燃煤爐渣作為新型摻合料在預拌混凝土中的應用

高雪峰 張海英 楊向陽 李可展

（1.平陽縣北港混凝土有限公司 浙江 溫州 325405 2蒼南縣瑞田新型建材有限公司 浙江 溫州 325802）

燃煤爐渣作為新型摻合料在預拌混凝土中的應用

高雪峰1張海英1楊向陽1李可展2

（1.平陽縣北港混凝土有限公司 浙江 溫州 325405 2蒼南縣瑞田新型建材有限公司 浙江 溫州 325802）

燃煤爐渣的綜合利用已得到一定的推廣，但作為混凝土的新型礦物摻合料卻處于初始研究階段，實際應用仍然在摸索當中。由于燃煤爐渣成分復雜，使用前必須做好物化試驗、礦物分析、有害元素鑒定等工作，以消除使用風險。原狀灰渣本身存在缺陷，磨細后以摻合料摻入混凝土中對產品性能有影響，應對品質較差的爐底渣進行改性和混凝土配合比優化工作，這樣能保證預拌混凝土的質量。

脫硫灰渣；綜合利用；有效水膠比；爐渣改性

1 引言

火力發電廠中煤在鍋爐中燃燒后有兩種固態的副產物—灰和渣，隨煙氣排出經過除塵器收集的細小顆粒為飛灰即粉煤灰，從爐膛底部收集出來的為爐底灰渣簡稱爐渣。爐渣是燃煤鍋爐在燃燒過程中產生的燃燒不完全的在煤塊組成的混合物，包括底渣和從爐排間掉落灰。每燃燒1噸煤會產生20%～30%的灰渣量，其中爐渣占灰渣總量的20%左右，粉煤灰約占灰渣總量80%。粉煤灰的研究和應用技術已經比較成熟，而爐渣的應用領域局限于墻體材料、公路的墊層和回填、復合水泥的混合材等。由于爐渣的性能與煤種、鍋爐類型、燃燒方式、生成溫度、脫硫工藝等密切相關，按煤種和鍋爐類型爐渣可分煤粉爐灰渣、沸騰爐灰渣、煤矸石灰渣。為了控制二氧化硫的排放，近年來國家采取了一系列措施加快燃煤火電廠二氧化硫治理，其中主要是煙氣脫硫以石灰石-石膏法為最主要脫硫劑，所以現在的燃煤爐渣基本都是脫硫灰渣。不同電廠產生的爐渣性能可能各不相同，爐渣作為混凝土摻合料的研究現在還處于初始階段，在預拌混凝土中的實際應用還處于探索狀態。

本文所述的燃煤爐渣以溫州電廠的煤粉爐燃燒并經過脫硫的爐底灰渣為例，以下簡稱爐渣。

2 磨細爐渣的性質

表1 磨細爐底渣的物理性能

爐渣是在高溫熔融狀態下經過水淬處理，運到生產或使用單位經過烘干，由于爐膛里燃燒和造渣作用其粒徑一般在 1mm～50mm不等，與砂礫大小相似。其最佳粉磨時間約45min左右，細度控制在7%～10%之間，不加任何輔助材料，粉磨后顏色偏黑。磨細燃煤爐渣作為混凝土摻合料沒有現行產品和應用標準，按著國家發改委等十部委2013年發布的《粉煤灰綜合利用管理辦法》的規定其屬于粉煤灰范疇，因此可以參考現行的GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準判定其品質指標。磨細燃煤爐渣的顆粒形貌、礦物成分、微量元素、放射性及部分化學成分的檢測數據由相關具備檢測項目能力的資質單位提供。

2.1 磨細爐渣的物理性能

決定爐底渣物理品質的指標有：細度、需水量比、燒失量、凝結時間、與外加劑適應性、活性指數、安定性等。磨細爐底渣物理性能的優劣影響其作為混凝土摻合料的質量穩定性，其物理性能指標如表1所示。

從表1可知磨細爐渣需水量比和燒失量高，凝結時間比基準水泥短，與外加劑適應性差，28d活性較理想。由于爐渣是未燃盡煤的融熔物，與粉煤灰相比黑色碳粒較多，故其吸附性強，導致需水量比和燒失量高，凝結時間縮短，用沸煮法安定性合格時還需注意游離氧化鎂和過量石膏對膠凝材料體積安定性影響。由于采用石灰石脫硫劑燃煤爐渣中硫以CaSO4形式存在，如果硫酸鈣含量過高會與水泥中的鋁酸鈣反應生成鈣礬石，在混凝土后期產生體積膨脹導致結構破壞[1]。

2.2 爐渣的顆粒形貌

采用SEM電子掃描鏡對磨細爐渣進行顆粒形貌分析如圖1中所示，根據該圖爐渣表面較為粗糙，形狀不規則，呈層片狀，結構疏松多孔。而粉煤灰顆?；境蕡A球形結構致密，這可能是火電廠在鍋爐燃燒過程中有很多空氣進入煤中，冷卻后又逃逸，使得爐渣形成疏松多孔結構，表面積較大，故吸水性強。

2.3 爐渣的礦物組成

以X射線衍射儀（XRD）對磨細爐渣的礦物成分進行分析，如圖2所示，爐渣的礦物分為無定形和結晶兩種礦物組成[2]，無定形礦物包括固熔玻璃體空心微珠及疏松蜂窩狀碳粒等，結晶礦物由石英砂粒、莫來石、高嶺石、石灰、赤鐵礦、黃鐵礦等成分構成。

圖1 爐渣的SEM電子掃描

圖2 爐渣的X射線衍射（XRD）

從圖2可知該爐渣的無定形礦物中玻璃體含量較少，結晶礦物主要為莫來石含52%、石英為21%、鈣長石22%及含5%的剛玉。

2.4 爐渣的化學分析

將磨細爐渣與原狀高鈣粉煤灰（細度17%）對比檢測其化學成分如表2所示，從表2可知磨細爐渣的SiO2、CaO、SO3以及堿含量和氯離子含量與高鈣灰較為接近，其活性SiO2和ALO3含量均較高，而影響體積安定性的MgO、f-cao也比高鈣灰小很多，這與其燃燒的煤種、燃燒的溫度和煙氣脫硫工藝有關。

表2 爐渣和高鈣灰的化學成分（%）

2.5 爐渣的微量元素

環境中的微量元素有汞、鎘、鉛、鉻、砷、硒，爐渣中主要為鉛、鎘、汞、鉻、鎳、錳、鐵、銅、鎂、鋁、鋅、錫、鈦、鋇、鈷、銻、鉬、砷、硒、鍶。其中汞、鎘、鉛、鉻、砷、鋅、鎳等對人體健康不利。微量元素在煤中的形態對飛灰和底渣的富集影響較大，一般來說與煤中礦物成分結合的親氧元素如錳、鉻等易在底渣和大顆粒飛灰中富集，在小顆粒飛灰中不易富集[3]。爐渣的微量元素檢測結果如表3，從表3可知爐渣中的有害微量元素對人體健康影響可以忽略不計（檢測單位最小檢出限值為10 mg/kg）。

表3 爐渣的微量元素（單位：mg/kg）

2.6 爐渣的放射性元素

人類的日常生活中到處都存在著微量的天然放射性物質，主要為鈾-238、釷-232、鐳-226、鉀-40等，居民所接收的輻射超過 1/3來自建筑材料。根據GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》中相關規定，建筑材料放射性由內照射和外照射比活度組成，內照射指數 IRa和外照射指數Ir均不應大于1，爐渣放射性檢測如表4，按著GB6566-2010標準可知爐渣的放射性元素含量符合要求。

表4 爐渣的比活度及放射性指數（單位：Bg/kg）

3 爐渣作為新型摻合料在預拌混凝土中的應用

爐渣在綜合利用方面雖然得到大力推廣，但其使用量非常有限，大量爐渣仍然堆于電廠貯灰場，處于閑置狀態。而目前飛灰卻供不應求，將爐渣代替粉煤灰即是生態環保需要，也是開發和推廣新材料、新技術的時代要求?，F行的GB/T51003-2014《礦物摻合料應用技術規范》中沒有將其納入礦物摻合料范疇，而國家發改委等十部委2013年實行的《粉煤灰綜合利用管理辦法》中對粉煤灰的定義：燃煤電廠以及煤矸石、煤泥資源綜合利用電廠鍋爐煙氣經除塵收集后獲得的細小飛灰和爐底渣。該辦法中的第三章鼓勵措施中的第十六條第四項明確規定：利用粉煤灰（飛灰與爐底渣）作商品混凝土的摻合料。飛灰一般性能優良已被業界普遍接受，并大量使用，但爐渣成分比飛灰復雜，作為商品混凝土摻合料還處于研究和使用的起步階段。煙氣脫硫燃煤灰渣與原狀高鈣粉煤灰化學成分比較接近，而這兩種粉煤灰筆者均已在實際生產中使用多年，將這兩種粉煤灰在混凝土中的應用逐一比較，有助于闡述爐渣混凝土的性能情況。

3.1 爐渣作為混凝土摻合料的理論配合比

原狀高鈣灰以FC為代號，磨細燃煤灰渣以FM為代號，兩種灰配制C30泵送混凝土，其配合比按絕對體積法計算如表5所示。從表5可知兩種灰的膠凝材料用量一樣，在坍落度180(mm)一樣情況下爐渣混凝土外加劑摻量高0.2%，用水量多13kg/m3，水膠比高0.034。由于爐渣需水量比大，吸水率偏高，配制混凝土應按有效用水量和有效水膠比計算，有效用水量即原始自由用水量扣除骨料及相關材料吸水率后的凈用水量，有效用水量與膠凝材料的比值即為有效水膠比。

表5 混凝土理論配合比（單位：kg/m3）

表6 混凝土拌合物性能

3.2 混凝土拌合物性能

該兩種粉煤灰混凝土經生產實際應用其性能如表6所示，從表6可知高鈣灰混凝土坍落度損失較小，凝結時間長，泌水量大。而磨細爐渣混凝土坍落度損失明顯較大，凝結時間短，泌水量很小，泵送的粘滯阻力大。這與爐渣結構疏松多孔、含碳粒多、燒失量高導致吸水性強有很大關系。

表7 混凝土強度性能試驗結果(單位：MPa)

3.3 爐渣混凝土的力學性能

爐渣與高鈣灰C30各齡期強度試驗結果如表7，從表7可知爐渣混凝土早期強度與高鈣灰比較接近，后期強度增長較慢。爐渣的火山灰活性來源于SiO2、AL2O3及 CaO，三種成分的化學含量較高，故早期強度增長較快，但爐渣的礦物成分主要為莫來石、石英和鈣長石，玻璃體含量比高鈣灰少，這對其后期強度有一定影響。

3.4 爐渣混凝土的耐久性

爐渣與高鈣灰C30混凝土耐久性試驗結果如表8，從表8可知爐渣混凝土的抗滲性、抗碳化性能與高鈣灰混凝土基本一致，但收縮率較大，其早后期的干縮率大于高鈣灰混凝土，這與其結構顆粒形貌有關。

表8 混凝土耐久性試驗結果

3.5 爐渣混凝土的抗裂性

爐渣的顆粒疏松多孔、吸水強，混凝土拌合物泌水較少，凝結時間短，其塑性收縮比一般粉煤灰混凝土大，初始裂縫時間提前，必須制定嚴格的裂縫控制方案。爐渣混凝土澆筑抹面后需立即覆蓋或在初疑之前采取灑水養護措施，其后期干縮率也較大，總養護周期不宜少于14天。

3.6 爐渣混凝土的外觀特征

引理2[5] G是一個(p，q)圖，s和m均為整數.如果G是s-邊優美的，那么G也是(mp+s)-邊優美的，即{k≥s:k≡smod p}?EGI(G).

爐渣混凝土澆筑成型后如果模板較舊、粗燥，則混凝土拆模后表面氣孔如砂礫般大小且底部分布多于上部，尤其在剪力墻部位更明顯，外觀顏色呈灰黑色。這與混凝土拌制時自由用水量高及爐渣的疏松結構有關，由于爐渣需水量比高，其原始水膠比大，混凝土拌合物毛細孔粗，多余的游離水經泌水通道到達混凝土表面后蒸發，在混凝土表面形成氣孔，對混凝土的外觀質量有一定影響。

4 爐渣作為混凝土摻合料存在的問題

4.1 爐渣品質的穩定性

爐渣的品質與煤種、鍋爐類型、燃燒溫度、脫硫材料與脫硫工藝等因素緊密相關，不同電廠爐渣的成分也各不相同，其品質可能差異較大，使用爐渣最好固定某一廠家。

4.2 爐渣對混凝土體積安定性影響

燃燒中脫硫生成的固硫灰渣存在f-CaO偏高、SO3含量過多問題，應嚴格控制入爐煤硫份，減少爐渣有害成分。而一般煙氣脫硫工藝生成的爐渣有害成分較少，適宜作為混凝土摻合料。不管哪種爐渣使用前必須做好有害成分分析，以消除對混凝土的負面影響。

4.3 爐渣混凝土凝結時間短、泌水率小

爐渣作為混凝土摻合料能縮短混凝土拌合物凝結時間，摻量越高凝結時間越短，這與常規摻合料截然相反。爐渣混凝土泌水率太小，雖然對混凝土沉降收縮有改善作用，但加劇了混凝土塑性收縮，不利于早期裂縫的控制。

4.4 爐渣混凝土的外觀缺陷

在扁平寬大結構的舊模板澆筑的爐渣混凝土拆模后存在側面表面氣孔多，影響表面觀感和質量。

5 爐渣的品質改性

5.1 爐渣的物理改性

5.1.1 爐渣存在一個最佳粉磨細度，7%～10%磨細爐渣需水量比105%左右，活性指數達到最大 81%。爐渣對半與電廠分選后粗飛灰一起混磨可降低需水量比2.5%，泌水率略微提高。

5.1.2 將爐渣中摻入0.2%左右的蔗糖一起磨細可降低其需水量比3.5%左右，與外加劑適應性較好，凝結時間可延長2～4小時左右，但需注意如水泥中石膏成分為硬石膏時則易出現假凝現象。

5.1.3 爐渣中摻入5%左右的石膏或10%左右石灰石[4]共同粉磨可降低2%左右的需水量比，提高2.6%左右的活性指數，凝結時間也得到相應延長。

5.2 爐渣的化學改性

脫硫灰渣可能存在游離氧化鈣f-CaO、亞硫酸鈣CaSO3、無水硫酸鈣CaSO4含量過多問題，為了控制膠凝材料中SO3含量小于3.5%，并消除f-CaO負面影響，而通過物理改性不能達到理想效果，這時必須進行化學改性處理。

加入硫酸鹽、硝酸鈉、三乙醇胺等化學激發劑[5]與爐渣一起粉磨，該種方法可加速無水硫酸鈣分解，促進其水化并與亞硫酸鈣共同轉化為二水石膏，并有助于f-CaO水化成氫氧化鈣，減少對體積安定性影響。

6 結論

6.1 爐渣作為混凝土摻合料使用時要充分了解其礦物組成、化學成分及有害元素對混凝土質量和人類健康的影響，不同電廠的爐渣品質各不相同，必須因地制宜，區別對待。

6.2 爐渣作為摻合料對其它混凝土組成材料的要求較高，爐渣既使進行改性處理也很難達到與粉煤灰性能一樣的效果，爐渣混凝土應優選硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。爐渣混凝土應選取減水率較高與水泥適應性較好的高效減水劑，并且該高效減水劑要復配緩凝時間較長的緩凝劑以提高爐渣混凝土的凝結時間。爐渣不宜單用，應與其它摻合料復合使用，其中與粒化高爐礦渣粉一起摻入混凝土中效果較好。

6.3 爐渣作為混凝土摻合料應做好配合比優化工作，磨細原狀爐渣最大摻量不宜超過膠凝材料的 15%，爐渣改性后作為混凝土摻合料并經配合比優化后可適當提高摻量，但爐渣摻量應低于礦粉，爐渣配制混凝土比常規混凝土還應多增加外加劑摻量0.2%。

6.4 爐渣混凝土運至施工現場后要及時輸送澆筑振搗，其振搗時間比常規混凝土適當延長一些，以使混凝土氣泡逸出減小表面氣孔。爐渣混凝土澆筑抹面后應立即覆蓋塑料薄膜進行保濕養護，可保證預拌混凝土的質量。

6.5 爐渣作為混凝土摻合料在技術上是可行的，符合綠色生態混凝土需要，替代粉煤灰作摻合料有利于新材料、新技術的推廣應用。

[1] 鄭洪偉,錢覺時,紀憲坤等.燃煤灰渣中的硫[J].粉煤灰綜合利用，2007:8-11.

[2] 邵靖邦,邵緒新,王祖訥等.沸騰爐底灰的特性研究[J].環境科學學報，1998，18(4):425-430.

[3] 孔火良,吳慧芳.電廠燃煤灰渣中微量元素富集規律的試驗研究[J].青島理工大學學報，2007，28(4):65-68.

[4] 萬凌輝,魯雪芹.磨細爐底渣的膠凝性能及其應用研究[J].江西建材,2015:3-4.

[5] 彭紹洪,顏波,余梅等.脫硫灰渣用于水泥摻合料的改性研究[J].廣東石油化工學院學報,2014,24(4):1-4.

TU528.52

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1007-6344（2016）03-0311-03

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高雪峰（1978-），男，本科，技術負責人，工程師，主要從事混凝土技術質量管理工作。