粉煤灰在公路工程中的應用及其危害性分析

董 祥

（邳州遠通公路工程有限公司，江蘇 邳州 221300）

0 引言

幾十年來，國家為鼓勵工業廢渣綜合利用，制定了一系列技術、經濟和管理方面的政策，把之前對環境有很大影響的廢料變為工程施工中用料。電力粉煤灰在公路工程中的應用已得到長足的發展。隨著粉煤灰應用范圍的不斷擴大，導致粉煤灰的質量控制不嚴，造成的質量事故時有發生。

1 粉煤灰的質量差異

1.1 煤灰爐粉煤灰

煤灰爐粉煤灰簡稱“PC灰”又稱普通低鈣灰。煤粉爐燃用細度低于100μm的高熱值煤，爐溫高（在1 400℃以上），粉煤灰以球形顆粒、玻璃體為主，結晶體及少量未燃盡炭粒組成，灰分少。結晶體主要由石英、莫來石、磁鐵礦和赤鐵礦組成。

PC灰中SiO2+Al2O3及SiO2+Al2O3+Fe2O3所占的比例最高且比較穩定，而CaO及SO3等成分較少，因此其火山灰活性最高，性能最穩定，適合公路行業及水泥砼中使用。另外，由于灰中堿性成分如CaO、MgO+K2O+Na2O等較低，而SiO2+Al2O3含量高，所以PC灰呈酸性較多。

1.2 流化床粉煤灰（流化床粉煤灰簡稱“CFB灰”）

CFB 灰是燃用低熱值燃料由CFB 鍋爐低溫（850～950℃）燒出的粉煤灰。灰的顆粒粗糙、球形顆粒少，且含炭量高，最高可達20%。結晶體中幾乎沒有莫來石礦物。低熱值燃料CFB灰的相應成分及性能較PC灰次之。

1.3 流化床干式脫硫灰

流化床干式脫硫灰簡稱“CFB脫硫灰”，CFB脫硫灰是在CFB爐內加脫硫劑與燃料共燒產出，由原本的粉煤灰相及新增的脫硫相共同混合而成。由于添加了脫硫劑，因此產灰量比不脫硫的流化床大5%～10%。

脫硫灰渣中的CaO含量高，但是SiO2+Al2O3及SiO2+Al2O3+Fe2O3量低。因此，CFB脫硫灰渣的火山灰活性是低于PC灰和CFB灰渣的。當CFB脫硫灰中f-CaO含量高，遇水后的自硬性十分明顯，給工程帶來影響；當灰中f-CaO與SO3過高，在摻到水泥及混凝土制品中后會引起滯后的體積膨脹，破壞了水泥及混凝土的安定性。

脫硫渣由粉煤灰體和脫硫體組成。粉煤灰體中，仍保留有CFB灰渣特征的非結晶體，其結晶體的含量有一定增加，但仍不含莫來石。其脫硫相中的礦物成分主要是脫硫產物CaSO4、CaSO3及少量入爐后剩余的脫硫劑（CaCO3）及其分解產物CaO（包括活性很高的f-CaO）。

2 近幾年來出現粉煤灰病害的病理分析

根據以上的分析PC灰質量最優，CFB灰次之，CFB脫硫灰質量最差，在工程應用中主要采用PC灰和CFB灰。但由于幾年來對火電廠的環保要求越來越高，越來越多的電廠嚴格按照國家標準進行脫硫、脫氮，使粉煤灰的質量發生了改變，在工程應用中，由于質量把關不嚴，造成了一些質量事故的發生。

2.1 SO3產生危害的機理

經過環保處理后的粉煤灰中SO3的含量遠遠高于未環保處理的粉煤灰，因為環保型的粉煤灰脫硫后增加了SO3的含量。

采用的脫硫劑主要有：CaO作脫硫劑，爐內噴鈣法脫硫，Ca（OH）2作脫硫劑濕法脫硫。在粉煤灰中SO3是以CaSO4的形式存在，此材料用于工程時，遇水發生反應，產生水化產物，其反應過程為：

上述反應都能使體積膨脹，CaSO4溶解于H2O后一部分與活性Al2O3等、Ca（OH）2和水反應生成3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O（俗稱“鈣礬石AFt”），固體體積增加到原來的2.22倍，另一部分結晶生成二水石膏CaSO4·2H2O，固體體積增加到原來的2.26倍。由此可見，SO3對粉煤灰質量的影響很大，極易造成質量事故的發生，因此在使用過程中必須嚴格檢控SO3的含量。

2.2 高鈣灰的影響

由褐煤或次煙煤煅燒收集的粉煤灰往往含鈣量較高，含鈣量一般大于10%，稱為C類粉煤灰，即“高鈣灰”；由無煙煤或煙煤煅燒收集的粉煤灰被稱為F類粉煤灰。

高鈣灰在應用到水泥砼工程中，往往會造成一定的危害。因為高溫燒成的氧化鈣，水化速度較慢，混凝土凝結以后游離氧化鈣繼續水化，將使混凝土發生體積膨脹，游離氧化鈣含量過高，體積超過一定程度，會導致混凝土破壞，其反應過程為：

該反應將會使固體體積增加到原來的1.98倍。其后，參與上式的化學反應，繼續帶來后續膨脹。

3 粉煤灰在公路工程中的應用

3.1 用于路面結構層——二灰土、二灰碎石

3.1.1 應用于路面基層粉煤灰的技術要求

粉煤灰中SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量應大于70%，粉煤灰的燒失量不應超過8%，三氧化二硫含量不應大于3%；細度要求90%通過0.3mm篩孔，70%通過0.075mm篩孔。

3.1.2 對工程產生危害的主要因素

應用于路面基層的粉煤灰，對基層產生破壞的主要原因是SO3含量的超標，在混合料中，遇水發生反應，生成3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O（俗稱“鈣礬石AFt”），體積發生膨脹，在二灰碎石中出現拱裂現象；在二灰土中，先出現拱裂現象，表面失水后，導致干縮起皮現象，兩種現象并存。

出現上述情況的破壞，在許多地方已相繼出現，給工程項目帶來嚴重的損失，因此在使用中要加強對每批進場的原材料進行嚴格檢測，尤其是SO3含量的檢測。

3.2 在水泥砂漿中的應用

在水泥砂漿應用中，對粉煤灰的品質的要求主要是：水泥砂漿中沒有骨料；相對于混合料含水率較高，發生收縮現象也比較明顯。而粉煤灰中的相應成分，使砂漿發生膨脹，起到補償的作用，減少干縮裂縫，起到補償收縮砂漿的作用。但在實際應用中，在滿足砂漿設計強度的情況下，通過試配后確定參加粉煤灰的用量。

3.3 在水泥砼中的應用

3.1.1 應用于水泥砼中的技術要求

應用水泥砼中的拌制混凝土用粉煤灰技術要求具體見表1所示。

表1 拌制混凝土用粉煤灰的技術要求

3.1.2 對工程產生危害的主要因素

C類灰Cao含量大于10%，屬于高鈣灰，高鈣灰具有需水量低、活性高和自硬性等特點。由于高鈣灰具有較高的游離氧化鈣（fcao）含量，摻入混凝土后，如配合比不合理，氧化鈣含量過高水泥水化時，體積會增加，將對混凝土產生膨脹。因此，當遇到C類灰Cao含量高時，要進行安定性試驗和對不同粉煤灰摻量的水泥、混凝土配合比試配，在保證水泥、混凝土體積安定性基礎上，以實際試驗結果來確定高鈣灰的適宜摻量，且高鈣灰的質量要滿足技術規范要求。

粉煤灰摻入到水泥砼中，其中含有的SO3，參與砼水化反應，生成一定量的鈣礬石，對砼性能起到積極的作用，鈣礬石的膨脹性可以大大減輕收由縮引起的砼開裂，若生成的鈣礬石過量，將在砼的內部產生較大的內力，當該內力超過鋼筋砼的抵抗能力時，將會對砼構件產生破壞。

總之，當灰中活性CaO（fcao）與SO3過高，在摻到水泥及混凝土制品中后會引起滯后的體積膨脹，破壞了水泥及混凝土的安定性；因此在使用中，嚴格控制粉煤灰的質量，嚴防工程質量事故發生。

參考國內相關文獻資料，僅對過高粉煤灰過高的CaO與SO3含量對工程質量的影響進行了分析，在此對于粉煤灰的利用予以警醒有以下幾點：要充分認識由于粉煤灰質量問題，所帶來的危害，加強粉煤灰的檢測工作，不能再照搬以往的施工經驗；進入21世紀后，隨著環保措施的落實，粉煤灰品種將發生變化，排灰、供灰、用灰單位均要慎重的對待；對于在水泥砼補償收縮的應用中，應嚴格按照配合比指導施工，加強施工管理。

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