粉煤灰在建筑材料中的應用

吳 韓（中國地質大學材料科學與工程學院，北京 100083)

目前，我國粉煤灰年排放量大約有1.8t，隨著發電廠、城市供熱工程的不斷增加，粉煤灰的產量也必將隨之增多。估計到2020年，我國粉煤灰的年排放量將達到現在的3倍左右，再加上目前我國已有20億t粉煤灰累計堆存量，總的堆存量將會達到30多億t。如果不加以處理，就會產生揚塵，污染大氣，若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學物質【1】還會對人體和生物造成危害。因此，粉煤灰的處理和利用問題應引起人們的廣泛關注，如何把粉煤灰變廢為寶應用到建筑中是處理粉煤灰、解決礦產資源短缺的一個主要途徑【2】。目前，一些發達國家粉煤灰的利用率已高達70%~ 80%，而我國僅為30%左右。為此，我們必須投入足夠的人力、物力解決粉煤灰的綜合利用問題，實施我國可持續發展戰略。

1 粉煤灰的介紹

粉煤灰也叫飛灰【3】，是由熱電站煙囪收集的灰塵，屬于火山灰性質的混合材料是煤灰燃燒后，由煙氣從鍋爐中帶出來的粉狀殘留物，是一種人工火山灰質材料，其自身具有微弱的膠凝值（或不具有膠凝值），具有潛在的化學活性【4，5】。由于煤粉微細，且在高溫過程中形成玻璃珠，因此粉煤灰顆粒多呈球形。

2 粉煤灰性質、組成與結構

2.1 粉煤灰的物理性質（見表1【6】）

粉煤灰的物理性質取決于燃煤的種類、煤粉的細度、燃煤方式和燃燒溫度以及電廠的收塵效率、排灰方式等。

表1 粉煤灰的物理性能

表2 粉煤灰化學成分分析

此外，粉煤灰還具有較高的化學內能和火山灰活性(水硬性)。雖然本身不具有獨立的膠凝性能，但是高鈣粉煤灰在煤粉高溫燃燒過程中，可以形成硅、鋁的鈣鹽，使其具有獨立膠凝作用。因此，為了提高粉煤灰的應用性能，有的火電廠根據需要在燃煤中適量加入一些石灰來增加鈣含量，以提高其膠凝性能【7】。

2.2 粉煤灰的化學成分

粉煤灰的化學成分（表2【6】）以SiO2和Al2O3為主，次要成分為CaO和Fe2O3以及少量的MgO2和SO3等，其中粉煤灰的主要氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3這三者的總和一般大于70%【8】。

2.3 粉煤灰的礦物組成

粉煤灰在鍋爐中燃燒后基本上可分成晶體礦物及非晶體礦物兩類。一般晶體礦物為石英、莫來石、磁鐵礦、氧化鎂、生石灰及無水石膏等；非晶體礦物為玻璃體、無定形碳及次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占50%以上【9】。

2.4 粉煤灰的結構

粉煤灰的結構是在粉煤灰燃燒和排除過程中形成的，比較復雜。在顯微鏡下觀察，粉煤灰是結晶體、玻璃體及少量未燃碳組成的一個復合結構的混合體【9】。

3 作為建材應用的可行性

3.1 建材利用的可行性

由于粉煤灰的活性很高。粉煤灰在建材中應用，其理論依據主要在于潛在的火山灰活性。而且粉煤灰中含有大量的球形或微珠狀的顆粒，具有較小的表面積，適于填充于混凝土的空隙，在混凝土用水量不變的情況下，能大大提高混凝土的凝結性能。

3.2 建材利用的特點

粉煤灰在建筑領域的利用具有如下特點：

(1)利用范圍廣。

(2)利用量大。

(3)利用程度高。

(4)節約能源，降低成本。

4 粉煤灰在建筑材料中的應用

4.1 粉煤灰水泥

粉煤灰具有火山灰活性，能與堿性物質發生“凝硬反應”，生成水泥質水化膠凝物質。用作水泥或混凝土摻料時，減水效果顯著、有效改善混凝土和易性、增加抗壓和抗彎強度、提高抗滲和抗蝕力，同時具有減少泌水和離析、降低透水和浸析、減少早期和后期干縮、降低水化熱和干燥收縮率等功效。還可利用其殘余碳 ，在煅燒水泥熟料時可節約燃料【10】，降低水泥的生產能耗。因此，粉煤灰用于水泥生產，體現經濟效益和社會效益相結合，集中表現在節省燃料、增加產量、降低能耗、降低產品成本、改善水泥某些性能及保護環境方面，是一種有發展前途的新型綠色建筑材料。

4.2 粉煤灰混凝土

4.2.1 粉煤灰混凝土

泛指摻加粉煤灰的混凝土。粉煤灰在混凝土中主要有4個作用： 改善新拌混凝土和易性；提高混凝土后期強度；降低混凝土水化熱；抑制混凝土堿骨料反應。

實踐證明配置混凝土混合料時，摻入一定數量和質量的粉煤灰，可達到改善混凝土性能、節約水泥、提高混凝土和工程質量，以達到降低成本和工程造價的目的，實現粉煤灰經濟效益和社會效益一體化。李中原【11】采用高摻量粉煤灰和多功能防水劑制備出28d強度達53.4MPa、且工作性能好、耐久性高的高性能混凝土，早期強度也明顯提高。即使摻量高達40%，其28d設計強度仍可達到設計要求。

4.2.2 綠色高性能高摻量粉煤灰混凝土

高摻量粉煤灰混凝土（＞40%）不僅可以減少資源浪費，還可減少環境污染。高摻量粉煤灰混凝土后期強度、和易性、水化熱、抗凍性等方面都比普通水泥好得多【12】，具有很高的機械性能和耐久性， 主要應用在路基和筑壩工程中。

4.2.3 粉煤灰加氣混凝土

它的主要原料為70%粉煤灰，剩下30%為石灰、水泥、石膏、發氣劑等。產品有粉煤灰加氣混凝土砌塊和粉煤灰加氣混凝土屋面板。

4.2.4 粉煤灰混凝土砌塊

混凝土砌塊包括普通混凝土砌塊、輕集料混凝土砌塊和粉煤灰混凝土砌塊等，被認為是粘土磚的最理想替代產品。生產粉煤灰混凝土砌塊主要原料為粉煤灰、集料、水泥等，并經計量配料、攪拌、成型、養護等工序制成。粉煤灰既是摻合料又是細集料。具有輕質、高強、節約能源和減少開支等經濟技術優勢，同時還具有隔音、隔熱等效果。一般認為粉煤灰混凝土砌塊中粉煤灰的用量應≥30%，各項性能指標為：抗壓強度≥2.5～10.0MPa；抗凍性D25合格；碳化系數≥0.8；軟化系數≥0.75；吸水率、干燥收縮依強度等級不同而不同。

4.2.5 粉煤灰混凝土路面磚

粉煤灰混凝土路面磚以水泥和粉煤灰為混合膠結料，再配以粗骨料等，經計量攪拌、 成型、養護制成。變更成型的模具可制成方磚、連鎖路面磚、仿古磚、綠化種草磚、路沿磚塊及其它形狀的路面磚等。磚的性能要求：抗壓強度≥20.0MPa；抗折強度≥30MPa；耐磨性、吸水率抗凍性能符合有關標準。粉煤灰混凝土路面磚具有普通混凝土路面磚的優點和用途，但其長期性能更好。

4.3 粉煤灰墻體材料

4.3.1 粉煤灰磚

粉煤灰磚主要有蒸養粉煤灰磚和燒結粉煤灰磚。蒸壓粉煤灰磚是一種含有潛在活性的水硬性材料。研究表明蒸壓粉煤灰磚強度高、性能穩定和生產周期短，適宜于大批量生產，還能替代粘土實心磚建造6層以下民用建筑和廠房承重墻的建造【13】。燒結粉煤灰磚產品尺寸標準，棱角整齊，外觀較美，而且耐久性好，其力學性能與普通粘土磚相當，保溫隔熱性能優于普通磚，表觀密度比普通磚小。使用粉煤灰砌塊與粘土磚砌體相比，每立方米能節約水泥40%~50%【14】。

4.3.2 用作襯砌材料

用固化劑(HAS)固化粉煤灰作襯砌防滲材料，防滲和抗凍性能都比傳統材料高，而且，工程造價比傳統的材料節約將近30%，所以用固化劑(HAS)對粉煤灰、石屑、煤渣進行固結的材料是渠道防滲的理想材料【15】。除在渠道防滲上應用外，還在建造電廠灰壩護坡、水庫加固護坡和海堤護坡等很多工程上有廣泛的應用。

4.4 粉煤灰微晶玻璃

主要用粉煤灰等礦物和化工原料，經過配制、熔融、成型、切割與拋光后形成的一種高檔工業材料，具有玻璃和陶瓷的雙重特性。結構致密、晶粒分布均勻、高強、耐磨、耐蝕、外觀紋理清晰、色彩鮮艷、無色差、不褪色，較天然花崗石、陶瓷更具有靈活的裝飾設計和更佳的裝飾效果，而且保護了環境，被認為是21世紀現代建筑群理想的高級綠色建材。

4.5 生產輕集料

適于燒制輕集料的粉煤灰主要是含SiO2、Al2O3，其含碳量低于13%。粉煤灰的性質和成分決定輕集料的質量。

4.6 粉煤灰泡沫玻璃

據國外報道，以粉煤灰、親和性很強的火山灰和無定型結晶碳粉為原料經過粉磨制料、壓坯、燒結過程制成泡沫陶瓷。具有良好的抗散裂和比電阻特性，表面密度0.46~0.50，抗折強度3.4~7.2MPa，是一種高強度、吸音隔熱、耐熱沖擊好的泡沫材料，可用于生產輕質磚、輕質隔墻板等制品。

4.7 粉煤灰用作路基填料

粉煤灰用于修筑道路路基，不僅解決了路基填料的問題，而且也為粉煤灰的再次利用開辟了一條新的途徑。由于比重小，易壓實，壓實含水率高，對含水率不敏感，抗堿強度比天然材料高，不受天氣變化影響，在施工中可以縮短建設工期，降低造價【16、17】。

4.8 水泥粉煤灰膨脹珍珠巖混凝土保溫砌塊

以水泥作膠結料，粉煤灰既作膠結料又作細集料，膨脹珍珠巖作輕集料經過按配合比計量并預混合均勻，加水攪拌、成型、脫模、養護至規定齡期的過程即得水泥粉煤灰膨脹珍珠巖混凝土保溫砌塊。其性能要求：材料密度770kg/m3；材料導熱系數0.176W/(m·K)；抗壓強度2.05MPa；空心率42%；吸水率32.3%。具有質量輕、保溫性能好的特點。影響密度與強度的因素有：珍珠巖摻量、粉煤灰與水泥比例以及過程控制。為了提高砌塊強度，還可加入適量的外加劑。

4.9 大摻量粉煤灰防水隔熱材料

是以廢舊泡沫塑料為輕集料(體積約占70%以上)，以粉煤灰為主體(重量占約80%)，具有防水隔熱功能的綠色建筑材料。其主要性能指標為：隔熱主層體積密度632kg/m3；抗折強度1.6MPa；抗壓強度2.7MPa；導熱系數0.101W/(m·K)；抗凍性(15次)：無裂紋、脫皮、剝落等損壞現象；抗滲性：頂面飽和浸泡7天底面不滲水、不潮濕【18】。具有原料來源廣，節能利廢率高；獨特的斜面式設計；隔熱自防水效果好等優點。

4.10 混凝土輕質隔墻板

在GRC輕質墻板的基礎上，配料時加入部分粉煤灰可生產輕質隔墻板。另外，也可不抽孔，加少許短切纖維，澆注輕質墻板。

4.11 粉煤灰陶粒

它是以粉煤灰為原料，加入膠結料和水，經成球、燒結而成的人造輕骨料，用灰量大、質輕、保溫、隔熱、抗沖擊，用其配制的輕混凝土容重大，抗壓強度高，適用于高層建筑或大跨度構件，可減輕質量，提高保溫性。

4.12 在建筑材料其他方面的應用

粉煤灰礦物棉容重輕、導熱系數低、吸音效果好，是一種優質保溫節能材料；作為石膏制品的填充劑，不僅摻量可達35%，還可作促凝劑，提高石膏制品的防水性；利用粉煤灰做瀝青填充料生產防水油氈，可使成本大大降低。此外，還可以利用制備纖維化灰絨、陶砂濾料，并在砂漿中代替部分水泥、石灰或砂石等。

5 我國應用的現狀

我國粉煤灰綜合利用【9】始于建材領域，至今己有50多年的歷史，積累了一系列生產、利用和管理方面的經驗。就全國而言，生產建筑材料利用粉煤灰的量最大，約占利用總量的35 %【19】，而且利用途徑和方式也最多。生產的建筑材料主要有：粉煤灰水泥、代替粘土做水泥原料、普通水泥、硅酸鹽水泥、硅酸三鈣水泥、硫酸鋁酸鈣水泥、低體積質量油田水泥、早強水泥等，有的粉煤灰摻量達75%；硅酸鹽承重砌塊和小型空心砌塊、加氣混凝土砌塊及板、燒結陶粒、燒結磚、蒸壓磚、蒸養磚、高強度雙免浸泡磚、雙免磚、鈣硅板等。

6 存在的問題

目前粉煤灰作為建筑材料存在如下問題。

（1）粉煤灰的成分含量地方差異較大，給粉煤灰的使用帶來了極大的不便；

（2）粉煤灰對混凝土的早期強度、抗凍性及鋼筋銹蝕等方面均存有負面影響；

（3）易出現裂紋，對養護制度和施工要求嚴格。

這些問題的解決是科研人員今后研究的重點。

7 加強粉煤灰在建材上的綜合利用的措施

7.1 轉變觀念，樹立“以用為主”的思想

改變傳統的把粉煤灰作為煤炭、電力生產過程中廢棄物的思想認識，將其作為一種可利用的資源；改變傳統的粗放型增長方式，要變廢為寶，加以利用；要從“以堆存為主”逐步過渡到“以用為主”，重點放在利用，而不是堆存。

7.2 制定優惠政策和懲罰性政策來鼓勵、規范粉煤灰的綜合利用

認真研究國家對資源綜合利用的各項優惠政策，落實好資源綜合利用減免所得稅、增值稅等優惠政策，發揮政策的導向作用，充分調動企業資源綜合利用的積極性。

7.3 大力推進粉煤灰綜合利用技術進步

瞄準國際先進水平，充分借鑒國內外資源綜合利用新技術、新產品，加大研究、開發、利用力度，通過產學研聯合攻關和開發，逐步建立技術引進、消化吸收、自主開發的技術創新機制，通過技術改造，技術進步，不斷提高資源綜合利用水平。

8 結語

綜上所述，在建筑材料應用中，要根據不同粉煤灰的性質來確定其應用途徑，以發揮其最大優勢。一些粉煤灰利用技術目前還不夠成熟和完善，這就要求我們加大對粉煤灰利用的研究與開發的力度，逐步完善不成熟的技術，積極采用國際先進技術和裝備，不斷提高我國的粉煤灰利用技術水平，逐步縮小與國際水平的差距。若能合理利用，不僅能在節省資源、能源、保護生態環境等方面取得顯著效益，更能發展多種實用性的新型建筑材料產品。

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