低等級粉煤灰的活化及應用研究

王轉英  吳紅利  張德義  盧亞榮

(陜西省建筑科學研究院  710082  西安)

1.低等級粉煤灰開發利用的意義

    我國電力工業年排灰量超過一億噸，但由于排放的優質灰較少，I、Ⅱ級灰不到5％，95％以上為三級灰或等外灰，活性較低，不能直接用于混凝土及制品中，使其平均利用率約40％。歷年來沒有開發利用而積存的粉煤灰已超過l0億噸，占地總數約為60萬畝。這不僅侵占了土地，而且也浪費了資源。如何對低等級灰進行活化技術處理，充分發揮其潛在活性，變廢為寶，開發出新型建筑材料顯得非常重要。同時開發這一廉價資源對于保護耕地，積極貫徹國家關于開發新型綠色材料的政策等都有十分重要的意義。

2.造成粉煤灰等級低的原因分析

    粉煤灰作為一種火山灰質材料，它呈粒狀，由漂珠、沉珠、磁珠、殘炭等組成，它的活性主要是由于其玻璃體中含有大量的活性組份．即si02和Al203可與 Ca(OH)2反應生成膠凝物質，但是一般情況下，原狀粉煤灰存在以下缺點：一是多數灰中形狀好的珠狀顆粒偏少，大多是一些活性低、形貌差的玻璃顆粒及一些不規則的顆粒太多。另外，細度太大比表面積小，使得活性不易被激發；二是粉煤灰是一種表面致密的玻璃相結構，可溶性的si02和Al203太少；三是低等級灰大多是Ca0含量低，因不能足夠地提供Si--0和 A1--0水化時所需的Ca2+大降低了粉煤灰的活性。這都是造成絕大多數粉煤灰等級低的原因。

3.活化的技術路線及方法

    加強技術攻關，提高粉煤灰的等級，從而充分利用這一廉價資源，是我們必須要解決的首要問題。下面針對低等級粉煤灰的缺陷提供一些技術性的有效途徑，來幫助解決粉煤灰的開發利用問題。

    目前,粉煤灰的活化途徑有以下兩種：一是物理機械活化，即通過機械磨細、分選來改善粉煤灰的顆粒形貌和增加粉煤灰的細度來提高其品質；尤其更重要的是機械磨細破壞了粉煤灰的玻璃體結構，使原生的晶格鍵破壞產生缺陷，釋放出了大量的可溶性的si02和Al203增大反應面積，加快反應速度，提高了粉煤灰的話性和質量等級。二是化學活化，即在粉煤灰中摻入一些與其在化學成份和物理性能上互補組份，以充分發揮其活性。這里可以分為以下四種情況：(i)加入磨細石灰石，因為低等級粉煤灰中天生含鈣低，加入石灰石主要是為了提高體系中Ca0／S si02促進水化，從而提高粉煤灰的活化速率。(ii)加人表面活性組份，即高效減水劑．如糖鈣等。由于低等級灰需水量較大，因而減少了混凝土中起潤滑作用的自由水，使和易性降低，而糖鈣的加人使顆粒間產生斥力而易于流動．大大改善了砼的工作性能如和易性，提高了粉煤灰的取代水泥率。(iii)加入早強成份如鹵化物(NaCl和Cac12)、硫酸鹽(石膏、硫酸鈉及元明粉)、三乙醇胺、堿性激發劑(NaOH、Na2Sio3)等，這些組份的加入一方面可以促進粉煤灰玻璃體網絡的解散瓦解，使更多的可溶性si02和Al203釋放出來，提高了粉煤灰的活性；另外，由于粉煤灰的低火山灰活性決定其在摻入砼的早期基本不參與水化反應，只是在后期活性Si02與水泥水化物產生的OH一發生二次反應，故早期水化較慢，在初期粉煤灰主要起微集料作用，因而使強度基本相等或降低，早強劑的加人彌補了這一缺陷，而使砼的早期強度發展提高較大。(iv)采用三摻技術即粉煤灰、礦渣和硅粉三摻。這也是目前配制高性能混凝土普遍采用的方法，這是由于三者化學組成、結構狀態、活性組份含量、細度等不同，各摻和料有其固有的特征性質，表現出互相緊密填充的物理效應和水化進程互補的化學效應，具有很好的協同效應。就強度方面來說，硅粉顆粒細小、活性高。早期水化迅速，同水泥產生大量的c—S--H凝膠，使漿體致密可彌補粉煤灰水化慢造戒的早期強度低的缺點，到了中期，礦渣大量參與反應和硅粉一起促進強度增長，到了后期，粉煤灰開始水化，其強度的增長主要是由礦渣和粉煤灰承擔。這樣三者水化進程互補，表現出了很好的協同效應。

    那么，在實際生產中如何有效合理地利用這幾種途徑呢?物理活化應主要被各電廠和水泥廠使用，就電廠而言一方面他們可以盡可能利用現有的收灰設備，不需增加投資，在花費不大的情況下對粉煤灰進行分質收集(即可分為l級灰、Ⅱ級灰、Ⅲ級灰、統灰)，以期獲得較佳的經濟效益；另一方面，適度投資．增加少量設備，如粉磨設備，對電廠的統灰進行深加工，以獲得需要量大的Ⅱ級灰，從而取得較大的經濟效益。而化學活化主要是被科研單位、新型建材企業所用，其中加入石灰石、石膏是普遍采用的方法，在配制高效粉煤灰復合激發劑時應考慮到強堿可能會增加混凝土發生堿骨料反應的危險，氯化物會引起混凝土的鋼筋銹蝕，所以，應注意化學激發劑的合理選擇。做到最有效最經濟的搭配，使其更好地發揮作用。

4.粉煤灰的應用

    近年來，粉煤灰作為一種廉價的資源，經過科研人員的反復研究和不斷探索，已經被作為一種新型的建筑材料廣泛應用于建筑行業。

    4.1用經活化的粉煤灰生產高強高摻量粉煤灰水泥。目前，我國水泥產量多年來一直位居世界第一．但由于生產硅酸鹽水泥要消耗大量的礦物資源和能源，并釋放大量的二氧化碳等溫室氣體，對環境的破壞非常大，正因如此，我國水泥工業正面臨巨大的環境保護壓力。為了使我國水泥工業走上優質、低耗、高效與環境保護相協調發展的道路，應該采用物理和化學活化對低等級灰進行預處理活化，從而得到高活性粉煤灰。當用于生產粉煤灰水泥和復合水泥，當其摻量為30—50％，水泥強度還有較大幅度提高，并且還降低了水泥成本，這樣對于水泥工業來說是也實現了“雙贏”。

    4.2作為一種新型墻體材料的填加料，已被成熟地應用于各種墻體材料生產中。發展循環經濟，建設節約型社會是黨中央、國務院立足于我國人口資源、能源和環境狀況，著眼于經濟社會可持續發展而作出了一項重大戰略措施，而推進墻體材料的革新和推廣節能建設是發展循環經濟和建設節約型社會的重要內容。對此，為了嚴格限制毀田燒磚，我國已經研制出了多種新型墻體材料，如加粉煤灰的有以下幾種：粉煤灰燒結磚、粉煤灰輕質隔墻板、粉煤灰小型空心砌塊、粉煤灰加氣混凝土砌塊、粉煤灰蒸壓磚。這里粉煤灰的活化處理要求不高，因為有些墻體材料是非承重的，可以直接采用Ⅲ級灰或等外灰，只加人少量化學激發劑進行活化．就可以達到目的。另外，低等級還用于地基回填、筑路工程以及用于人造輕骨料等方面．因為這些對灰的質量要求不高，而且用量最大。

    4.3生產大摻量低等級粉煤灰干混砂漿。長期以來，在我國這些用于砌筑和地面找平等工程的傳統砂漿．一般采用水泥和石灰等在施工現場配制，該類砂漿不僅由于一般都用高標號水泥配制低標號砌筑砂漿而是其在經濟上和技術上都不合理尤其是抗滲性差、收縮大，從而導致粉刷開裂、起殼、滲漏等建筑通病，又因現場計量攪拌易產生誤差導致既增加成本，又影響施工質量。近年來興起的粉煤灰干粉砂漿具有現場使用方便、耗資成本低、粘接性好、質量穩定、易于施工等優點．它是將粉煤灰經過物理活化和加入一些摻和料及復和激發劑，研制出了各種等級的砌筑砂漿，另外，通過加入硅粉、塑化劑、纖維素類材料，配制了適用于各種新型墻體材料的專用砂漿和修補砂漿．這些新型墻體材料有些已經用于施工之中，有些還正在試驗階段。有很大的發展空間。

    4.4作為一種混凝土摻和料，這里主要應用的是超細磨粉煤灰。粉煤灰作為混凝土摻和料具有填充密實效應、表面效應和火山灰效應。表面效應是指粉煤灰表面可以對漿體中的某些離子進行選擇性吸附，因而有利于粉煤灰作為晶核形成水化產物以及對砼中的某些有害離子產生固化作用；填充密實效應即按照緊密堆積原理，粉煤灰填充于水泥和集料孔隙中，能減少混凝土的空隙率，使其結構更加緊密；火山灰效應是指粉煤灰中的si02可與水泥水化產物的CH產生二次反應生成CSH凝膠，填充于水泥和集料中，使混凝土結構密實，其耐久性等均增強。另外，粉煤灰的加入，大大減少了水化熱，有效防止了溫差過大產生的溫度裂縫，特別是在大體積混凝土中確保了砼的穩定性。

    筆者就陜西地區粉煤灰的活化應用做了以下調查：大多數電廠只是磨細和分選，屬物理活化，很少進行化學活化，在應用方面I級灰被應用于隧道工程，如鄭西客運專線，以及作為水泥和混凝土的摻和料，而低等級粉煤灰的應用大多數適用于地基回填而對其進行改性再應用僅處于初級階段，再就是大多數新型墻體材料廠都剛剛起步，今年有五六家廠子建成，其中最大的最具規模的是西安東方集團有限公司，有的廠子正在籌劃之中。大家都知道，我們陜西地區屬于內地，目前燒結粘土磚還在繼續使用，與此相適應砌筑砂漿基本上全是傳統砂漿，對此筆者以秦嶺32．5的普通硅酸鹽水泥、石灰(取自某工地)、石膏(市售二水石膏)以及自配的復合激發劑進行了一下探索研究，結果表明：采用物理活化和化學激發可配制出性能良好的建筑砂漿，如粉煤灰摻量為65—75％可以配制出M2.5—M5.00以及M7．5砂漿干粉，當粉煤灰摻量為55—60％可以配制出Ml0、Ml5的砂漿，其性能良好。總的來說，粉煤灰的活化特別是化學活化在陜西地區還不夠成熟．還只能算是初級階段，如蒸壓加氣砌塊、輕集料砌塊等的專用砂漿基本投開發，這就要求我們繼續努力探索，共同開發利用這一廉價資源。

5.結論

    低等級粉煤灰的活化主要有兩種：物理活化和化學激發，機械粉磨是通過改變粉煤灰的顆粒形貌和增加它的細度，破壞晶格來改變其品質；而化學復合激發主要是在粉煤灰中摻人一些與其在化學成份和物理性能上互補組份，以充分發揮其活性，使其廣泛應用于建筑行業中，這不僅減少了環境污染，而且具有顯著的經濟效益和社會效益，其開發利用的前景十分廣闊。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尹維維 尚雯瀟 編輯  文徑 審核)