循環流化床粉煤灰加氣混凝土制備研究

徐正坦

（福建工程學院生態環境與城市建設學院，福建福州 350108）

XU Zheng-tan

（College of Ecological Environment and Urban Construction，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China）

循環流化床粉煤灰加氣混凝土制備研究

徐正坦

（福建工程學院生態環境與城市建設學院，福建福州 350108）

利用X射線熒光光譜儀、XRD等檢測手段對循環流化床粉煤灰進行化學成分定性和定量分析，然后確定配合比：粉煤灰65%，水泥12%，石灰20%，石膏3%。主要研究了在蒸壓養護條件下，不同水料比、不同鋁粉添加量、不同無機外加劑硫酸鈉、氯化鈣添加量對加氣混凝土砌塊容重和強度的影響，研究發現最佳水料比為0.65，最佳鋁粉摻量為0.1%，無機外加劑硫酸鈉對加氣混凝土砌塊的容重和強度影響不大，而添加0.25%的氯化鈣比無外加劑條件下強度提高了40%，達到4.55MPa，且容重為910kg／m3，隨著氯化鈣量的增加，強度反而下降。

偕胺肟基螯合纖維；重金屬離子；吸附性能

0 引 言

循環流化床（CFB）粉煤灰是煤在循環流化床上以850～950℃燃燒時生成的，燃燒過程加入了大量的脫硫劑，粉煤灰活性比較低，顆粒在爐中停留時間短，致使其中的高嶺土、云母等粘土礦物分解不完全。一般情況下，同種煤炭的循環流化床粉煤灰顆粒為無定形疏散顆粒，有可能出現在其表面形成的膠凝材料強度大于顆粒本身強度。普通的粉煤灰的粒度為13μm，而循環流化床粉煤灰的平均粒度為27μm。由于循環流化床粉煤灰含有大量硬石膏，在水化過程中會形成大量鈣礬石，易使坯體體積膨脹，造成材料斷裂破壞［12］。與傳統的鍋爐相比，它釋放出的SO2，COx和NOx要少的多，所以循環流化床鍋爐正成為熱電廠最主要的生產設備。它與普通煤粉爐產生的飛灰在成分和性能特征上有較大的差異，原有的粉煤灰資源化技術不適合循環流化床每年產生的數百萬噸粉煤灰處理。

因此，本研究的主要內容就是尋找激化循環流化床粉煤灰活性、抑制其體積不安定的包括激發劑、粘結劑在內的多種添加劑及其配方、相應的工藝制度。在加氣混凝土及板材等澆注成型方向產生新突破。

1 實驗原料和實驗方法

1.1 實驗原料

1）循環流化床粉煤灰：實驗研究樣品是由長樂華能電廠提供的灰樣，其粉煤灰化學成分主要是SiO2，CaO，Fe2O3，Al2O3占總含量的81%，其主要成分見表1。

表1 CFB粉煤灰中各化學成分的含量

粒度分析表明，長樂華能電廠的粉煤灰粒徑平均為27.52μm。粉煤灰粒徑＜80μm的累積粒度含量占到93.27%，＜30μm的累積粒度含量占到61.69%，而＜5.86μm的累積粒度含量則高達30.93%。隨著粉煤灰粒徑由大到小，微量元素有明顯的富集，這與粉煤灰的化學成分和礦物相無關。測試的粉煤灰比表面積高達9 933.59cm2／cm3，如圖1所示。

圖a）20.0kV×1.5k倍SEM圖

圖1 CFB粉煤灰SEM圖

圖中顆粒粒徑越小，比表面積就越大，其表面活性和吸附能力就越強。

循環流化床粉煤灰是由許多形態不規則，結構疏松、粒徑較粗的玻璃質顆粒組成的，其玻璃質顆粒充滿了大大小小的孔，這主要是由于鍋爐燃燒溫度不高，煤粉在爐內停留時間過短或煤中灰分熔點過高致使灰粒不能完全熔融，這類玻璃質顆粒活性差，并且多孔結構需水量大。

2）水泥：425＃普通硅酸鹽水泥，符合文獻［3］。

3）生石灰：CaO有效含量為85%左右。

4）石膏、CaAl、鋁粉。

1.2 試件的制備成型過程與蒸壓養護

1）粉煤灰、石膏、外加劑及水分別計量后一起攪拌；

2）水泥計量后加入，攪拌；

3）石灰計量后加入，攪拌；

4）鋁粉計量后加入，攪拌；

5）澆注入模，送入50℃恒溫干燥箱發氣靜停養護4h后切面包頭，繼續養護至12h后脫模成型；

6）放入反應釜蒸壓養護。采用的蒸壓工藝參數：升溫3h至185℃，保溫6h，恒溫壓力為1MPa，自然降溫1.5h。

2 實驗參數確定

2.1 鈣硅比

鈣硅比指加氣混凝土各組成材料中氧化鈣的總和與SiO2的總和之摩爾比。由于在自然條件下粉煤灰的水硬性無法表現出來，因此，需要有激發劑的作用才能使粉煤灰的水硬性表現出來。但是通常情況下粉煤灰硬化后會形成鈣礬石，造成材料的體積膨脹，經過研究對比，采用合適的配方，可以有效抑制鈣礬石的形成，其主要方法就是將粉煤灰、石灰、石膏、鋁粉等按照一定的配比在一定的溫度、壓力條件先蒸壓養護制成一種新型建筑材料。本實驗根據文獻［4］，鈣硅比取為0.8左右。

2.2 配合比

各種材料的配合比是加氣混凝土技術的核心。粉煤灰中的主要成分為SiO2和Al2O3，以粉煤灰為原料與水泥、石灰、石膏、水混合加溫加壓水解硅化反應，經養護達到所需的硬度要求。粉煤灰應磨成Ⅱ級以上灰，細度越細越好，含C≤12%，提高其活性。

生石灰的主要成分為氧化鈣，其主要作用是在水化條件下與粉煤灰中的SiO2和Al2O3反應，產生硅酸鈣，獲得強度，并且可以為鋁粉的發氣提供條件；選用的石灰要求含CaO＋MgO≥75%，不得＜70%，否則易產生斷裂破壞；

水泥的主要成分為鈣質材料，水泥與粉煤灰中的鋁、硅反應生成化礦物固化，強度提高；攪拌澆注中要保證穩定性并加速成型硬化，改善坯體性能，水泥要選用425＃水泥；

石膏作為一種凝膠材料，主要作用是調節發氣過程，提高成品率，既參加反應又激發粉煤灰活性，提高強度和抗凍性，減少收縮率，石膏選用3級品即可；

鋁粉是發泡劑，使料漿中發生化學反應，產生氫氣，形成細孔。鋁粉的技術指標：鋁粉的發氣量取決于鋁粉的加入量，鋁粉的反應速度取決于鋁粉的細度。

經對比實驗及結合文獻［5-6］，本實驗采用的配合比定為：粉煤灰65%，石灰20%，水泥12%，石膏3%，鋁粉0.1%。

2.3 水料比

料漿應發氣通暢，坯體才能獲得良好的氣孔結構，因此料漿必須具有適宜的稠度。不同水料比對試塊容重和強度的影響見表2。

表2 不同水料比對試塊的影響

水料比過小會導致發氣的不足，增加容重。太大會導致塌模。水料比適當可以使料漿具備合適的流動性，為發氣膨脹創造必要的條件，并可使料漿保持一定的剪切應力，從而使加氣混凝土產生良好的氣孔結構，對加氣混凝土性能產生影響。本實驗得出的最佳水料比為0.65。

2.4 鋁粉摻量

鋁粉作為最常用的發氣劑，其用量對加氣混凝土的密度有著決定性的影響。實驗研究了不同鋁粉摻量對試塊容重和強度的影響，得到的結果見表3。

表3 不同鋁粉摻量對試塊的影響

采用較高的鋁粉用量，其在堿性料漿中反應放出較多細小而均勻的氣泡，會使得制品的密度降低。本實驗得出的最佳鋁粉摻量與加氣混凝土干物料總和之比為0.001。

3 外加劑對試塊的影響

加氣混凝土的養護過程與混凝土的硬化過程同屬水化反應，混凝土常用CaCl2等作為早強劑。實驗使用CaO作為無機外加劑，其實驗方案及結果見表4。

表4 CaCl2外加劑方案及結果

與無外加劑試塊相比，加入CaO可以使加氣混凝土的強度有明顯的提高，在摻量為0.25%時，其強度最高，其強度提高率為40%。隨著添加量的增大，強度反而下降。這是由于無機鹽類可以加快水泥的硬化速度，而實驗所用的原料中含有水泥，因此，無機外加劑可以加快料漿的硬化速度，有利于提高料漿初始結構強度，從而有利于制品氣孔結構的穩定［7］，氯離子的引入加快了鈣質原料的溶解速度，從而反應速度加快。所以最佳CaCl2添加量為0.25%。

4 加氣混凝土制備工藝流程

通過實驗，利用本配比生產出來的粉煤灰加氣混凝土可以從根本上消除由于材料硬化后形成的鈣礬石而導致體積膨脹的技術難題，利用本配比可以直接投入生產。

4.1 原材料一般配比

粉煤灰60%～70%，水泥7%～10%，生石灰16%～23%，外加劑1%～3%，鋁粉6%～9%。

4.2 經驗數據

水料比：0.6～0.65；鋁粉細度：1%～3%；粉煤灰細度：22～24；澆模溫度：57℃；冒泡溫度：72℃；

坯體最高溫度：90℃左右；

提模時間：90min；

升溫時間：1h；恒溫：9h；降溫：1h；

蒸壓溫度：170℃；蒸壓壓力：10kg；

澆注留高（0.68m高）：30cm；凈漿細度：12%～16%；混灰細度：8%～15%。

4.3 工藝過程說明

粉煤灰與水泥分別用專用罐打入料倉備用。生石灰與石膏則由溜槽供入板式給料機，均勻喂入細碎顎式破碎機經提升機進入各自料倉后經皮帶按5.7∶1比例送入球磨機粉磨。然后由鏈式提升機送入混合料倉貯備。粉煤灰則通過計量后直接加水攪拌制漿經砂泵打入料漿罐。水泥由提升機送入水泥料倉貯備。水泥進入下一料倉并計量，然后混合料通過螺旋輸送機進入下一料倉（與水泥倉是各自獨立的）并由該倉計量。之后加料漿進入另一計量罐后進入攪拌罐同時開動攪拌機，然后下膠料，鋁粉計量后進入攪拌罐制攪拌3min后停止，進行澆注。澆注完畢靜停，當達到一定強度后脫模切割并送入蒸壓釜養護變成為產品［8-9］。

4.4 生產規模

粉煤灰加氣混凝土生產線一條，設計一期工程年產50 000m3，可生產粉煤灰加氣混凝土砌塊600×240×240（180，120，100，200）mm3，亦可隨時調整砌塊尺寸，滿足市場需要。全部竣工年生產能力100 000m3。

4.5 產品質量

1）強度：加氣混凝土砌塊（06級）抗壓強度不低于3.5MPa。

2）絕干容重：650～700kg／m3。

3）達到指標的混凝土砌塊其外觀等級應達到GB／T 11968-1997。

4）外觀尺寸偏差除達到國標規定外各面不允許有明顯的裂紋。

5）產品等級標記：GB／T 11968-1997。

5 結 語

經過不斷實驗對比和探討，確定了在實際生產中所需的工藝流程配比、攪拌條件、靜停制度和養護條件等。制備循環流化床粉煤灰加氣混凝土最佳配合比為：粉煤灰65%，石灰20%，水泥12%，石膏3%，鋁粉0.1%，CaCl20.25%，水料比65%。

本研究不僅研制出了生產加氣混凝土的技術配方，并為其設計出一套完整的生產技術方案。產品的開發建設符合環境保護、節約土地、節約能源等重大國策，符合國家經濟指導方針和產業政策，符合電廠的實際情況，生產出的加氣混凝土砌塊符合文獻［10］標準，而且成本低，具有廣闊的應用前景和顯著的經濟、社會效益。

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Study on production of aerated concrete by circulating fluidized bed fly ash

In this article，chemical compositions of circulating fluidized bed fly ash were gualitative and guantitative analyzed by using X-ray fluorescence spectrometry and X-ray diffraction，then confirmed the suitable match ratio：fly ash 65percent，cement 12percent，lime 20percent，gypsum 3percent.Primarily studied on autoclaved condition，the effects of different amounts of water-binder ratio，Al powder addition，inorganic admixture（sodium sulphate，calcium chloride）addition on volume weight and compression strength.The result show that the best water-binder ratio was 0.65，the best Al powder addition was 0.1percent，sodium sulphate was less effect on volume weight and compression strength of aerated concrete，however compare with non-admixture，compression strength raised by 40percent while adding 0.25percent calcium chloride，it reached 4.55MPa and 910kg／m3，with increasing of addition of calcium chloride，the compression strength of aerated concrete decrease.

amidoxime based chelating fiber；heavy metal ion；adsorptive properties.

X 7

A

1674-1374（2014）01-0021-05

XU Zheng-tan

（College of Ecological Environment and Urban Construction，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China）

2013-09-15

福建省教育廳A類科技項目（JA05339）

徐正坦（1955－），男，漢族，福建福州人，福建工程學院副教授，主要從事環境工程方向研究，E-mail：xuzhengtan＠126.com.