粉煤灰資源科學(xué)利用問題探討

司衛(wèi)平

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

0 引言

粉煤灰的開發(fā)利用已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。至此為止，粉煤灰已不再是作為一種“廢物”而加以利用，而是作為一種資源用于改善材料的性質(zhì)。

既然是一種資源，就存在著合理利用問題。資源的合理利用是可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容，粉煤灰資源也不應(yīng)該例外。我國是一個(gè)產(chǎn)煤大國，2002年煤產(chǎn)量為13.8億噸，居世界首位[1]。不言而喻，我國的粉煤灰資源也是相當(dāng)大的。這一資源如能得到合理的利用，對(duì)我國的建設(shè)事業(yè)將會(huì)作出巨大的貢獻(xiàn)，其經(jīng)濟(jì)效益也是相當(dāng)可觀的。

在粉煤灰的利用方面，就研究水平、積累的資料以及在工程上的實(shí)際應(yīng)用，我國都具有相當(dāng)高的水平。但在大量的研究和應(yīng)用中往往較多地注意粉煤灰對(duì)材料性能的影響，對(duì)于其利用的科學(xué)性則沒有引起人們的注意。什么叫資源的合理利用？著名科學(xué)家嚴(yán)濟(jì)慈曾經(jīng)說過，“所費(fèi)多于所當(dāng)費(fèi)，所得少于所可得，都是浪費(fèi)”。所謂資源的合理利用，就是要不浪費(fèi),就是要最大限度的發(fā)揮資源的潛能，獲得最大效益。要做到這一點(diǎn)，就有一個(gè)科學(xué)利用資源的問題。同時(shí)，由于粉煤灰屬于一種火山灰質(zhì)材料，它與其它火山灰質(zhì)材料有許多共性。因此，本文將著重闡述粉煤灰的基本效應(yīng)，并對(duì)粉煤灰利用方式及其各種效應(yīng)利用狀況進(jìn)行分析，以引起人們對(duì)這一問題的注意，為粉煤灰科學(xué)利用奠定基礎(chǔ)。同時(shí)也希望能起到拋磚引玉的作用，引導(dǎo)科學(xué)家們?cè)谶@一方面開展更多更深入的工作，使粉煤灰綜合利用的研究上一個(gè)新的臺(tái)階，使粉煤灰這一資源真正得到合理的利用。

1 粉煤灰的基本效應(yīng)

在大量研究的基礎(chǔ)上，沈旦申教授把粉煤灰的作用歸結(jié)為三個(gè)基本效應(yīng)，即:形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)[2]。粉煤灰的潛在能量則是以這三種模式蘊(yùn)藏在粉煤灰顆粒之中，并以這三種方式發(fā)揮作用。

所謂形態(tài)效應(yīng)，泛指各種應(yīng)用于混凝土中的礦物質(zhì)粉料，由其顆粒的外觀形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、顆粒級(jí)配等物理性質(zhì)所產(chǎn)生的效應(yīng)。在各類礦物質(zhì)粉料中，粉煤灰具有獨(dú)特的顆粒特性，因而在水泥基材料中也將產(chǎn)生獨(dú)特的形態(tài)效應(yīng)。粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)直接影響到混凝土的流變性能，也直接影響到硬化混凝土的初始結(jié)構(gòu)。

所謂活性效應(yīng)是指礦物質(zhì)粉料的活性成分所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)。活性效應(yīng)的高低取決于反應(yīng)的能力、速度及其反應(yīng)物的數(shù)量、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等因素。一些低鈣的礦物質(zhì)粉料，如硅灰等，其活性效應(yīng)主要表現(xiàn)為火山灰反應(yīng)。一些高鈣的礦物質(zhì)粉料，如礦渣等，其活性效應(yīng)則包括一些屬于結(jié)晶礦物的水化反應(yīng)。由于煤種的差異，粉煤灰的組成差異是較大的。一些低鈣粉煤灰的活性效應(yīng)以火山灰反應(yīng)為主，一些高鈣粉煤灰的活性效應(yīng)通常是這兩種反應(yīng)兼而有之。我國的粉煤灰大多數(shù)為低鈣粉煤灰，也有一些鈣含量較高的粉煤灰。另外，粉煤灰的活性效應(yīng)不僅僅體現(xiàn)在這兩種反應(yīng)上，還應(yīng)該包括與堿等其它一些物質(zhì)的反應(yīng)，在某些場(chǎng)合，這些反應(yīng)也會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生顯著的影響。

所謂微集料效應(yīng)是指礦物質(zhì)粉料細(xì)顆粒均勻分布于水泥漿體的基相中,起到微細(xì)集料的作用。粉煤灰效應(yīng)之所以優(yōu)越，是因?yàn)榉勖夯翌w粒具有不少微集料的優(yōu)越性能:1）玻璃微珠本身強(qiáng)度很高，厚壁空心微珠的抗壓強(qiáng)度可達(dá)700MPa以上；2）具有較好的界面性能。對(duì)于一般微混凝土來說，硬化水泥漿體結(jié)構(gòu)中最薄弱的聯(lián)結(jié)部分是微集料與漿體之間的界面。但對(duì)粉煤灰和水泥漿體界面處顯微硬度研究表明，在界面上形成的粉煤灰水化凝膠的顯微硬度大于水泥凝膠的顯微硬度。大量研究表明，破壞往往不在粉煤灰顆粒界面發(fā)生，而是在水泥凝膠部分發(fā)生；3）粉煤灰微粒在水泥漿體中分散狀態(tài)良好，它有助于新拌水泥基材料和硬化水泥基材料均勻性的改善，也有助于水泥基材料中孔隙和毛細(xì)孔的填充和“細(xì)化”。

粉煤灰的效應(yīng)是粉煤灰內(nèi)在潛能的體現(xiàn)，這些潛能的發(fā)揮不僅可以改善水泥基材料的某些性能，也有可能限制水泥基材料的某些性能，甚至可能帶來一些所不希望的作用。所謂粉煤灰作用的科學(xué)利用，就是要充分地挖掘、合理地利用粉煤灰的潛能去為我們的目的服務(wù)，同時(shí)也要注意它所帶來的負(fù)面影響，即所謂揚(yáng)其所長，避其所短，克其所害。

筆者在研究粉煤灰效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，粉煤灰效應(yīng)的發(fā)揮與使用方法有著密切的關(guān)系，這就為粉煤灰資源科學(xué)的利用提供了可能性。從本質(zhì)上講，開展粉煤灰資源科學(xué)利用研究的一個(gè)重要內(nèi)容就是根據(jù)實(shí)際需要，尋找合適的方法，引導(dǎo)粉煤灰的潛能朝著所需要的方向發(fā)揮。

2 粉煤灰利用方式及其各種效應(yīng)利用狀況分析

從粉煤灰在水泥基膠凝材料中的利用來說，大體有三種利用方式:①作為水泥生產(chǎn)的原材料，用于水泥生料的配料；②作為水泥的混合材，與熟料一起粉磨而生產(chǎn)水泥；③作為混凝土的摻合料來制備混凝土。

粉煤灰用于水泥生料的配料，在使用過程中經(jīng)過了粉磨－煅燒－粉磨過程。在粉磨過程中，粉煤灰顆粒的外觀形貌、表面性質(zhì)、顆粒級(jí)配等物理性質(zhì)都發(fā)生了變化，形成了新的外觀形貌、表面性質(zhì)和顆粒級(jí)配。因此，粉煤灰原始的形態(tài)效應(yīng)幾乎是沒有用的,而新的形態(tài)效應(yīng)是通過外力作用后產(chǎn)生的，不是粉煤灰本來的潛能。在煅燒過程中，粉煤灰的活性也發(fā)生了本質(zhì)上的變化。同時(shí),經(jīng)過粉磨－煅燒－粉磨，粉煤灰已經(jīng)變成了水泥的一個(gè)組成部分，不再是微集料了。由此看來，將粉煤灰作為一種原材料來用于生料配料，它的三個(gè)效應(yīng)幾乎是沒有用的。所能利用的僅僅是它的一些表面能以及它的活性和所含有的碳提供的一些熱能，這些潛能的提供體現(xiàn)在生料的易磨性和易燒性上。粉煤灰作為原材料來用于水泥生料的配料，主要目的不在于利用它的潛能，而在于利用它的化學(xué)組成。因此，作為這一用途的粉煤灰，主要是注重它的化學(xué)組成，而不是它的潛能。一些具有較好形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)及較高活性的粉煤灰以這一方式利用，實(shí)際上是一種資源的浪費(fèi)。因?yàn)榉勖夯抑刑N(yùn)藏的巨大潛能在使用過程中已遭到破壞。相反地，一些含碳量較高、活性較低的粗顆粒，只要其化學(xué)組成是合適的，以這一種方式利用往往是恰當(dāng)?shù)摹Ｒ赃@一種方式利用低品位粉煤灰，它的含碳量高的缺點(diǎn)被掩蓋，甚至成為一種有用的組分而參與燃燒，提供熱量。它的低活性在煅燒過程中得到提高，它顆粒較粗的缺點(diǎn)也在粉磨過程中得到改善。

粉煤灰作為水泥混合材來使用。同樣，在粉磨過程中粉煤灰顆粒的外觀形貌、表面性質(zhì)、顆粒級(jí)配等物理性質(zhì)都發(fā)生了變化。但由于不參與煅燒，粉煤灰的活性基本上不發(fā)生變化，僅僅在粉磨過程中由于表面能的提高而略有提高。粉煤灰顆粒的強(qiáng)度、與水化產(chǎn)物的親合性沒有發(fā)生變化。因此，粉煤灰作為水泥混合材時(shí),它的形態(tài)效應(yīng)是沒有用的，而它的活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)在使用過程中得到了充分的體現(xiàn)。同時(shí)，由于粉磨作用，粉煤灰的活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)在一定程度上得到增強(qiáng)。由此看來，選擇作為水泥混合材的粉煤灰，最重要的是它的活性效應(yīng)和微集料效應(yīng),形態(tài)效應(yīng)則是次要的。由于在這種場(chǎng)合下,粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)得不到利用，一些具有很好形態(tài)效應(yīng)的粉煤灰用作為水泥混合材，它的這一潛能是浪費(fèi)掉的,這也是資源的一種浪費(fèi)。

粉煤灰作為混凝土的摻合料來使用。以這種方式使用粉煤灰，在使用前粉煤灰沒有經(jīng)過任何的處理，因此，它的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)和微集料效應(yīng)既沒有遭到破壞，也沒有得到改善，而是得到充分的體現(xiàn)。對(duì)于一些品位較高的粉煤灰，以這種方式利用，其優(yōu)越性能則能得到充分的體現(xiàn)。反之，對(duì)于一些品位較低的粉煤灰，這種利用方式也充分暴露了它們的缺點(diǎn)。

由此看來，不同的利用方式可以利用粉煤灰的不同潛能。因此，對(duì)于粉煤灰資源不僅要提出綜合利用，而且要提出科學(xué)地利用。只有科學(xué)地利用，才能使粉煤灰的潛能得到充分的發(fā)揮，真正做到物盡其用。這是一個(gè)很值得研究且有很大潛力的領(lǐng)域，應(yīng)該引起科學(xué)工作者和工程師們的重視。

[1]唐明述.水泥混凝土與可持續(xù)發(fā)展[R].北京:中國硅酸鹽學(xué)會(huì)第五屆學(xué)術(shù)年會(huì),2003,9,19.

[2]沈旦申.粉煤灰混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1989.

[3]王愛勤.粉煤灰三大效應(yīng)的研究及其在三峽工程中大應(yīng)用[D].南京:博士學(xué)位論文,東南大學(xué),1999,11.