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文檔簡介

1、粉煤灰的物理,化學性能及其應用技術研究唐守清(福建省華廈建筑設計院,福州 350007)摘 要 本文研究了粉煤灰的物理化學性能,提出了粉煤灰脫炭利用的原理和技術,利用脫炭粉煤灰和高效早強減水荊的“雙摻”技術,進行了水泥路面的試驗研究,粉煤友替代水泥量達20 ,較好地解決了水泥路面中直接利用粉煤灰所存在的主要問題。關鍵詞 粉煤灰;物理化學性能;脫炭粉煤灰;路面修復1 引言粉煤灰的主要來源是以煤粉為燃料的火電廠和城市集中供熱鍋爐。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消耗國家。全國煤炭產(chǎn)量的大約30用于發(fā)電,產(chǎn)生的粉煤灰和爐底渣的量非常大。特別是改革開放以來,電力工業(yè)迅速發(fā)展,導致粉煤灰排放量逐年銳增。因此

2、必須加強對粉煤灰物理、化學性能及其應用技術研究,否則將會給能源生產(chǎn)、資源利用和環(huán)境保護帶來不可估量的嚴重后果。因此,長期被作為固體廢棄物看待的粉煤灰,近年來隨著國際性能源供需矛盾的加劇和對環(huán)境保護愈來愈高的要求,已引起了世界各國的關注,并對其利用進行了廣泛的研究、試驗和應用,取得了一定的成就,國外先進國家(歐盟、美國等)粉煤灰利用率已達7080 ,我國粉煤灰利用率亦達4050 ,對節(jié)約能源和改善環(huán)境起到了重要作用。然而,我國電廠排放的粉煤灰品質(zhì)極不穩(wěn)定,有80 以上的粉煤灰燒失量超過6 ,有的達到20 以上,資源化性能較差,極大地限制了粉煤灰的應用范圍和數(shù)量,是導致我國粉煤灰利用率偏低的重要原

3、因。為實現(xiàn)能源節(jié)約和減少粉煤灰對環(huán)境的污染,開拓粉煤灰綜合利用的新途徑,本文對粉煤灰的物理、化學性能及在各種不同類別工程中的應用進行了探討。希望本文對粉煤灰的綜合利用以及環(huán)境保護有一定的幫助。2 粉煤灰的物理化學性能1,221 粉煤灰的化學組成以福建武夷山晶輝山莊技改工按照粉煤灰為例,其化學成分分析(表1)表明,粉煤灰中硅的含量最高,其次是鋁,以復雜的復鹽形式存在,酸溶性較差。鐵含量相對較低,以氧化物形式存在,酸溶性好。此外還有未燃盡的炭粒、CaO和少量的MgO、Na20、K20、S03等。表1 福建武夷山晶輝山莊技改工程化學成分(%)成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO S

4、O3 Na2O及K2O 燒失量含量 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顆粒形貌可將粉煤灰顆粒分為:(1)玻璃微珠;(2)海綿狀玻璃體(包括顆粒較小、較密實、孔隙小的玻璃體和顆粒較大、疏松多孔的玻璃體);(3)炭粒。其中大部分是海綿狀玻璃體,顆粒分布極不均勻,必須通過研磨處理,改善其性能的差異性。(1)粉煤灰的強度粉煤灰是以酸性氧化物為主的玻璃相物質(zhì),它在水泥的水化產(chǎn)物形成的堿性環(huán)境中逐漸受到腐蝕,發(fā)生火山灰反應,形成CSH凝膠,減弱了OH一的濃度,促進了水泥的水化反應,對水泥石強度的增長起了重要作用

5、。以下將以晶輝山莊道路工程為例說明粉煤灰的強度特性。該混凝土采用“雙摻”技術,即在混凝土中同時摻加粉煤灰和高效早強減水劑。表2 C30 早強混凝土抗壓強度和抗折強度試驗表試件序號 1.11.3 2.12.3 3.13.3 4.14.3粉煤灰摻量 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減水劑(%) 2 2.25 2.5 2.75試件序號 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3齡期(d) 3 7 2

6、8 3 7 28 3 7 28 3 7 28抗壓強度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抗折強度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從上表可知:同一摻量的粉煤灰混凝土隨著齡期的增加,強度增長速度均比基準混凝土快;而且,粉煤灰摻量為20的混凝土試件的強度增長和基準混凝土的強度增長相關性最好。 (2)粉煤灰對混凝土耐久性的影響在抗碳化能力方面,實驗表明,水泥用量不減少,再外摻粉煤灰取代部分砂子,這樣的粉煤灰混凝土抗碳化能力就可以增加;同時摻用粉

7、煤灰和減水劑,即采用“雙摻”的技術措施,還可以更好地發(fā)揮粉煤灰的效應,保證提高粉煤灰的抗碳化能力。在鋼筋抗銹蝕方面,由于粉煤灰改善混凝土的體積變化的性能,使混凝土避免出現(xiàn)裂縫和微裂縫,水分和氧的難以人侵,對保護鋼筋不被銹蝕意義重大。3 粉煤灰的綜合利用目前,我國粉煤灰的大宗利用途徑是生產(chǎn)建筑材料、筑路和回填。粉煤灰建筑材料的性能與傳統(tǒng)的建筑材料相比有許多優(yōu)點。如粉煤灰加氣混凝土,其干容重只有500kgm ,不到粘土磚的13;導熱率為011013W(m ·K),約為粘土磚的15,具有輕質(zhì)、絕熱、耐火等優(yōu)良性能。硅酸鹽砌塊強度達到100150號,導熱系數(shù)比普通混凝土小一倍,且砌筑效率高。

8、粉煤灰燒結(jié)磚比普通粘土磚輕15 20 ,導熱系數(shù)只有粘土磚的70 。粉煤灰陶粒性能優(yōu)于天然輕骨料,用其配制的混凝土不僅容重輕,而且具有保溫、隔熱、抗沖擊等優(yōu)良性能,在高層建筑、大跨度構(gòu)件和耐熱混凝土中得到應用。粉煤灰硅酸鹽水泥干縮性小,水化熱低,抗裂性、和易性與可泵性好,特別適用于大壩工程及泵送混凝土施工。粉煤灰含有一定的殘留碳,用其燒制建筑材料可節(jié)約大量能量。當粉煤灰熱值為500×419kJkg,摻用量為40時,可節(jié)約燒磚用煤50 。生產(chǎn)粉煤灰砌塊的能耗僅為同體積粘土磚的60左右。利用粉煤灰生產(chǎn)建筑材料、筑路和回填可以節(jié)約大量粘土。對粉煤灰燒結(jié)磚,粉煤灰摻加量一般為30 50 ,最

9、高到70 ,相應節(jié)約用土30-50 。粉煤灰用于筑路和回填是投資少、見效快的一種直接大用量利用粉煤灰的途徑。此種道路壽命長,維護少,可節(jié)約維護費用30-80 。目前我國粉煤灰綜合利用技術主要有以下九種。31 生產(chǎn)粉煤灰燒結(jié)磚粉煤灰燒結(jié)磚是以粉煤灰和粘土為原料,經(jīng)攪拌、成型、干燥、焙燒制成的磚。粉煤灰摻量30 一70 ,其生產(chǎn)工藝及主要設備與普通粘土磚基本相同,主要是多了粉煤灰的貯運、計量、脫水和攪拌設備。利用粉煤灰生產(chǎn)燒結(jié)磚技術成熟,所用的粉煤灰燒失量不限,只要粘土有足夠的塑性,在生產(chǎn)粘土磚的基礎上,添加些必要的設備,仍采用擠出成型,無論是在輪窯還是在隧道窯里都能燒制粉煤灰磚。過去磚廠采用國產(chǎn)

10、設備和傳統(tǒng)生產(chǎn)方法,粉煤灰摻量只有40左右。近幾年采用了國外的技術和設備,粉煤灰摻量提高到60 70 。實踐表明:用于燒制粉煤灰燒結(jié)磚的粉煤灰中SiO:的含量不宜高于70 ,超過此含量,混合料的塑性大大降低,制品的抗折和抗壓強度較低;A120,的含量以15 25為宜,低于10時,制品強度低,高于25 時,雖制品強度高,但燒成溫度提高;Fe:0,含量以5 10 為宜,含量過高,將縮小混合料的燒成溫度范圍,給焙燒工序操作造成困難;MgO和硫化物含量越小越好,MgO含量一般不應超過3 ,硫化物的含量最好小于1%。32 生產(chǎn)粉煤灰蒸養(yǎng)磚粉煤灰蒸養(yǎng)磚是以粉煤灰為主要原料,摻人適量骨料生石灰、石膏,經(jīng)坯料

11、制備、壓制成型、常壓或高壓蒸汽養(yǎng)護而制成的磚。粉煤灰在濕熱條件下,能與石灰、石膏等膠凝材料反應,生成具有一定強度的水化產(chǎn)物。粉煤灰摻量約為65 ,生產(chǎn)工藝分高壓養(yǎng)護和常壓養(yǎng)護兩類。高壓養(yǎng)護的磚強度較高。對粉煤灰要求含碳量低,活性高。生產(chǎn)工藝包括原料處理、計量、攪拌、消化、輪碾、成型和養(yǎng)護等工序。消化可提高料溫,縮短磚坯靜停時間;輪碾可起到攪拌、活化和壓實的作用。磚坯通常采用半干壓法成型,常用設備有八孔、十六孔轉(zhuǎn)盤式壓磚機及杠桿式壓磚機等。采用蒸汽養(yǎng)護時,蒸汽壓力一般為08NPa。33 生產(chǎn)粉煤灰硅酸鹽砌塊粉煤灰硅酸鹽砌塊以粉煤灰、石灰、石膏為膠結(jié)料,以爐渣為骨料,經(jīng)加水攪拌、振動成型、蒸汽養(yǎng)護

12、而成。粉煤灰摻量為30 左右,爐渣占55 。生產(chǎn)粉煤灰硅酸鹽砌塊對粉煤灰的質(zhì)量要求是燒失量不大于15。膠凝材料中要含有足夠高的氧化鈣,水灰比不宜大于055。生產(chǎn)工藝包括原材料加工處理、混合料的計量和制備、振動成型和蒸汽養(yǎng)護。砌塊的容重一般為1800kgm 左右,抗壓強度可達100150號,其缺點是收縮值偏大,碳化系數(shù)偏低,抗凍性稍差。34 生產(chǎn)加氣混凝土粉煤灰加氣混凝土是以粉煤灰為基本原料,配以適量的生石灰、水泥、石膏及鋁粉等添加劑制成的一種輕質(zhì)混凝土建筑材料,粉煤灰摻量一般可達70 。這一產(chǎn)品的生產(chǎn)技術成熟,產(chǎn)品質(zhì)量已過關。國家頒布的有關加氣混凝土的試驗方法(JG 25627580)、產(chǎn)品標

13、準(JG 31582)、應用技術規(guī)范(JC1784)等,都包括了粉煤灰加氣混凝土。生產(chǎn)工藝和設備大體上與其他品種加氣混凝土相同。將經(jīng)過加工的、符合要求的原料按一定比例混合,并加人發(fā)泡劑等,經(jīng)攪拌澆注入模、發(fā)泡膨脹、靜停、切割,進高壓釜養(yǎng)護。養(yǎng)護的蒸汽壓力一般為116MPa。若生產(chǎn)加氣混凝土板材,還需配備鋼筋車間,澆注前先將加工好的鋼筋網(wǎng)片固定在模具中。粉煤灰加氣混凝土的性能和其他品種加氣混凝土基本相同,使用范圍也相同。3,5 生產(chǎn)粉煤灰陶粒以粉煤灰為原料,加人一定量的膠結(jié)料和水,經(jīng)成球、燒結(jié)而成的輕骨料即為燒結(jié)粉煤灰陶粒。它是一種性能較好的人造輕骨料。其用灰量大,還可以充分利用粉煤灰中的熱值,

14、粉煤灰摻量約80 。生產(chǎn)工藝一般由原料的磨細處理、混合料加水成球、焙燒等工序制成。燒結(jié)通常采用帶式燒結(jié)機、回轉(zhuǎn)窯或立波爾窯。帶式燒結(jié)機對原料的適用范圍大,生產(chǎn)操作方便,產(chǎn)量高,質(zhì)量較好,工藝技術成熟。用燒結(jié)機生產(chǎn)的粉煤灰陶粒的容重一般為650kgm。,可以配制300號混凝土。36 代替粘土做生產(chǎn)水泥的原料粉煤灰的成分與粘土相似,可以替代粘土配料生產(chǎn)水泥,還可利用其殘余碳,在煅燒水泥熟料時可節(jié)約燃料。生產(chǎn)工藝和技術裝備與生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥一樣,無特殊工藝技術要求。但要注意配料方案的調(diào)整,嚴格控制各種原料的摻人量,以保證出磨生料化學成分符合要求 熟料煅燒采用機立窯或回轉(zhuǎn)窯均可。37 粉煤灰做生產(chǎn)水

15、泥的混合材料在磨制水泥時,除摻加3 一5的石膏外,還允許按水泥的品種和標號添加一定量的材料與熟料共同粉磨,習慣上稱此材料為混合材料。用粉煤灰做混合材料時, 其質(zhì)量需達到GB1596881、級灰的要求。根據(jù)粉煤灰的摻量,可生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥(粉煤灰摻量15)和粉煤灰水泥(粉煤灰摻量20 一40)。由于粉煤灰摻量增加,粉煤灰水泥與普通硅酸鹽水泥性能有所不同,主要是早期強度有所降低。在生產(chǎn)中對粉煤灰的均勻性要求嚴格。用60 一70粉煤灰、25 30水泥熟料及少量石膏進行研磨,可生產(chǎn)低標號水泥,稱為砌筑水泥。這種水泥用灰量大,生產(chǎn)成本低,市場容量大,是很有開發(fā)前途的利廢產(chǎn)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。干排灰可由密封罐車、密封罐船或通過管道用氣體輸送進廠,經(jīng)貯庫、加料倉進入水泥磨與熟料和石膏混磨。38 粉煤灰在砂漿中可以代替部分水泥、石灰或砂用于砂漿中的粉煤灰質(zhì)量要求不高,砂漿在建筑工程中用量很大,可利用大量粉煤灰。目前尚無國家或行業(yè)技術標準和施工規(guī)范,在使用前需經(jīng)過配比試驗。用粉煤灰作 昆凝土摻和料,要求粉煤灰有較高的質(zhì)量,如細度要大、活性要高、含碳量要低。因此常用磨細粉煤灰,每立方米混凝土可用灰50100kg,節(jié)約水泥50 100kg。摻粉煤灰的水泥凝結(jié)較緩慢,和易性好,能減少離析人泌水,可泵性能好,有利于較長距離運輸和泵送施工。摻粉煤灰混

17、凝土的制作工藝流程與普通混凝土基本相同,只是增加了粉煤灰這種原料需要增加相應的儲存、計量和輸送設備。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攪拌可制作路面基層材料。摻加量最高可達70 ,對粉煤灰質(zhì)量要求不高,可根據(jù)粉煤灰、石灰道路基層施工暫行技術規(guī)定(CJ483)進行生產(chǎn)和施工。粉煤灰代替粘土筑路堤有全灰和間隔灰兩種,施工設備和步驟與粘土路堤相同。粉煤灰均可滿足對填方材料的質(zhì)量要求,且粉煤灰對水質(zhì)不會造成污染。工程回填、圍海造田和礦井回填等可大量使用粉煤灰。利用脫炭粉煤灰修復公路路面時,在路面混凝土中可替代20 的水泥,每m3路面混凝土產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益為2385元m3,經(jīng)濟

18、效益十分顯著。310 低溫合成粉煤灰水泥低溫合成粉煤灰水泥的生產(chǎn)原理和一般硅酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥的生產(chǎn)原理不同,它是將配合料(主要是石灰和粉煤灰)先蒸汽養(yǎng)護生成水化物,然后經(jīng)脫水和低溫(7oo cc800oC)固相反應形成水泥礦物1】。該技術具有煅燒溫度低和粉煤灰用量大等特點。此法生產(chǎn)鋁硅酸鹽復合水泥具有早強性能,并可消除高鈣固硫粉煤灰作水泥混合材料時含硫量超過標準時帶來的不利影響。而且其強度性能優(yōu)于用普通粉煤灰低溫合成熟料制成的特種粉煤灰水泥,其CB2,CB3的3d、7d、28d強度均接近硅酸鹽水泥。4 結(jié)束語本文從研究粉煤灰的物理、化學性能人手,主要討論了粉煤灰的綜合利用。粉煤灰是一種新型的建筑材料,綜合利用粉煤灰具有顯著的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益,同時可以降低土地資源的損耗。因此利用好粉煤灰將是一件利過利民的大事。參考文獻1沈旦申粉煤灰混凝土

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