粉煤灰的组成结构性质及其应用

粉煤灰的组成结构性质及其应用第1页，共72页，2023年，2月20日，星期四粉煤灰是现代燃煤电厂的副产品，它是一种固体废弃物，如果不合理处理，不仅占用耕地，造成土壤、大气、水体等污染，而且危害人体的健康和生态环境。据不完全统计，目前欧美发达国家粉煤灰的利用率已高达70%～80%，而我国的利用率大约在30%～40%。因此，加大对粉煤灰综合利用的研究和开发显得日益重要。第2页，共72页，2023年，2月20日，星期四粉煤灰的危害第3页，共72页，2023年，2月20日，星期四⑴粉煤灰的形成粉煤灰是在燃煤供热、发电过程中，磨成一定细度的煤粉在煤粉炉中经过高温燃烧后，由烟道气带出并经收尘器收集的粉尘。煤炭在锅炉中燃烧后有两种固态残留物—灰和渣。随烟气从锅炉尾部排出，经除尘器收集下来的固体颗粒即为粉煤灰；颗粒较大或呈块状的，从炉膛底部收集出来的称为炉底渣。第4页，共72页，2023年，2月20日，星期四第5页，共72页，2023年，2月20日，星期四⑴粉煤灰的形成粉煤灰是在燃煤供热、发电过程中，磨成一定细度的煤粉在煤粉炉中经过高温燃烧后，由烟道气带出并经收尘器收集的粉尘。煤炭在锅炉中燃烧后有两种固态残留物—灰和渣。随烟气从锅炉尾部排出，经除尘器收集下来的固体颗粒即为粉煤灰；颗粒较大或呈块状的，从炉膛底部收集出来的称为炉底渣。第6页，共72页，2023年，2月20日，星期四第7页，共72页，2023年，2月20日，星期四燃煤锅炉细粉煤灰第8页，共72页，2023年，2月20日，星期四燃煤锅炉粗粉煤灰

第9页，共72页，2023年，2月20日，星期四煤粉达熔融后由于表面张力作用，煤粉的棱角收缩，使颗粒成为球状，球状颗粒在气流中漂浮，离开高温区进入温度较低的区域，淬火成为中空、厚壁的球状颗粒。第10页，共72页，2023年，2月20日，星期四用SEM光学显微镜观察表明，粉煤灰由多种粒子组成，其中球形颗粒占总量的60%以上，球形颗粒中空心微珠占38～45%，不规则和多孔玻璃体占38～40%，加上磁珠、漂珠总量可达90%以上。这些玻璃体经过高温煅烧储藏了较高的化学内能，是粉煤灰活性的来源。第11页，共72页，2023年，2月20日，星期四用SEM光学显微镜观察表明，粉煤灰由多种粒子组成，其中球形颗粒占总量的60%以上，球形颗粒中空心微珠占38～45%，不规则和多孔玻璃体占38～40%，加上磁珠、漂珠总量可达90%以上。这些玻璃体经过高温煅烧储藏了较高的化学内能，是粉煤灰活性的来源。第12页，共72页，2023年，2月20日，星期四用SEM光学显微镜观察表明，粉煤灰由多种粒子组成，其中球形颗粒占总量的60%以上，球形颗粒中空心微珠占38～45%，不规则和多孔玻璃体占38～40%，加上磁珠、漂珠总量可达90%以上。这些玻璃体经过高温煅烧储藏了较高的化学内能，是粉煤灰活性的来源。第13页，共72页，2023年，2月20日，星期四粒径为25μm～300μm，平均粒径为40μm，孔隙率为60％～75％，粉煤灰具有多孔结构，比表面积一般为2500～5000cm2/g。第14页，共72页，2023年，2月20日，星期四36种低钙粉煤灰的化学成分⑵粉煤灰的化学成分第15页，共72页，2023年，2月20日，星期四36种低钙粉煤灰的化学成分⑵粉煤灰的化学成分第16页，共72页，2023年，2月20日，星期四36种低钙粉煤灰的化学成分⑵粉煤灰的化学成分第17页，共72页，2023年，2月20日，星期四⑶粉煤灰的矿物组成32个电厂68种典型粉煤灰的矿物组成第18页，共72页，2023年，2月20日，星期四⑶粉煤灰的矿物组成32个电厂68种典型粉煤灰的矿物组成第19页，共72页，2023年，2月20日，星期四粉煤灰中的晶体矿物①莫来石3Al2O3·2SiO2②石英SiO2③磁铁矿Fe3O4，赤铁矿Fe2O3④硬石膏CaSO4⑤少量CaO⑥C3A和黄长石（高钙条件下）⑦刚玉Al2O3（高铝硅比的条件下）第20页，共72页，2023年，2月20日，星期四粉煤灰中的玻璃体

纯SiO2缓慢冷却，结晶成为方石英，稳定的晶态为硅氧四面体。每个硅原子与4个氧原子相连，长程有序。熔融SiO2淬冷会形成玻璃态。短程有序，仍为硅氧四面体。与晶体相似，但发生扭曲从而长程无序。

第21页，共72页，2023年，2月20日，星期四粉煤灰的Al2O3

含量正常范围在20～30%，一般高于40%以后，粉煤灰形成较多的莫来石。高铝粉煤灰常引起玻璃相的减少，使活性降低。

SiO2

的含量是玻璃体的主要成分，SiO2

越多，活性越大。第22页，共72页，2023年，2月20日，星期四⑸粉煤灰的结构分析①X射线衍射（XRD）判断矿物组成（晶体种类），判断玻璃相与晶体比例高低。②扫描电子显微镜（SEM）研究形貌、尺寸。微米尺度上粉煤灰是明显非均质。第23页，共72页，2023年，2月20日，星期四第24页，共72页，2023年，2月20日，星期四

粉煤灰的SEM照片

炉渣的SEM照片第25页，共72页，2023年，2月20日，星期四⑹粉煤灰综合利用其综合利用主要包括如下几个方面：作水泥混合材或混凝土掺合料；作烧结制品的原料；作免烧硅酸盐制品的原料；作保温隔热材料；改良土壤，作农业方面的应用；利用粉煤灰处理废水。第26页，共72页，2023年，2月20日，星期四作水泥混合材或混凝土掺合料第27页，共72页，2023年，2月20日，星期四第28页，共72页，2023年，2月20日，星期四第29页，共72页，2023年，2月20日，星期四第30页，共72页，2023年，2月20日，星期四第31页，共72页，2023年，2月20日，星期四作水泥混合材或混凝土掺合料粉煤灰在混凝土中功能的三个基本效应：①形态效应属物理效应。指粉煤灰颗粒形貌、粗细、表面粗糙度、级配等在混凝土中产生的效应。主要影响混凝土拌合物的需水量和流变性质。第32页，共72页，2023年，2月20日，星期四②活性效应硅酸盐化学反应。低钙粉煤灰的玻璃体中活性SiO2及Al2O3与CaO的反应。第33页，共72页，2023年，2月20日，星期四③微集料效应研究发现水泥水化后，未水化的粒芯的强度比水化产物的强度还高，且与凝胶的结合甚好。此称为微集料效应。但用过多水泥，代价太高。具玻璃微珠形态的粉煤灰有较高的强度，粉煤灰与水泥浆界面处的强度高于水泥凝胶。且具有减水作用，宜用作微集料，可提高水泥浆体强度。且掺粉煤灰的水泥浆体，毛细孔隙细化、致密，提高耐久性。第34页，共72页，2023年，2月20日，星期四利用粉煤灰作烧结制品为何烧失量高的粉煤灰适合于作烧结制品的原料？第35页，共72页，2023年，2月20日，星期四第36页，共72页，2023年，2月20日，星期四利用粉煤灰作免烧硅酸盐制品

蒸压加气混凝土砌块粉煤灰：主要提供SiO2、Al2O3；石灰：提供CaO；石膏：少量，激发活性，并调节稠化时间；水泥：少量，主要保证坯体早期强度。生产工艺：原料加水搅拌注入模内→发气，净停→切割→蒸压→产品出釜，堆存。第37页，共72页，2023年，2月20日，星期四第38页，共72页，2023年，2月20日，星期四第39页，共72页，2023年，2月20日，星期四第40页，共72页，2023年，2月20日，星期四第41页，共72页，2023年，2月20日，星期四第42页，共72页，2023年，2月20日，星期四第43页，共72页，2023年，2月20日，星期四第44页，共72页，2023年，2月20日，星期四粉煤灰在农业方面的应用可改良土壤，减少粘土堆积密度，增加孔隙，增加硅、锌等元素含量，部分可调整土壤pH值。注意适量。第45页，共72页，2023年，2月20日，星期四利用粉煤灰处理废水粉煤灰中含有CaO、MgO等碱性物质，对酸性废水具有中和能力，其比表面积较大，具有良好的吸附性能。第46页，共72页，2023年，2月20日，星期四第47页，共72页，2023年，2月20日，星期四例1：东莞摩天加气混凝土砌块公司原生产正常，有一段时间工艺流程、配方没改变，但蒸压制品强度明显下降。经分析，强度低时所用的粉煤灰M1的铝高硅低，请分析原因。

第48页，共72页，2023年，2月20日，星期四表３粉煤灰的化学组成（％）

粉煤灰烧失量SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOR2OSO3M14.540.6240.534.555.810.890.540.68M24.7552.7323.896.774.940.710.560.68第49页，共72页，2023年，2月20日，星期四表３粉煤灰的化学组成（％）

粉煤灰烧失量SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOR2OSO3M14.540.6240.534.555.810.890.540.68M24.7552.7323.896.774.940.710.560.68第50页，共72页，2023年，2月20日，星期四表4粉煤灰的玻璃相含量粉煤灰试验前重量(mg)实验后重量(mg)玻璃相含量M1500335.132.98%M2500205.158.98%第51页，共72页，2023年，2月20日，星期四表4粉煤灰的玻璃相含量粉煤灰试验前重量(mg)实验后重量(mg)玻璃相含量M1500335.132.98%M2500205.158.98%第52页，共72页，2023年，2月20日，星期四结合表4可知，铝硅比较高的粉煤灰M1的玻璃相含量远低于铝硅比较低的粉煤灰M2的玻璃相含量。第53页，共72页，2023年，2月20日，星期四粉煤灰M1的XRD分析粉煤灰M2的XRD分析第54页，共72页，2023年，2月20日，星期四XRD分析显示，粉煤灰M1的主要矿物组成是刚玉（α-Al2O3）、莫来石和玻璃相等，这表明粉煤灰M1中有部分Al2O3是以刚玉的形式存在；粉煤灰M2的主要矿物组成则是石英（SiO2）、莫来石和玻璃相等。第55页，共72页，2023年，2月20日，星期四XRD分析显示，粉煤灰M1的主要矿物组成是刚玉（α-Al2O3）、莫来石和玻璃相等，这表明粉煤灰M1中有部分Al2O3是以刚玉的形式存在；粉煤灰M2的主要矿物组成则是石英（SiO2）、莫来石和玻璃相等。第56页，共72页，2023年，2月20日，星期四粉煤灰的活性来源，从物相结构上看，主要来自玻璃体，玻璃体含量越高，活性也越高。根据表4可知，粉煤灰M1的玻璃相含量明显要低于粉煤灰M2的玻璃相含量，其玻璃相含量低，能参与反应的组分少，这是导致其蒸压制品强度较低的一个因素。第57页，共72页，2023年，2月20日，星期四粉煤灰的活性来源，从物相结构上看，主要来自玻璃体，玻璃体含量越高，活性也越高。根据表4可知，粉煤灰M1的玻璃相含量明显要低于粉煤灰M2的玻璃相含量，其玻璃相含量低，能参与反应的组分少，这是导致其蒸压制品强度较低的一个因素。第58页，共72页，2023年，2月20日，星期四对蒸压试样SS1和SS2做XRD分析和扫描电镜分析。XRD分析显示掺粉煤灰M1的试样SS1除了有托贝莫来石和硬硅钙石等水化产物外，还有刚玉；而掺粉煤灰M2的试样SS2的水化产物主要是托贝莫来石和硬硅钙石。这表明刚玉在蒸压过程中可能难以参加反应。第59页，共72页，2023年，2月20日，星期四对蒸压试样SS1和SS2做XRD分析和扫描电镜分析。XRD分析显示掺粉煤灰M1的试样SS1除了有托贝莫来石和硬硅钙石等水化产物外，还有刚玉；而掺粉煤灰M2的试样SS2的水化产物主要是托贝莫来石和硬硅钙石。这表明刚玉在蒸压过程中可能难以参加反应。第60页，共72页，2023年，2月20日，星期四⑺粉煤灰及炉渣的性能特点与合理利用研究

粉煤灰及炉渣的化学组成

由表可知，炉渣中的SiO2

及Al2O3含量低于粉煤灰，而炉渣的烧失量及Fe2O3含量高于粉煤灰。

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgOK2OSO3

Loss粉煤灰51.219.811.36.60.70.80.82.9炉渣47.115.314.74.60.90.73.410.1第61页，共72页，2023年，2月20日，星期四

粉煤灰煤粉炉渣

第62页，共72页，2023年，2月20日，星期四表5粉煤灰和炉渣的玻璃相含量

从表5可知，粉煤灰的玻璃相含量低于炉渣的玻璃相含量。

试验前重(mg)实验后重量(mg)玻璃相含量粉煤灰50031437.2%炉渣50026547.0%第63页，共72页，2023年，2月20日，星期四

粉煤灰的SEM照片

炉渣的SEM照片第64页，共72页，2023年，2月20日，星期四从图可以看出：粉煤灰的颗粒以球状为主，表面较为圆滑；相比之下，炉渣的颗粒大部分形极不规则的块状，表面粗糙。粉煤灰和炉渣用作水泥混合材或混凝土掺合料时，形态效应对水泥砂浆的3d、28d强度起主要作用。而炉渣的形态效应不如粉煤灰，使得炉渣在常温常压下用作混合材或掺合料时的性能差于粉煤灰。第65页，共72页，2023年，2月20日，星期四从图可以看出：粉煤灰的颗粒以球状为主，表面较为圆滑；相比之下，炉渣的颗粒大部分形极不规则的块状，表面粗糙。粉煤灰和炉渣用作水泥混合材或混凝土掺合料时，形态效应对水泥砂浆的3d、28d强度起主要作用。而炉渣的形态效应不如粉煤灰，使得炉渣在常温常压下用作混合材或掺合料时的性能差于粉煤灰。第66页，共72页，2023年，2月20日，星期四

粉煤灰与炉渣在水热条件下的反应活性

炉渣及粉煤灰对硅酸盐蒸压制品强度的影响

由表可知，随炉渣取代粉煤灰的量增加，蒸压制品抗压强度随之提高。即炉渣在水热条件下的反应活性要优于粉煤灰。编号水泥%砂粉

%石灰

%粉煤灰%炉渣

%石膏%抗压强度MPaA082218520222.7A1822183517223.9A282218173