低品質(zhì)粉煤灰基人造骨料技術(shù)研發(fā)與工程示范

李祝 李嘉 鐘靈毓 黃圳祥

深圳市能源電力服務(wù)有限公司，中國·廣東 深圳 518052

1 引言

中國粵港澳大灣區(qū)、深圳先行示范區(qū)等國家戰(zhàn)略推進(jìn)，電力起著不可或缺的支撐性作用。目前，珠三角地區(qū)年用電量30%是由燃煤發(fā)電廠提供的。燃煤發(fā)電排放大量固體灰渣（粉煤灰），部分高品質(zhì)粉煤灰代替水泥用于混凝土，實現(xiàn)良好的循環(huán)利用；而低品質(zhì)粉煤灰由于對混凝土產(chǎn)生早熟劣化，影響結(jié)構(gòu)耐久性，無法在混凝土中有效使用，主要以堆填方式存放，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和社會負(fù)擔(dān)。同時，由于全球城鎮(zhèn)化的大規(guī)模進(jìn)程，建筑骨料在過去幾十年間成為世界上開采和交易量最大的自然資源之一。中國也不例外，僅2011年至2013年間的砂子的消耗量就是美國整個20世紀(jì)的消耗量，在全球中的占比為50%以上。

2 項目實施的目的與意義

針對目前中國基礎(chǔ)建設(shè)中砂石骨料嚴(yán)重短缺的問題，通過顆粒合成技術(shù)可將粉煤灰轉(zhuǎn)化為人造砂石骨料，拓展低品質(zhì)粉煤灰的高附加值利用空間，緩解基建規(guī)模擴(kuò)大導(dǎo)致的天然骨料匱乏問題；實現(xiàn)資源與環(huán)境的雙收益。

中國珠三角地區(qū)的原生低品質(zhì)粉煤灰作為原材料，圍繞中國粵港澳大灣區(qū)綠色建造和資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展需求，通過化學(xué)激發(fā)和顆粒合成技術(shù)，開發(fā)免燒結(jié)、高強(qiáng)度、低成本的粉煤灰基人造骨料，探明其化學(xué)形成機(jī)理，建立碳化養(yǎng)護(hù)制度，形成系統(tǒng)的評估方法，積極推進(jìn)工程示范。本項目研發(fā)可實現(xiàn)低品質(zhì)粉煤灰的高效利用，滿足土建工程建設(shè)對骨料的需求，為其他固廢資源增值利用提供重要的科學(xué)依據(jù)；綠色制備工藝亦有效緩解燃煤發(fā)電廠碳排放問題，有望實現(xiàn)燃煤發(fā)電廠碳中和的目標(biāo)[1]。

3 中國發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

出于對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，各省市對天然骨料（石子和河砂）的使用出臺了相關(guān)的限采或禁采政策。目前使用的再生骨料是對現(xiàn)有拆除混凝土中提取的骨料進(jìn)行再次利用，在使用之前需去除掉骨料表面附著的舊水泥漿體，以防止其二次利用時產(chǎn)生與新水泥漿體的粘結(jié)問題。然而，在實際混凝土應(yīng)用中，由于其高成本和安全性問題，再生骨料僅可以少部分替代天然骨料（10%～20%替換量）。海砂和機(jī)制砂也分別由于海岸線生態(tài)保護(hù)和源頭山石禁采而無法大規(guī)模應(yīng)用。

粉煤灰在混凝土中的使用具有嚴(yán)苛的技術(shù)規(guī)范，需符合國標(biāo)GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。根據(jù)鈣含量，粉煤灰可分為低鈣和高鈣兩種，其中高品質(zhì)低鈣粉煤灰獲得了廣泛的技術(shù)研究和工程應(yīng)用；而低品質(zhì)高鈣粉煤灰因游離鈣與硫超標(biāo)，會在混凝土中產(chǎn)生氫氧化鈣和鈣礬石，引起混凝土膨脹開裂，導(dǎo)致其無法在混凝土中得到有效利用。開發(fā)以該類粉煤灰為原材料的人造骨料，可抑制游離鈣與硫相在混凝土中的化學(xué)活性，是實現(xiàn)其工程高附加值的有效途徑。

依據(jù)粉煤灰的化學(xué)激發(fā)原理，解析化學(xué)激發(fā)粉煤灰膠凝體系特征，克服低品質(zhì)粉煤灰中游離鈣和硫相導(dǎo)致的膨脹開裂問題；利用顆粒合成技術(shù)，開發(fā)免燒結(jié)、高強(qiáng)度、低成本的粉煤灰人造骨料，闡明其微觀結(jié)構(gòu)演化與宏觀性能的構(gòu)效關(guān)系；構(gòu)建碳化養(yǎng)護(hù)制度，實現(xiàn)人造骨料的性能提升和碳中和利用；形成粉煤灰骨料在混凝土中的安全使用評價體系，建立人造骨料混凝土設(shè)計方法；最終實現(xiàn)低品質(zhì)粉煤灰基人造骨料技術(shù)研發(fā)與工程示范[2]。

4 研究內(nèi)容與技術(shù)路線

以低品質(zhì)粉煤灰的高附加值利用為目的，本項目擬研發(fā)粉煤灰人造骨料，并解析粉煤灰人造骨料形成工藝與合成機(jī)理，揭示其在混凝土環(huán)境中的安定性，形成如下四個主要研究內(nèi)容。

4.1 化學(xué)激發(fā)粉煤灰膠凝體系解析

遴選珠三角地區(qū)某燃煤發(fā)電廠不同批次粉煤灰，分析其有害離子、化學(xué)成分、活性指數(shù)等；依據(jù)酸/堿膠凝材料元素配合比設(shè)計理論，設(shè)計粉煤灰的化學(xué)激發(fā)劑，并分析化學(xué)激發(fā)粉煤灰膠凝產(chǎn)物的類型、晶相結(jié)構(gòu)、鋁硅等化學(xué)配位環(huán)境等，解析配合中各關(guān)鍵材料要素添加順序?qū)ψ罱K膠凝產(chǎn)物的影響規(guī)律。

4.2 粉煤灰人造骨料材料設(shè)計與合成技術(shù)

依據(jù)酸/堿激發(fā)劑和人造骨料配合比，利用顆粒合成技術(shù)，研究用水量和噴水方式等工藝參數(shù)；以粉煤灰骨料強(qiáng)度結(jié)果，反向研究工藝參數(shù)對成粒效果的影響，如粒度分布、骨料外觀、圓球度等信息；以骨料產(chǎn)出最終強(qiáng)度為目標(biāo)，逆向優(yōu)化調(diào)整配合比和制備工藝參數(shù)；研究碳化養(yǎng)護(hù)對骨料強(qiáng)度和pH的影響規(guī)律；分析優(yōu)化成粒后的人造骨料化學(xué)變化及內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，建立骨料強(qiáng)度和內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系[3]。

4.3 粉煤灰人造骨料混凝土優(yōu)化設(shè)計與性能表征

設(shè)計粉煤灰人造骨料混凝土；研究人造骨料和水泥漿的界面過渡區(qū)，探明界面過渡區(qū)的二次水化反應(yīng)，并探明界面黏結(jié)機(jī)理及化學(xué)穩(wěn)定性；建立粉煤灰人造骨料混凝土的本構(gòu)關(guān)系，并通過實驗和模擬手段進(jìn)行推演和驗證；研究粉煤灰人造骨料混凝土的極限荷載下的損傷模型，為其后續(xù)工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4.4 粉煤灰人造骨料及其混凝土的工程性能評價體系

構(gòu)建材料配合比與基體密度和強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系函數(shù)，建立粉煤灰人造骨料的評價體系，探索工藝參數(shù)、配合比及骨料性能的構(gòu)效關(guān)系；揭示燃煤發(fā)電廠二氧化碳排放與利用的碳中和評價機(jī)制；最終形成粉煤灰人造骨料混凝土的工程服役性能的關(guān)鍵評價指標(biāo)[4]。

5 項目實現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)

①粉煤灰人造骨料環(huán)境安全指標(biāo)，符合危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)（GB/T5083.3—2007）和危險廢物填埋標(biāo)準(zhǔn)（GB16889—2008）中有害物質(zhì)的浸出指標(biāo)；

②解析化學(xué)激發(fā)粉煤灰膠凝體系的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)；

③研制粉煤灰人造骨料，其堆積密度低于1900kg/m3，單顆強(qiáng)度大于2MPa；

④研制出輕質(zhì)高強(qiáng)的聚物混凝土，性能優(yōu)于《JGT266—2011》泡沫混凝土國家標(biāo)準(zhǔn)；

⑤建立膠凝材料、人造骨料及混凝土的工程性能評價體系[5]。

6 結(jié)語

圍繞中國珠三角地區(qū)綠色建造和資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展需求，以低品質(zhì)粉煤灰的高附加值利用為目的，本項目擬研發(fā)粉煤灰人造骨料，構(gòu)建粉煤灰人造骨料混凝土設(shè)計方法及應(yīng)用規(guī)范，最終實現(xiàn)粉煤灰作為人造骨料的高附加值技術(shù)應(yīng)用。