粉煤灰在干混砂漿中的應用研究

方光旭 古再努爾·依明 楊 博 陳南希 張琰琦

（昌吉回族自治州產品質量檢驗所，新疆 昌吉 831100）

0 引言

粉煤灰是燃煤固體廢棄物，是一種火山灰質比例不固定的混合物，屬于硅質活性材料，顏色在白色到黑灰色之間變化，粉煤灰含碳量的多少也可以根據顏色反映出來，內部由不同顆粒形態組成：玻璃珠、結晶體、海綿玻璃體、碳顆粒以及少量的未燃盡的炭粒；粉煤灰以蜂窩狀多孔型結構組成，表面積越大，活性較強，組成活性的成分主要是SiO2和Al2O3，通過水化作用，它們會在水的作用下跟堿性物質、硫酸鹽類發生某些化學反應，生成膠凝類型的穩定化合物。粉煤灰作為干粉砂漿的摻和料來使用，其組成、結構以及物理性能，對粉煤灰摻入干粉砂漿起到決定性影響。粉煤灰代替一定量水泥，不僅能實現利廢，還能節約水泥，節約能源[1]。本文將新疆昌吉州準東開發區燃煤電廠產生的粉煤灰和普通硅酸鹽水泥、天然砂等為原材料配制干混砂漿，研究干混砂漿的性能變化。

1 粉煤灰干混砂漿性能研究

1.1 干混砂漿試驗用原材料

水泥：符合標準《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2020）P·O42.5MPa普通硅酸鹽水泥；

天然砂：Ⅱ類,細度模數2.5，含泥量2.1%；

粉煤灰：高鈣粉煤灰（簡稱“高鈣灰”）和高低鈣復合粉煤灰（簡稱“高低鈣復合灰”）、低鈣Ⅱ級粉煤灰（簡稱“低鈣Ⅱ級灰”）、低鈣Ⅲ級粉煤灰（簡稱“低鈣Ⅲ級灰”）；

稠化粉：安徽玉龍新材料科技有限公司生產。

1.2 試驗方法及試驗結果分析

試驗采用《預拌砂漿》（GB/T 25181-2019）中的試驗方法。

1.2.1 粉煤灰等量取代水泥對砂漿性能的影響

采取單因素方法，用Ⅱ級低鈣灰等量取代部分水泥，同時保持膠凝材料（水泥、粉煤灰）總量控制為400kg/m3，用水量以稠度控制，稠化粉用量為60kg/m3，同時測試7d和28d強度，試驗結果見表1。

表1 粉煤灰取代水泥對砂漿性能的影響

通過表1 可知，砂漿在相同等級稠度下，粉煤灰等量取代水泥，取代率以10%遞增，發現用水量保持穩定，密度下降，收縮率變化不明顯，強度呈遞減趨勢，分層度下降。但粉煤灰取代水泥率在50%、60%時，干混砂漿7d和28d強度均大幅度減少，由此可知，粉煤灰替代水泥百分率不宜超過50%。

1.2.2 低鈣灰與高鈣灰的復合灰對砂漿性能的影響

試驗用復合灰摻加低鈣灰和高鈣灰，制定不同的摻合比例，石膏用稠化粉取代，試驗結果見表2。

表2 摻加低鈣灰與高鈣灰的復合灰對砂漿性能的影響

由表2 數據可知，基準砂漿強度明顯低于復合砂漿強度。摻加一定比例的低鈣灰與高鈣灰的復合灰后，當高鈣灰比例大于低鈣灰時，砂漿強度遞增，收縮值遞減。由此可見，復合灰中高鈣灰的活性可以有效提高砂漿強度，減少收縮。

1.2.3 不同燃煤電廠粉煤灰對砂漿性能的影響

以昌吉州準東地區不同燃煤電廠粉煤灰，確定兩個固定摻量，結合低鈣灰與高鈣灰復合灰的不同比例進行試驗，其砂漿性能試驗結果見表3。

表3 不同品種粉煤灰對砂漿性能的影響

1.2.4 粉煤灰干混砂漿物理力學性能和抗滲耐久性試驗

根據設計生產工藝及技術方案，主要原材料為粉煤灰、水泥、稠化粉、天然砂、添加劑等。通過試驗對粉煤灰干混砂漿（水泥∶稠化粉∶粉煤灰∶砂∶水=300∶40∶116∶1400∶279）和傳統式砂漿（水泥∶石灰膏∶砂∶水=320∶320∶1280∶180）的主要力學性能及耐久性進行測試，見表4。

表4 粉煤灰干混砂漿與傳統砂漿性能比較

從表4試驗結果對比可知，稠度、封層度、密度影響不明顯，干混砂漿強度穩定，抗滲性能、收縮率好，粘結強度高，耐久性優良，干混砂漿各項目均優于傳統砂漿。

1.2.5 粉煤灰干混砂漿砌體力學性能試驗

砌體試驗是國家強制性規范要求的必須試驗項目,主要指標有：通縫抗剪強度、軸心抗壓強度。粉煤灰干混砂漿砌體力學性能試驗，砂漿實際強度為19.0MPa，燒結多孔磚MU20，粉煤灰干混砂漿M15，砌體為燒結多孔磚。

通過試驗研究，通縫抗剪強度、軸心抗壓強度均符合規范要求值，而且超出規范要求值1.5 倍，可得粉煤灰干混砂漿與砌體粘結牢固，按照《砌體結構設計規范》（GB 50003-2011）的力學性能要求，粉煤灰制干混砂漿砌筑的燒結多孔磚砌體滿足該標準的力學性能。

1.3 掃描電鏡圖像

本實驗通過X 射線衍射儀進行研究，根據水泥與粉煤灰與脫硫石膏的質量比為30∶50∶20 和粘結劑比0.3，對膠結材料進行掃描電鏡（SEM）。通過用X 射線衍射（XRD）分析，測試結果如圖1所示。

圖1 硬化凝膠材料的掃描電鏡圖像

圖1（a）為粉煤灰（Ⅱ類未受擾動的火山灰）的三維硬化體的掃描電鏡圖像。從圖1（a）可知，物質顆粒間存在少量針狀水化產物，分子結構非常松散，球形粉煤灰顆粒和塊狀石膏顆粒的輪角清晰可見；圖1（b）和圖1（c）為低鈣粉煤灰（Ⅱ級未擾動灰）28d硬化體的SEM圖像。從圖1（b）和圖1（c）可以看出，樣品顆粒不規則，結構分子較大，從圖1（b）不難發現，球形粉煤灰顆粒表面沉積了大量板狀石膏產物或低硫水化硫[3]。通過圖1（c）鋁酸鈣產物在圖中進行能譜分析，其板狀物質主要元素為鈣、硫、氧、少量硅、鋁；通過圖1（d）可以看出：圖1（d）為磨細粉煤灰（Ⅱ類）三維硬化圖像，結構分子不緊密，顆粒之間有一定數量的針狀水化產物，但密度大于圖1（a），球形粉煤灰顆粒和塊石膏，顆粒的輪角不清楚。

2 粉煤灰用于干混砂漿的效益分析

2.1 經濟效益

傳統砂漿由于添加了緩凝劑，原材料成本比干混砂漿提高3.2%～8.6%，合計各類工費及稅費，到施工場地價格均為300元/m3左右。粉煤灰干混砂漿從原材料進貨成本比傳統砂漿便宜，干混砂漿售價大約在220元/t 左右，同時減少材料在運輸和使用中的損耗，節約成本。該項目工藝技術方案符合當地實情，原材料價格低、供應充足，產品經檢驗質量可靠，產品價格低于傳統砂漿，經濟效益顯著，抗風險能力強，可以形成一個新的產業。

2.2 社會效益

2.2.1 符合全面建設節約型社會的要求

2020 年新疆百旺鑫瑞建筑材料有限公司開始生產,目前廠區已建了4 條干混砂漿生產線，全部采用標準計量進行配比，生產的干混砂漿產品均加入粉煤灰、脫硫石膏等硅鈣基固體廢棄物，產品應用于昌吉州及新疆各地州建筑工程，效果良好。干混砂漿節約成本，質量可靠，具有一定的穩定性，杜絕了砂漿在砌塊上的一些質量通病，提高了建筑工程質量。有利于建筑新材料、新技術推廣研發。

2.2.2 節能減排效果顯著

在環境保護方面，按傳統生產工藝，現場拌制砂漿從原材料準備到生產都用人工操作，人力成本高、效率低下，且有害氣體嚴重及大量粉塵導致作業現場生產條件惡劣，嚴重影響人員身體健康，同時影響生態環境。使用預拌干混砂漿后，從下料、混合、生產到流通的過程都是在密閉容器中機械化完成，減少了人工成本且保護勞動者的健康。

在資源能耗方面，原材料稠化粉不存在石灰燒制過程，CO2排放量明顯減少。同時利用電廠產出的燃煤固廢粉煤灰，節約水泥，生產線均采取環保措施，有效減少了噪聲和浮塵，對城市環境的污染明顯減小，環境效益顯著[4]。干混砂漿的生產利用有效推動了自治區建筑節能和綠色建筑產業升級和高質量發展。

3 結束語

（1）利用燃煤固體廢棄物——粉煤灰資源生產干混砂漿是火電廠燃煤固廢綜合利用的新途徑。

（2）粉煤灰對干混砂漿中稠度、封層度、密度影響不明顯，但粉煤灰中高鈣灰比例增加時，砂漿強度明顯增強，抗滲性能、收縮率好，粘結強度高，耐久性優良。完全可代替傳統砂漿，具有良好的經濟效益和社會效益。

（3）新疆百旺鑫瑞建筑材料有限公司目前廠區已建了4 條干混砂漿生產線，全部采用標準計量進行配比，生產的干混砂漿在原材料中用低鈣Ⅱ級粉煤灰替代水泥，并在大量工程中使用，實際效果良好。