粉煤灰品質提升技術研究

2022-11-10 08:03:20王茂月

低碳世界 2022年7期

王茂月

（大唐同舟科技有限公司，北京 100043）

0 引言

在當前我國“雙碳”背景下，粉煤灰綜合利用因具有顯著的節能降碳效益而倍受重視。近年來，針對粉煤灰品質波動范圍大，以及原狀粉煤灰無法滿足市場對高品質商品灰需求的狀況，應不斷加強電站鍋爐的配煤摻燒、靈活調峰，以產出高品質粉煤灰。不僅如此，國內Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰的應用范圍越來越廣，尤其是在建材行業和混凝土工程建設中應用更為突出。粉煤灰對改善混凝土流變性能、降低水化溫升、提高混凝土耐久性都具有顯著的作用[1]。為了使混凝土能夠滿足大摻量、高泵程、高流態、高強、高耐久性等需求[2]，在大體積混凝土中摻入Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰，可減少水化熱，在提高強度的同時還可代替水泥，變廢為寶，降低成本，提高經濟效益。

1 分選粉煤灰的品質特性

1.1 分選粉煤灰的微觀形貌分析

采用掃描電鏡可研究原狀粉煤灰（圖1）、分選細灰（圖2）、分選粗灰（圖3）的顆粒形貌特征，原狀粉煤灰是由球形顆粒（玻璃微珠）、不規則玻璃體及少量未燃碳組成，其中不規則顆粒的占比例較高，影響其在混凝土中的流動性。經分選后，分選細灰的顆粒以球形顆粒為主，且不規則顆粒較少，球形顆粒外表致密、圓滑、玻璃微珠含量多、發育好。相比之下，粗灰中則富集了粗大多孔的玻璃體和疏松多孔的不規則玻璃體，玻璃微珠含量甚少。根據對粉煤灰內部結構的研究可知，粗粒粉煤灰往往由于內部氣孔發育，以空心或子母珠存在的形式較多，而細粒粉煤灰多以實心微珠的形式存在。

圖1 原狀粉煤灰SEM 掃描電鏡分析

圖2 分選細灰SEM 掃描電鏡分析

圖3 分選粗灰SEM 掃描電鏡分析

1.2 分選粉煤灰的物理特性分析

由于顯微結構的差異，原狀粉煤灰、分選細灰和分選粗灰作為混凝土摻合料使用時，所體現的物理化學特性各有不同。原灰SEM 掃描電鏡分析如表1所示。

表1 分選粉煤灰的物理化學性能對比

由表1 可知，由于配煤摻燒與負荷調節，各電廠原狀粉煤灰的細度普遍偏粗、需水量較大、流動性較差，一般達不到Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰的標準。經過分選加工后，其細度顯著下降，可滿足Ⅰ、Ⅱ級灰標準，由于且分選細灰玻璃微珠發育，需水量顯著降低，流動性大幅提高。與原狀粉煤灰相比，分選粗灰的各項指標大幅下降，需要進行磨細處理或作為輕質墻體材料的摻合料使用。

2 磨細粉煤灰的品質特性

2.1 磨細粉煤灰的微觀形貌分析

采用SEM 掃描電鏡對磨細粉煤灰（圖4、圖5）、原狀粉煤灰（圖6）的顯微顆粒類型與顯微結構特征進行研究，經過機械粉磨加工后的磨細粉煤灰玻璃微珠顆粒少于原狀粉煤灰，且表面缺陷較多，較為粗糙，其球體結構被破壞。

圖4 M1 磨細粉煤灰SEM 掃描電鏡分析

圖5 M2 磨細灰SEM 掃描電鏡分析

圖6 M 原狀粉煤灰SEM 掃描電鏡分析

2.2 磨細粉煤灰的物理特性分析

原狀粉煤灰與磨細粉煤灰的物理化學特性不同，粉磨粉煤灰的物理化學性能對比如表2 所示。

表2 粉磨粉煤灰的物理化學性能對比

經過機械粉磨加工后，可將粉煤灰品質從Ⅲ級灰越級為Ⅰ、Ⅱ級灰，與原狀粉煤灰相比，其需水量比增加、活性顯著增強。磨細的作用不僅降低了細度，還改進了粉煤灰摻合料的顆粒級配、顆粒形狀和結構。據SEM 掃描電鏡觀察，由于疏松的粗粒被分散，斷裂面增多，且顆粒均有新生表面，改善了粉煤灰的性能，如降低細度、增強火山灰反應能力等。通過磨細處理，提高了粉煤灰總體的均勻性，這對于提高粉煤灰品質有著重要意義[3]。通過機械磨細，一方

面粉碎了粗大多孔的玻璃體，解除玻璃顆粒黏結，改善表面特性，減少配合料在混合過程的摩擦，改善集料級配，提高物理活性；另一方面，破壞了粗大玻璃體尤其是多孔和顆粒的粘連，也破壞了玻璃體表面堅固的保護膜，使內部可溶SiO2、Al2O3溶出斷鍵增多，比表面積增大，反應接觸面增加，活化分子增加，提高了粉煤灰早期的化學活性[4]。

3 分選細灰、磨細粉煤灰作為摻合料用于混凝土中的性能研究

3.1 原材料及試驗方法

選用等級都為Ⅱ級的分選細灰、磨細粉煤灰、符合GSB 14-1510 規定強度等級為42.5 的硅酸鹽水泥（對比水泥）、中國ISO 標準砂、潔凈的淡水，分別摻入30%分選細灰、磨細粉煤灰，用行星式砂漿攪拌機攪拌，振實臺成型，制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的水泥膠砂試件，在標準養護條件下（濕氣≥90%）成型，24 h 后脫模，于標準養護室中養護，到試驗齡期時從水中取出，測定其 3 d、7 d、28 d 強度。

3.2 試驗結果與分析

粉煤灰水泥膠砂抗壓強度比是衡量粉煤灰活性的重要指標，其數值大小反映了粉煤灰活性的高低，同時也是摻30%粉煤灰硅酸鹽水泥與不摻粉煤灰硅酸鹽水泥按國標GB/T17671 測定水泥膠砂抗壓強度的比值。

在相同條件、同等級的情況下分選細灰和磨細粉煤灰3 d、7 d、28 d 水泥膠砂強度活性對比如表3所示。

表3 分選細灰、磨細粉煤灰不同齡期水泥膠砂強度活性對比

由表3 可知，在相同水膠比條件下，分別摻入30%的分選細灰 F1和磨細粉煤灰 M13 d、7 d、28 d 水泥膠砂強度，首先摻入30%的分選細灰F13 d、7 d、28 d 強度活性指數均高于摻入30%的磨細粉煤灰M1，隨著齡期的增長，二者之間差距逐漸減小，直至在28 d 時差距最小。其次在不同齡期其強度值都有一定程度的提高，隨著齡期的增長，強度活性指數顯著增加，在齡期3 d、7 d 時強度活性指數達不到指標標準，但在28 d 時強度明顯提高。

鑒于分選細灰、磨細粉煤灰二者性能之間的差異性，分選細灰理化性能優于磨細粉煤灰，主要體現在流動性、需水量比、強度等性能，可見這種高性能物理特性賦予了分選細灰更高的利用價值，可有效改善混凝土的質量。粉煤灰用作混凝土的摻和料時，對混凝土性能的影響主要是通過3 個效應來體現，即形態效應、微集料效應和活性效應[5]；對水泥膠砂流動度的影響主要是通過顆粒的形態效應實現的。粉煤灰的活性以及表面光滑的玻璃微珠具有形態效應及微集料效應，能夠廣泛運用于建筑材料的生產與建設工程[6]，實現了高品質粉煤灰在水泥混凝土應用中的大摻量性能。