2017版《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的修訂與問題探討

王 智，賀云飛，王子儀( .重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400045；. 重慶大學 化學化工學院，重慶400044)

國家標準 GB/T 1596－2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（以下有些地方稱“原標準”）于 2005 年頒布實施，對我國粉煤灰的開發利用、保障建設工程質量起到了重要作用。隨著燃煤電廠燃料種類與燃燒方式的變化、脫硫脫硝技術的變化、電廠超潔凈發電與超低排放等環保要求時逐步實施，現代建設工程對粉煤灰的要求發生了變化，原標準已明顯不適應粉煤灰自身性質評價及其資源化應用的需要。因此，結合技術發展、應用需求和行業變化，有針對性地對原標準進行修訂完善就十分有必要。GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（以下有些地方稱“新標準”）于 2017 年 7 月 12 日頒布，將于 2018 年 6 月 1 日正式實施。新標準對粉煤灰的定義、技術性質要求、測試方法等方面進行了修訂完善。

1 主要修訂內容

基于新舊標準的內容變化，本文主要從以下幾方面介紹、探究、討論新標準的修訂內容。

1.1 粉煤灰定義

原標準中將粉煤灰定義為電廠煤粉爐煙道氣體中收集的粉末，新標準中對粉煤灰的定義增加規定，即含有以下 3 種情況所收集到的灰不屬于粉煤灰：① 和煤一起煅燒城市垃圾或其他固體廢棄物時；② 在焚燒爐中煅燒工業或城市垃圾時；③ 循環流化床鍋爐燃燒收集的粉末。

城市垃圾焚燒產生的飛灰比表面積高, 不但富集大量Hg、Pb、Cd 等有毒重金屬，還富集大量的二噁英類物質,是同時具有重金屬危害特性和環境持久有機毒性危害特性的雙料危險廢物，對人體健康和生態環境具有極大的危害性[1]。循環流化床鍋爐燃燒收集的粉末顆粒酥松多孔且形貌不規則(幾乎沒有球形顆粒)、f-CaO 和 SO3含量高，硬石膏和石灰是其主要礦物組成，與普通粉煤灰的性質存在較大的差異，且對水泥混凝土的性能影響與普通粉煤灰不同[2]。在新標準中，粉煤灰的定義在原來只規定燃燒鍋爐的基礎上，增加了燃料的限制，明確指出從煤粉鍋爐燃燒煤收集的灰才屬于粉煤灰，嚴格定義了粉煤灰的概念與范圍。

1.2 對比水泥

原標準中規定使用的對比水泥符合 GSB 14－1510《強度檢驗用水泥標準樣品》規定，新標準擴大了對比水泥的范圍，對比水泥為符合 GSB 14－1510 規定，或符合 GB 175─ 2007 《通用硅酸鹽水泥》規定，且同時滿足本標準中相關要求的 42.5 強度等級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。新標準試驗中采用水泥的范圍、適用性變廣，特別是粉煤灰在工程應用的質控可行性增大。但是采用不同水泥進行測試得到的試驗結果可能出現偏差，當試驗結果有矛盾或需要仲裁檢驗時，對比水泥宜根據 GSB 14－1510 的規定。

1.3 拌制混凝土和砂漿用粉煤灰理化性能要求

1.3.1 細度

原標準規定 Ⅱ 級粉煤灰過 45 μm 方孔篩篩余量 ≤25%，新標準規定 Ⅱ級粉煤灰過 45 μm 方孔篩篩余量 ≤30%。新標準降低 Ⅱ 級粉煤灰細度技術要求，擴寬了 Ⅱ 級粉煤灰的范圍。原標準中許多粉煤灰因細度 1 個指標不合格而成為 Ⅲ 級粉煤灰，而在新標準中則能夠直接作為 Ⅱ 級粉煤灰。降低粉煤灰的技術要求，可能會降低 Ⅱ 級粉煤灰在水泥混凝土中應用的 3 大效應、增加粉煤灰在水泥混凝土中應用的技術難度。此項技術要求的降低會使上述情況的 Ⅲ 級粉煤灰失去通過一定技術措施加工成 Ⅱ 級粉煤灰的動力，在一定程度上降低了 Ⅱ 級粉煤灰的資源化利用的技術水平，可能增加了Ⅱ 級粉煤灰在混凝土中利用的技術難度，并降低了經濟效益。

1.3.2 燒失量

原標準中規定 Ⅲ 級粉煤灰燒失量 ≤ 15%，新標準 Ⅲ級粉煤灰燒失量 ≤ 10%。依據電廠燃燒技術的提升應時提高技術要求，這是科學合理的。更加注重低等級粉煤灰的燒失量，從關鍵技術指標來提高其使用性能。

1.3.3 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數

新標準中新增了對粉煤灰 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數的要求，規定 F 類粉煤灰 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數 ≥ 70%，C 類粉煤灰 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數≥ 50%。更加注重粉煤灰作為摻合料時的化學組成，一方面希望通過控制 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數保證粉煤灰主要活性物質的含量，確保粉煤灰的火山灰效應，增強粉煤灰質量的控制提高粉煤灰的技術效益；而另一方面新標準只規定粉煤灰中 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數，當SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數不足時，很有可能添加含有非活性的 SiO2、Al2O3、Fe2O3物質，導致粉煤灰的質量降低。

為限制粉煤灰在加工過程中摻入其他物質的方法增加SiO2、Al2O3、Fe2O3含量，對混凝土和砂漿性能產生不利影響，建議應參照GB/T 18046－2008《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》中對礦渣玻璃體含量要求，對于粉煤灰的玻璃體含量進行要求，更有利于粉煤灰質量的控制。

1.3.4 相對密度

新標準中對拌制混凝土和砂漿用粉煤灰新增了相對密度的要求，規定粉煤灰的相對密度 ≤ 2.6 g/cm3。部分地區的高鐵粉煤灰或經過磁選后的高鐵粉煤灰相對密度可能會＞ 2.6 g/cm3[3]。這種高鐵粉煤灰是否屬于不合格而不能使用，該項標準是否縮小了粉煤灰的使用范圍，值得商榷。

1.3.5 強度活性指數

新標準中拌制混凝土和砂漿用粉煤灰新增強度活性指數的要求，規定粉煤灰的強度活性指數 ≥ 70%，充分體現了粉煤灰作為活性摻合料用于砂漿和混凝土時是資源化利用其火山灰活性的實質。原標準只規定了水泥活性混合材料用粉煤灰強度活性指數，實際應用中混凝土企業均增加和實施了粉煤灰強度活性指數的檢測。因此，該條文的增加使用于砂漿和混凝土的粉煤灰進行強度活性指數檢測的依據更充分。

1.4 水泥活性混合材料用粉煤灰理化性能要求

新標準中水泥活性混合材料用粉煤灰新增 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數和相對密度的技術要求，規定 F 類粉煤灰 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數 ≥ 70%，C 類粉煤灰 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數 ≥ 50%。與拌制混凝土和砂漿用粉煤灰的一樣，可參照 GB/T 18046－2008 中對礦渣玻璃體含量的要求。規定粉煤灰相對密度 ≤ 2.6g/cm3。一方面對作為水泥活性材料的粉煤灰品質提出了更高要求，有利于提高水泥質量；另一方面則限制了部分高鐵粉煤灰的使用。

1.5 放射性

原標準中規定粉煤灰的放射性按 GB 6566 ─ 2010 《建筑材料放射性核素限量》的試驗方法進行檢測，并且粉煤灰的放射性指標需滿足合格標準。新標準明確提出粉煤灰的放射性指標需符合 GB 6566─2010 中建筑主體材料規定要求，還增加了放射性試驗樣品配比（粉煤灰與水泥1∶1混合）。新標準對粉煤灰的放射性進行具體的規定，符合GB 6566─2010 對建筑主體材料的規定要求，更有利于新標準的實施。雖然大部分粉煤灰放射性元素含量符合國家標準, 但由于煤種及燃燒過程的不同, 一部分粉煤灰中的放射性元素會超標，且粉煤灰顆粒越小, 其表面積越大，放射性物質的吸附性越高[4-5]，級別越高的粉煤灰放射性元素含量越高，在建設工程中運用此類粉煤灰可能會嚴重危害人體健康。通過控制粉煤灰在原料中的配比（粉煤灰與水泥 1∶1混合），減少粉煤灰（含有放射性元素）的質量，增加了放射性比活度的基數，從而使建筑材料的放射性水平達到國家標準要求[6]，明顯降低了對粉煤灰的放射性要求。如果粉煤灰摻量 ＞50%（與水泥比值 ＞1∶1），材料的放射性可能不滿足安全指標，所以為安全使用粉煤灰、充分保障人體健康，建議檢測粉煤灰（100%）的放射性。對于放射性較高的粉煤灰, 若不能直接利用，依據國家標準 GB 6566 ─ 2010的要求, 選擇合適的粉煤灰摻入量，使粉煤灰放射性的控制更為直接和明確。

1.6 半水亞硫酸鈣含量

新標準中增加對半水亞硫酸鈣（CaSO3·1/2H2O）含量的要求，干法或半干法脫硫工藝時產生的粉煤灰需檢測CaSO3·1/2H2O 含量，規定指標為含量不大于 3%，新標準的規定更利于把控粉煤灰的質量。

當采用石灰/石灰石直接噴射法（干法）或爐內噴鈣/尾部增濕活化法（半干法）對燃煤熱電廠的煙氣進行脫硫處理時，所得粉煤灰中的硫將以硫酸根離子（）和亞硫酸根離子（）兩種形式存在。主要指亞硫酸鈣（CaSO4）和二水硫酸鈣（CaSO4·2H2O），主要指CaSO3·1/2H2O 和 CaSO3[7]。CaSO4一方面會分解，直接影響水泥混凝土的含氣量與密實度；另一方面亞還會影響水泥的水化，導致混凝土的性能變異。CaSO3·1/2H2O 和水泥中的鋁酸鹽礦物反應，主要生成片狀的單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm），而不是像石膏那樣，主要生成三硫型水化硫鋁酸鈣（AFt），可能導致水泥早期強度下降、后期強度增幅減小甚至倒縮[8]。同時在 CaSO4·2H2O 與水泥中的鋁酸三鈣（C3A） 反應生成鈣礬石的過程中，夾雜其間的 CaSO4能夠覆蓋在水泥顆粒上，阻礙水分、離子等移動，造成水泥水化緩慢，表現出水泥一定時間內不再凝固，且 CaSO4含量越多，這種影響越顯著[9]。CaSO3·1/2H2O 不但使水泥的凝結時間大幅延長，而且直接影響水泥的強度，尤其是后期強度，會對水泥產品的質量產生不利影響。新標準中規定的CaSO3·1/2H2O 含量有利于提高粉煤灰的質量。

1.7 關于試驗方法

1.7.1 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數

新標準中新增對粉煤灰中 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數的要求，同時規定SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數采用 GB/T 176─2010 《水泥化學分析方法》試驗方法進行測試，其中 Al2O3的測定采用硫酸銅（CuSO4）返滴定法或 X射線熒光分析方法，有爭議時以CuSO4返滴定法為準。

1.7.2 半水亞硫酸鈣含量

新標準中新增對粉煤灰中CaSO3·1/2H2O的要求，同時規定其含量采用 GB/T 5484─2014 《石膏化學分析方法》進行測試。

1.7.3 相對密度

新標準中新增對粉煤灰相對密度的要求，同時規定粉煤灰相對密度采用 GB/T 208─2014《水泥相對密度測定方法》進行測試。

1.7.4 需水量比

原標準中需水量比試驗，對比膠砂流動度在 130～140 mm 范圍內，按照試驗膠砂流動度達到 130 ～140 mm 調整加水量。新標準中將對比膠砂流動度調整為 145～155 mm內，按照試驗膠砂流動度達到對比膠砂流動度的 ±2 mm 時調整加水量。更新后試驗膠砂流動度與對比膠砂流動度相差更小，試驗精度更高，更能準確地反映粉煤灰的需水量。

1.8 關于檢驗規則及包裝

原標準中粉煤灰出廠前以連續供應的 200 t 相同等級、相同種類的粉煤灰為 1 個編號，不足 200 t 按 1 個編號論。新標準中粉煤灰出廠前按同種類、同等級編號和取樣。散裝粉煤灰和袋裝粉煤灰應分別進行編號和取樣，不超過 500 t為 1 個編號，每 1 個編號為 1 取樣單位。當散裝粉煤灰運輸工具的容量超過該廠規定出廠編號噸數時，允許該編號的數量超過取樣規定噸數；新標準中增加國家質量監督檢驗機構提出型式檢驗的要求時應進行型式質檢；新標準中增加檢驗報告內容應包括出廠編號、出廠檢驗項目、分類、等級。當用戶需要時，生產者應在粉煤灰發出日起 7 d 內寄發除強度活性指數之外的各項檢驗結果，32 d 內補報強度活性指數檢驗結果；原標準中粉煤灰每袋凈重不小于標志質量的98%，新標準中每袋凈重不小于 標志質量的 99%。

2 其他

近年來，隨著環保的要求不斷提升，燃煤電廠相繼對機組進行了脫銷工藝改造，減少了環境的污染，但同時使得粉煤灰中出現氨氮物質的殘留，使用脫硝粉煤灰對水泥混凝土造成了不少的負面影響。當脫硝粉煤灰的氨氮物質達到某含量時，摻加該粉煤灰的水泥混凝土出現了攪拌或澆筑過程有異常氨味、水泥凝結時間延長、混凝土體積膨脹、混凝土強度下降等混凝土質量問題，甚至還會出現粉煤灰自身揮發出氨味、pH 值異常下降、結團粘倉和不同樣品處理方法的細度測試結果存在巨大差異等現象[10]。如今粉煤灰的氨氮物質的含量限值與測試方法還未確定，而本次修訂未增加粉煤灰中氨氮物質的含量限值和檢測方法則回避了現實技術難題，不利于粉煤灰的質量控制與應用。

3 結 語

2017 版《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》相比 2005 版原標準有較大修訂變動。通過探究和討論標準變化，有利于掌握新標準的相關要求，合理的資源化應用粉煤灰。新標準中增加了粉煤灰的定義項，作為摻合料時的強度活性指數，半水亞硫酸鈣限值及試驗方法，擴大對比水泥范圍，提高了Ⅲ 級粉煤灰燒失量要求，修改了粉煤灰放射性指標、需水量比試驗方法。這些修訂內容使標準更符合粉煤灰自身性質變化和實際應用的需要，更能促進粉煤灰的資源化應用。

新標準還需完善：可以對粉煤灰的玻璃體含量設置要求，以限制在粉煤灰加工過程中摻入其他物質，使得粉煤灰 SiO2、Al2O3、Fe2O3總質量分數達到規定標準；對于相對密度的要求是否限制了高鐵粉煤灰的利用則值得商榷；降低Ⅱ級粉煤灰細度指標，一定程度上降低了資源化利用的技術水平；放射性試驗樣品配比以粉煤灰與水泥 1∶1 混合進行，降低了對粉煤灰放射性的技術要求，增加應用風險；現代建設工程中利用的粉煤灰基本為脫硝粉煤灰，本次修訂未對脫硝粉煤灰中氨氮物質的含量限值與測試方法進行規定。