粉煤灰品質(zhì)提升技術(shù)研究

王茂月

（大唐同舟科技有限公司，北京 100043）

0 引言

在當(dāng)前我國“雙碳”背景下，粉煤灰綜合利用因具有顯著的節(jié)能降碳效益而倍受重視。近年來，針對粉煤灰品質(zhì)波動(dòng)范圍大，以及原狀粉煤灰無法滿足市場對高品質(zhì)商品灰需求的狀況，應(yīng)不斷加強(qiáng)電站鍋爐的配煤摻燒、靈活調(diào)峰，以產(chǎn)出高品質(zhì)粉煤灰。不僅如此，國內(nèi)Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰的應(yīng)用范圍越來越廣，尤其是在建材行業(yè)和混凝土工程建設(shè)中應(yīng)用更為突出。粉煤灰對改善混凝土流變性能、降低水化溫升、提高混凝土耐久性都具有顯著的作用[1]。為了使混凝土能夠滿足大摻量、高泵程、高流態(tài)、高強(qiáng)、高耐久性等需求[2]，在大體積混凝土中摻入Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰，可減少水化熱，在提高強(qiáng)度的同時(shí)還可代替水泥，變廢為寶，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 分選粉煤灰的品質(zhì)特性

1.1 分選粉煤灰的微觀形貌分析

采用掃描電鏡可研究原狀粉煤灰（圖1）、分選細(xì)灰（圖2）、分選粗灰（圖3）的顆粒形貌特征，原狀粉煤灰是由球形顆粒（玻璃微珠）、不規(guī)則玻璃體及少量未燃碳組成，其中不規(guī)則顆粒的占比例較高，影響其在混凝土中的流動(dòng)性。經(jīng)分選后，分選細(xì)灰的顆粒以球形顆粒為主，且不規(guī)則顆粒較少，球形顆粒外表致密、圓滑、玻璃微珠含量多、發(fā)育好。相比之下，粗灰中則富集了粗大多孔的玻璃體和疏松多孔的不規(guī)則玻璃體，玻璃微珠含量甚少。根據(jù)對粉煤灰內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究可知，粗粒粉煤灰往往由于內(nèi)部氣孔發(fā)育，以空心或子母珠存在的形式較多，而細(xì)粒粉煤灰多以實(shí)心微珠的形式存在。

圖1 原狀粉煤灰SEM 掃描電鏡分析

圖2 分選細(xì)灰SEM 掃描電鏡分析

圖3 分選粗灰SEM 掃描電鏡分析

1.2 分選粉煤灰的物理特性分析

由于顯微結(jié)構(gòu)的差異，原狀粉煤灰、分選細(xì)灰和分選粗灰作為混凝土摻合料使用時(shí)，所體現(xiàn)的物理化學(xué)特性各有不同。原灰SEM 掃描電鏡分析如表1所示。

表1 分選粉煤灰的物理化學(xué)性能對比

由表1 可知，由于配煤摻燒與負(fù)荷調(diào)節(jié)，各電廠原狀粉煤灰的細(xì)度普遍偏粗、需水量較大、流動(dòng)性較差，一般達(dá)不到Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過分選加工后，其細(xì)度顯著下降，可滿足Ⅰ、Ⅱ級灰標(biāo)準(zhǔn)，由于且分選細(xì)灰玻璃微珠發(fā)育，需水量顯著降低，流動(dòng)性大幅提高。與原狀粉煤灰相比，分選粗灰的各項(xiàng)指標(biāo)大幅下降，需要進(jìn)行磨細(xì)處理或作為輕質(zhì)墻體材料的摻合料使用。

2 磨細(xì)粉煤灰的品質(zhì)特性

2.1 磨細(xì)粉煤灰的微觀形貌分析

采用SEM 掃描電鏡對磨細(xì)粉煤灰（圖4、圖5）、原狀粉煤灰（圖6）的顯微顆粒類型與顯微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究，經(jīng)過機(jī)械粉磨加工后的磨細(xì)粉煤灰玻璃微珠顆粒少于原狀粉煤灰，且表面缺陷較多，較為粗糙，其球體結(jié)構(gòu)被破壞。

圖4 M1 磨細(xì)粉煤灰SEM 掃描電鏡分析

圖5 M2 磨細(xì)灰SEM 掃描電鏡分析

圖6 M 原狀粉煤灰SEM 掃描電鏡分析

2.2 磨細(xì)粉煤灰的物理特性分析

原狀粉煤灰與磨細(xì)粉煤灰的物理化學(xué)特性不同，粉磨粉煤灰的物理化學(xué)性能對比如表2 所示。

表2 粉磨粉煤灰的物理化學(xué)性能對比

經(jīng)過機(jī)械粉磨加工后，可將粉煤灰品質(zhì)從Ⅲ級灰越級為Ⅰ、Ⅱ級灰，與原狀粉煤灰相比，其需水量比增加、活性顯著增強(qiáng)。磨細(xì)的作用不僅降低了細(xì)度，還改進(jìn)了粉煤灰摻合料的顆粒級配、顆粒形狀和結(jié)構(gòu)。據(jù)SEM 掃描電鏡觀察，由于疏松的粗粒被分散，斷裂面增多，且顆粒均有新生表面，改善了粉煤灰的性能，如降低細(xì)度、增強(qiáng)火山灰反應(yīng)能力等。通過磨細(xì)處理，提高了粉煤灰總體的均勻性，這對于提高粉煤灰品質(zhì)有著重要意義[3]。通過機(jī)械磨細(xì)，一方

面粉碎了粗大多孔的玻璃體，解除玻璃顆粒黏結(jié)，改善表面特性，減少配合料在混合過程的摩擦，改善集料級配，提高物理活性；另一方面，破壞了粗大玻璃體尤其是多孔和顆粒的粘連，也破壞了玻璃體表面堅(jiān)固的保護(hù)膜，使內(nèi)部可溶SiO2、Al2O3溶出斷鍵增多，比表面積增大，反應(yīng)接觸面增加，活化分子增加，提高了粉煤灰早期的化學(xué)活性[4]。

3 分選細(xì)灰、 磨細(xì)粉煤灰作為摻合料用于混凝土中的性能研究

3.1 原材料及試驗(yàn)方法

選用等級都為Ⅱ級的分選細(xì)灰、磨細(xì)粉煤灰、符合GSB 14-1510 規(guī)定強(qiáng)度等級為42.5 的硅酸鹽水泥（對比水泥）、中國ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂、潔凈的淡水，分別摻入30%分選細(xì)灰、磨細(xì)粉煤灰，用行星式砂漿攪拌機(jī)攪拌，振實(shí)臺成型，制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（濕氣≥90%）成型，24 h 后脫模，于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，到試驗(yàn)齡期時(shí)從水中取出，測定其 3 d、7 d、28 d 強(qiáng)度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

粉煤灰水泥膠砂抗壓強(qiáng)度比是衡量粉煤灰活性的重要指標(biāo)，其數(shù)值大小反映了粉煤灰活性的高低，同時(shí)也是摻30%粉煤灰硅酸鹽水泥與不摻粉煤灰硅酸鹽水泥按國標(biāo)GB/T17671 測定水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的比值。

在相同條件、同等級的情況下分選細(xì)灰和磨細(xì)粉煤灰3 d、7 d、28 d 水泥膠砂強(qiáng)度活性對比如表3所示。

表3 分選細(xì)灰、磨細(xì)粉煤灰不同齡期水泥膠砂強(qiáng)度活性對比

由表3 可知，在相同水膠比條件下，分別摻入30%的分選細(xì)灰 F1和磨細(xì)粉煤灰 M13 d、7 d、28 d 水泥膠砂強(qiáng)度，首先摻入30%的分選細(xì)灰F13 d、7 d、28 d 強(qiáng)度活性指數(shù)均高于摻入30%的磨細(xì)粉煤灰M1，隨著齡期的增長，二者之間差距逐漸減小，直至在28 d 時(shí)差距最小。其次在不同齡期其強(qiáng)度值都有一定程度的提高，隨著齡期的增長，強(qiáng)度活性指數(shù)顯著增加，在齡期3 d、7 d 時(shí)強(qiáng)度活性指數(shù)達(dá)不到指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，但在28 d 時(shí)強(qiáng)度明顯提高。

鑒于分選細(xì)灰、磨細(xì)粉煤灰二者性能之間的差異性，分選細(xì)灰理化性能優(yōu)于磨細(xì)粉煤灰，主要體現(xiàn)在流動(dòng)性、需水量比、強(qiáng)度等性能，可見這種高性能物理特性賦予了分選細(xì)灰更高的利用價(jià)值，可有效改善混凝土的質(zhì)量。粉煤灰用作混凝土的摻和料時(shí)，對混凝土性能的影響主要是通過3 個(gè)效應(yīng)來體現(xiàn)，即形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)[5]；對水泥膠砂流動(dòng)度的影響主要是通過顆粒的形態(tài)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。粉煤灰的活性以及表面光滑的玻璃微珠具有形態(tài)效應(yīng)及微集料效應(yīng)，能夠廣泛運(yùn)用于建筑材料的生產(chǎn)與建設(shè)工程[6]，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)粉煤灰在水泥混凝土應(yīng)用中的大摻量性能。

4 結(jié)語

（1）同一燃煤鍋爐所產(chǎn)的粉煤灰經(jīng)過分選、機(jī)械磨細(xì)加工后，分選有利于粉煤灰需水量比的降低、流動(dòng)度的增大、分散性的增強(qiáng)、強(qiáng)度活性指數(shù)的提高；二者的共同之處均有利于細(xì)度的降低，但粉煤灰經(jīng)分選、磨細(xì)加工后由Ⅲ級灰或不符合等級灰可提升至Ⅰ、Ⅱ級灰。

（2）在相同水膠比的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行粉煤灰水泥膠砂3 d、7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分選細(xì)灰強(qiáng)度活性指數(shù)均高于磨細(xì)粉煤灰，且分選、磨細(xì)粉煤灰28 d 強(qiáng)度活性指數(shù)不小于80%，而原狀粉煤灰、分選粗灰水泥膠砂28 d 抗壓強(qiáng)度相對較低。

（3）對于原狀粉煤灰的加工處理，最佳的技術(shù)路徑應(yīng)該是先進(jìn)行分級分選工藝，然后再將分選粗灰通過機(jī)械磨細(xì)設(shè)備激發(fā)其活性、降低其細(xì)度，加工成符合等級的粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，不僅減少了資源的浪費(fèi)，同時(shí)也提升了粉煤灰的品質(zhì)，滿足了市場對高品質(zhì)粉煤灰的需求。