低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的研究進展

王?飛

(包頭市第三熱電廠 內(nèi)蒙古包頭 014060)

粉煤灰是燃煤電廠的工業(yè)廢棄物，世界粉煤灰產(chǎn)量年均60～80億t。大量粉煤灰的存放對生態(tài)環(huán)境、生物體安全造成了很大威脅。不同國家和地區(qū)對粉煤灰的利用情況不均，發(fā)達國家和地區(qū)利用率相對較高。我國是世界最大的排灰國，我國粉煤灰的利用率在75%左右，每年仍有未充分利用的粉煤灰大量堆存[1]?；炷潦欠勖夯依玫闹匾緩?，《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）將用于水泥混凝土的粉煤灰分成了3 類，其中Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰在混凝土中的應用研究較為集中，Ⅲ級以下的粉煤灰低品質(zhì)粉煤灰的研究應用還不成熟。近年來，隨著房地產(chǎn)增速放緩，水泥產(chǎn)能下降，增加混凝土中粉煤灰的替代量是穩(wěn)定我國粉煤灰利用的關(guān)鍵。該文對近年來低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的應用進行分析，以期促進低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的研究和應用。

1 我國低品質(zhì)粉煤灰的特性

電廠的粉煤灰主要成分中均為SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO等。國家規(guī)范對用于水泥和混凝土中的粉煤灰主要按照細度、需水量和燒失量進行劃分，并規(guī)定了SO3、活化系數(shù)等技術(shù)指標。細度上，Ⅲ級粉煤灰的細度要求在45 μm篩余小于45%。對不同電廠粉煤灰分析可知，江油、昆明等電廠粉煤灰75 μm以上顆粒占了45%以上。浙江檢測的4座典型電廠中僅一家粉煤灰原灰達到了Ⅱ級灰標準，其余3 座電廠的45 μm 篩余率均超出Ⅱ級灰標準，內(nèi)蒙古某電廠的Ⅲ級粉煤灰占了57%。另外，低品質(zhì)粉煤灰中含有較多的未燃盡的碳，使得粉煤灰燒失量和吸水量大。

2 低品質(zhì)粉煤灰的研究進展

2.1 改變粉煤灰混凝土設計方法

粉煤灰中粗細顆粒的反應特征不同，將大小不同的粉煤灰顆粒重新搭配，可以提高混凝土性能。

CUI Y P 等人[2]利用篩分工藝將粉煤灰制備成不同級配的顆粒。細顆粒的粉煤灰對混凝土早期強度有利，粗粉煤灰活性差，但可以提高抗硫酸鹽性能。將小于20 μm 和大于20 μm 的顆粒按一定比例混合，混凝土的強度和耐久性最好。0～26 μm之間的粉煤灰有利于混凝土中水泥的水化，提高混凝土的水化熱，61 μm以上粉煤灰可以顯著降低混凝土的水化熱。

KARADUMPA C S 等人[3]改變傳統(tǒng)的混凝土的配合比設計方法，采用堆積密度法將粉煤灰、礦渣和普通硅酸鹽水泥混合在一起做成復合水泥，根據(jù)抗壓強度、堆積密度和膠凝材料的有效替代率，發(fā)現(xiàn)含有50%普通硅酸鹽水泥、20%粉煤灰和30%礦渣的樣品是復合水泥的最佳配合比。顆粒的合理級配可以減少孔隙，從而提高混凝土早期強度。大摻量粗粉煤灰和水泥混合制備的混合水泥比直接添加粗粉煤灰和水泥做混凝土力學及耐久性能都要高。

2.2 磨細粉煤灰做膠凝材料

由于粉煤灰顆粒多為堅固的玻璃體結(jié)構(gòu)，因此反應較慢，顆粒較大的Ⅲ級及等外粉煤灰的活性更差，減小粉煤灰顆粒大小，能夠增強活性，提高粉煤灰作為膠凝材料在混凝土中利用率。

在目前的研究中，采用球磨機改變粉煤灰粒徑及形貌是常采用的方法。將大顆粒的粉煤灰磨細，減小粒徑，能夠提高粉煤灰活性。從圖1中可以看出，球磨機粉磨的粉煤灰，圓球形顆粒明顯減少。粉煤灰磨細后破壞了大的玻璃珠，釋放生成了小的玻璃珠，三級粉煤灰磨細和超細的活性指數(shù)比二級粉煤灰高。磨細后的粉煤灰降低了需水量，提高了混凝土強度。將含有大顆粒的原狀粉煤灰粉磨后，球形顆粒被破壞，顆粒減小，制備的混凝土致密度提高，抗碳化性能提高。將粉磨后的粉煤灰進一步改性，復合改性低品質(zhì)粉煤灰28d活性指數(shù)提高了15%[4-5]。

圖1 磨細前后粉煤灰形貌

2.3 化學激發(fā)粉煤灰活性

粉煤灰是具有潛在水硬性的材料，其中含有的SiO2、Al2O3等在激發(fā)劑的作用下可以生成水硬性的物質(zhì)。硫酸鹽和強堿是常用的活性激發(fā)劑，但強堿會形成潛在的堿骨料反應問題，硫酸鹽會生成鈣礬石，導致后期混凝土體積膨脹。

吳波波等人[6]采用石灰激發(fā)低品位粉煤灰混凝土，縮短了凝結(jié)時間，顯著提高了早期強度，4%的石灰，混凝土3d 強度可達11.1 MPa，相對不摻粉煤灰的提高了46%。鈣離子對粉煤灰地質(zhì)聚合物的凝結(jié)硬化有影響，石灰比硅酸鹽水泥有更好的促凝結(jié)硬化的效果。電石渣是主要成分氫氧化鈣的固體廢棄物，陳登等人[7]將電石渣高溫煅燒改性Ⅲ級粉煤灰，改善了粉煤灰和水泥漿體的微界面，減少了界面區(qū)孔隙，提高了力學強度。

2.4 復合膠凝材料人

和化學激發(fā)不同，將兩種以上的摻合料混合在一起，取長補短，添加在混凝土中，可以制備性能良好的混凝土。激發(fā)劑的用量較小，一般在粉煤灰用量的10%以下，然而復摻混合材料的比例多在20%以上[8]。

彭勇軍[9]將石灰石粉和等外粉煤灰4∶1混合，加水攪拌均勻后在950 ℃煅燒后加入混凝土，會提高混凝土的強度，且增強減縮效果顯著。楊澤政等人[10]研究表明，石灰石粉和等外粉煤灰的直接混合摻入混凝土中，會降低混凝土的強度，但強度比單純摻入石灰石粉的強度高。

馬俊[11]將原狀粉煤灰磨細，和鋼渣采用4∶6 的比例混合制作成復合微粉，替代膠凝材料30%～40%，可以改善漿體結(jié)構(gòu)，減少混凝土的干燥收縮，提高長期強度。

2.5 粉煤灰用作骨料

粉煤灰除在混凝土中作為膠凝材料外，還可以作為混凝土的細骨料或粗骨料。采用的方法有直接添加或合成制作粉煤灰骨料等。

楊澤政等人[10]篩分和預濕處理粉煤灰渣，在砂漿中代替砂子，結(jié)果表明粉煤灰中的水分起到了內(nèi)養(yǎng)護的作用，有利于粉煤灰周圍水泥的水化，如果摻入干的粉煤灰渣，進入粉煤灰渣孔隙中的水泥能減少孔隙。

SHE W等人[12]研究了平均粒徑91 μm的粗粉煤灰用作泡沫混凝土中，相對天然砂，表面積更大，顆粒更圓潤，能提高混凝土的流動性能、機械性能和耐久性能，具有較大的經(jīng)濟效益。粗顆粒的粉煤灰加入泡沫混凝土中，因為火山灰效應的緩慢釋放，強度是不斷增長的。粗粉煤灰代替部分砂子，形成最佳級配，降低了蒸發(fā)率。

除降低粉煤灰的粒徑外，還可以通過造?；驂簩嵓夹g(shù)，將粉煤灰的粒徑加大，做成粉煤灰骨料。GESO?LU M等人[13]使用90%的粉煤灰和10%的水泥，采用冷粘工藝，制備粉煤灰輕骨料。制作的混凝土的強度28d 為43 MPa，小于天然骨料76 MPa，如圖2所示。

圖2 冷粘工藝制備的粉煤灰細骨料和粉煤灰粗骨料

MANIKANDAN R 等人[14]研究了不同表面積的粉煤灰做粗骨料的方法。表面積414 m2/kg 的粉煤灰不需要粘合劑，顆粒較粗的257 m2/kg的粉煤灰需要粘合劑方能提高成球效率。在制備骨料的粘合劑中，膨潤土、高嶺土、水泥和石灰等都可以作為粘合劑。尤其石灰和粉煤灰混合制備的強度更好。SHAHANE H A 等人[15]將粘合劑石灰壓實，置于50 ℃的烘箱中養(yǎng)護（6±1）h后，再置于65 ℃的水中養(yǎng)護24 h，接著室溫下養(yǎng)護24 h，然后被破碎成需要的骨料，建議大規(guī)模制備骨料時可以采用制備粉煤灰磚的壓實設備。圖3（a）即制備好的骨料。此方法制備的石灰和粉煤灰混合制備的骨料強度高于硅酸鹽水泥和粉煤灰的骨料強度，設備制備成不規(guī)則骨料，強度達到道路和結(jié)構(gòu)混凝土的要求，經(jīng)過3次堅固性檢測，骨料仍保持完整，如圖3（b）。經(jīng)過5 次堅固性循環(huán)檢測，有少許破碎，如圖3（c）所示。重金屬析出等試驗結(jié)果證明，骨料安全環(huán)保，可以大規(guī)模應用在建筑中。

圖3 粉煤灰骨料的堅固性檢測

3 低品質(zhì)粉煤灰的應用展望

從研究成果可見，低品質(zhì)粉煤灰用在混凝土中是可行的，其具有降低水化熱、減小干燥收縮、增進后期強度的優(yōu)良作用。存在的問題是將粉煤灰篩分重新設計及配用在混凝土中方法，能夠充分發(fā)揮小顆粒和大顆粒的不同特性，但篩分過程無疑給工程增加了成本。堆積密度法設計混凝土，能夠提高混凝土的強度，對于粉煤灰的利用有利，20%的膠凝材料的替代率對于粉煤灰而言，還需要進一步提升。粉煤灰骨料質(zhì)輕、強度低，吸水性大，目前在輕骨料混凝土中有所應用，輕質(zhì)的陶粒在混凝土配制過程中易于上浮，影響混凝土的制備。

混凝土是用量最大的無機材料，是消耗粉煤灰的重要渠道。要進一步增加低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的用量，可以多吸收Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰已經(jīng)具有的成果。針對低品質(zhì)的粉煤灰，分析其性能，有些僅是顆粒超標，有些是燒失量大，不同的性能，用在混凝土中帶來的效應不同。傳統(tǒng)的粉煤灰的利用集中在作為膠凝材料上，在今后的發(fā)展上，應重視粉煤灰細骨料和粗骨料的研發(fā)和利用，尋求合理的生產(chǎn)工藝，降低成本，更大規(guī)模地開發(fā)低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的利用率。