粘土砖的60左右。利用粉煤灰生产建筑材料、筑路和回填可以节约大量粘土。对粉煤灰烧结砖，粉煤灰掺加量一般为30 50 ，最

9、高到70 ，相应节约用土30-50 。粉煤灰用于筑路和回填是投资少、见效快的一种直接大用量利用粉煤灰的途径。此种道路寿命长，维护少，可节约维护费用30-80 。目前我国粉煤灰综合利用技术主要有以下九种。31 生产粉煤灰烧结砖粉煤灰烧结砖是以粉煤灰和粘土为原料，经搅拌、成型、干燥、焙烧制成的砖。粉煤灰掺量30 一70 ，其生产工艺及主要设备与普通粘土砖基本相同，主要是多了粉煤灰的贮运、计量、脱水和搅拌设备。利用粉煤灰生产烧结砖技术成熟，所用的粉煤灰烧失量不限，只要粘土有足够的塑性，在生产粘土砖的基础上，添加些必要的设备，仍采用挤出成型，无论是在轮窑还是在隧道窑里都能烧制粉煤灰砖。过去砖厂采用国产

10、设备和传统生产方法，粉煤灰掺量只有40左右。近几年采用了国外的技术和设备，粉煤灰掺量提高到60 70 。实践表明：用于烧制粉煤灰烧结砖的粉煤灰中SiO：的含量不宜高于70 ，超过此含量，混合料的塑性大大降低，制品的抗折和抗压强度较低；A120，的含量以15 25为宜，低于10时，制品强度低，高于25 时，虽制品强度高，但烧成温度提高；Fe：0，含量以5 10 为宜，含量过高，将缩小混合料的烧成温度范围，给焙烧工序操作造成困难；MgO和硫化物含量越小越好，MgO含量一般不应超过3 ，硫化物的含量最好小于1%。32 生产粉煤灰蒸养砖粉煤灰蒸养砖是以粉煤灰为主要原料，掺人适量骨料生石灰、石膏，经坯料

11、制备、压制成型、常压或高压蒸汽养护而制成的砖。粉煤灰在湿热条件下，能与石灰、石膏等胶凝材料反应，生成具有一定强度的水化产物。粉煤灰掺量约为65 ，生产工艺分高压养护和常压养护两类。高压养护的砖强度较高。对粉煤灰要求含碳量低，活性高。生产工艺包括原料处理、计量、搅拌、消化、轮碾、成型和养护等工序。消化可提高料温，缩短砖坯静停时间；轮碾可起到搅拌、活化和压实的作用。砖坯通常采用半干压法成型，常用设备有八孔、十六孔转盘式压砖机及杠杆式压砖机等。采用蒸汽养护时，蒸汽压力一般为08NPa。33 生产粉煤灰硅酸盐砌块粉煤灰硅酸盐砌块以粉煤灰、石灰、石膏为胶结料，以炉渣为骨料，经加水搅拌、振动成型、蒸汽养护

12、而成。粉煤灰掺量为30 左右，炉渣占55 。生产粉煤灰硅酸盐砌块对粉煤灰的质量要求是烧失量不大于15。胶凝材料中要含有足够高的氧化钙，水灰比不宜大于055。生产工艺包括原材料加工处理、混合料的计量和制备、振动成型和蒸汽养护。砌块的容重一般为1800kgm 左右，抗压强度可达100150号，其缺点是收缩值偏大，碳化系数偏低，抗冻性稍差。34 生产加气混凝土粉煤灰加气混凝土是以粉煤灰为基本原料，配以适量的生石灰、水泥、石膏及铝粉等添加剂制成的一种轻质混凝土建筑材料，粉煤灰掺量一般可达70 。这一产品的生产技术成熟，产品质量已过关。国家颁布的有关加气混凝土的试验方法(JG 25627580)、产品标

13、准(JG 31582)、应用技术规范(JC1784)等，都包括了粉煤灰加气混凝土。生产工艺和设备大体上与其他品种加气混凝土相同。将经过加工的、符合要求的原料按一定比例混合，并加人发泡剂等，经搅拌浇注入模、发泡膨胀、静停、切割，进高压釜养护。养护的蒸汽压力一般为116MPa。若生产加气混凝土板材，还需配备钢筋车间，浇注前先将加工好的钢筋网片固定在模具中。粉煤灰加气混凝土的性能和其他品种加气混凝土基本相同，使用范围也相同。3，5 生产粉煤灰陶粒以粉煤灰为原料，加人一定量的胶结料和水，经成球、烧结而成的轻骨料即为烧结粉煤灰陶粒。它是一种性能较好的人造轻骨料。其用灰量大，还可以充分利用粉煤灰中的热值，

14、粉煤灰掺量约80 。生产工艺一般由原料的磨细处理、混合料加水成球、焙烧等工序制成。烧结通常采用带式烧结机、回转窑或立波尔窑。带式烧结机对原料的适用范围大，生产操作方便，产量高，质量较好，工艺技术成熟。用烧结机生产的粉煤灰陶粒的容重一般为650kgm。，可以配制300号混凝土。36 代替粘土做生产水泥的原料粉煤灰的成分与粘土相似，可以替代粘土配料生产水泥，还可利用其残余碳，在煅烧水泥熟料时可节约燃料。生产工艺和技术装备与生产普通硅酸盐水泥一样，无特殊工艺技术要求。但要注意配料方案的调整，严格控制各种原料的掺人量，以保证出磨生料化学成分符合要求 熟料煅烧采用机立窑或回转窑均可。37 粉煤灰做生产水

15、泥的混合材料在磨制水泥时，除掺加3 一5的石膏外，还允许按水泥的品种和标号添加一定量的材料与熟料共同粉磨，习惯上称此材料为混合材料。用粉煤灰做混合材料时， 其质量需达到GB1596881、级灰的要求。根据粉煤灰的掺量，可生产普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥(粉煤灰掺量15)和粉煤灰水泥(粉煤灰掺量20 一40)。由于粉煤灰掺量增加，粉煤灰水泥与普通硅酸盐水泥性能有所不同，主要是早期强度有所降低。在生产中对粉煤灰的均匀性要求严格。用60 一70粉煤灰、25 30水泥熟料及少量石膏进行研磨，可生产低标号水泥，称为砌筑水泥。这种水泥用灰量大，生产成本低，市场容量大，是很有开发前途的利废产品。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。干排灰可由密封罐车、密封罐船或通过管道用气体输送进厂，经贮库、加料仓进入水泥磨与熟料和石膏混磨。38 粉煤灰在砂浆中可以代替部分水泥、石灰或砂用于砂浆中的粉煤灰质量要求不高，砂浆在建筑工程中用量很大，可利用大量粉煤灰。目前尚无国家或行业技术标准和施工规范，在使用前需经过配比试验。用粉煤灰作 昆凝土掺和料，要求粉煤灰有较高的质量，如细度要大、活性要高、含碳量要低。因此常用磨细粉煤灰，每立方米混凝土可用灰50100kg，节约水泥50 100kg。掺粉煤灰的水泥凝结较缓慢，和易性好，能减少离析人泌水，可泵性能好，有利于较长距离运输和泵送施工。掺粉煤灰混

17、凝土的制作工艺流程与普通混凝土基本相同，只是增加了粉煤灰这种原料需要增加相应的储存、计量和输送设备。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搅拌可制作路面基层材料。掺加量最高可达70 ，对粉煤灰质量要求不高，可根据粉煤灰、石灰道路基层施工暂行技术规定(CJ483)进行生产和施工。粉煤灰代替粘土筑路堤有全灰和间隔灰两种，施工设备和步骤与粘土路堤相同。粉煤灰均可满足对填方材料的质量要求，且粉煤灰对水质不会造成污染。工程回填、围海造田和矿井回填等可大量使用粉煤灰。利用脱炭粉煤灰修复公路路面时，在路面混凝土中可替代20 的水泥，每m3路面混凝土产生直接经济效益为2385元m3，经济

18、效益十分显著。310 低温合成粉煤灰水泥低温合成粉煤灰水泥的生产原理和一般硅酸盐水泥或铝酸盐水泥的生产原理不同，它是将配合料(主要是石灰和粉煤灰)先蒸汽养护生成水化物，然后经脱水和低温(7oo cc800oC)固相反应形成水泥矿物1】。该技术具有煅烧温度低和粉煤灰用量大等特点。此法生产铝硅酸盐复合水泥具有早强性能，并可消除高钙固硫粉煤灰作水泥混合材料时含硫量超过标准时带来的不利影响。而且其强度性能优于用普通粉煤灰低温合成熟料制成的特种粉煤灰水泥，其CB2，CB3的3d、7d、28d强度均接近硅酸盐水泥。4 结束语本文从研究粉煤灰的物理、化学性能人手，主要讨论了粉煤灰的综合利用。粉煤灰是一种新型的建筑材料，综合利用粉煤灰具有显著的环境效益、经济效益，同时可以降低土地资源的损耗。因此利用好粉煤灰将是一件利过利民的大事。参考文献1沈旦申粉煤灰混凝土