粉煤灰在建筑材料中的應(yīng)用

吳 韓（中國地質(zhì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

目前，我國粉煤灰年排放量大約有1.8t，隨著發(fā)電廠、城市供熱工程的不斷增加，粉煤灰的產(chǎn)量也必將隨之增多。估計(jì)到2020年，我國粉煤灰的年排放量將達(dá)到現(xiàn)在的3倍左右，再加上目前我國已有20億t粉煤灰累計(jì)堆存量，總的堆存量將會達(dá)到30多億t。如果不加以處理，就會產(chǎn)生揚(yáng)塵，污染大氣，若排入水系會造成河流淤塞，而其中的有毒化學(xué)物質(zhì)【1】還會對人體和生物造成危害。因此，粉煤灰的處理和利用問題應(yīng)引起人們的廣泛關(guān)注，如何把粉煤灰變廢為寶應(yīng)用到建筑中是處理粉煤灰、解決礦產(chǎn)資源短缺的一個(gè)主要途徑【2】。目前，一些發(fā)達(dá)國家粉煤灰的利用率已高達(dá)70%~ 80%，而我國僅為30%左右。為此，我們必須投入足夠的人力、物力解決粉煤灰的綜合利用問題，實(shí)施我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

1 粉煤灰的介紹

粉煤灰也叫飛灰【3】，是由熱電站煙囪收集的灰塵，屬于火山灰性質(zhì)的混合材料是煤灰燃燒后，由煙氣從鍋爐中帶出來的粉狀殘留物，是一種人工火山灰質(zhì)材料，其自身具有微弱的膠凝值（或不具有膠凝值），具有潛在的化學(xué)活性【4，5】。由于煤粉微細(xì)，且在高溫過程中形成玻璃珠，因此粉煤灰顆粒多呈球形。

2 粉煤灰性質(zhì)、組成與結(jié)構(gòu)

2.1 粉煤灰的物理性質(zhì)（見表1【6】）

粉煤灰的物理性質(zhì)取決于燃煤的種類、煤粉的細(xì)度、燃煤方式和燃燒溫度以及電廠的收塵效率、排灰方式等。

表1 粉煤灰的物理性能

表2 粉煤灰化學(xué)成分分析

此外，粉煤灰還具有較高的化學(xué)內(nèi)能和火山灰活性(水硬性)。雖然本身不具有獨(dú)立的膠凝性能，但是高鈣粉煤灰在煤粉高溫燃燒過程中，可以形成硅、鋁的鈣鹽，使其具有獨(dú)立膠凝作用。因此，為了提高粉煤灰的應(yīng)用性能，有的火電廠根據(jù)需要在燃煤中適量加入一些石灰來增加鈣含量，以提高其膠凝性能【7】。

2.2 粉煤灰的化學(xué)成分

粉煤灰的化學(xué)成分（表2【6】）以SiO2和Al2O3為主，次要成分為CaO和Fe2O3以及少量的MgO2和SO3等，其中粉煤灰的主要氧化物SiO2、Al2O3、Fe2O3這三者的總和一般大于70%【8】。

2.3 粉煤灰的礦物組成

粉煤灰在鍋爐中燃燒后基本上可分成晶體礦物及非晶體礦物兩類。一般晶體礦物為石英、莫來石、磁鐵礦、氧化鎂、生石灰及無水石膏等；非晶體礦物為玻璃體、無定形碳及次生褐鐵礦，其中玻璃體含量占50%以上【9】。

2.4 粉煤灰的結(jié)構(gòu)

粉煤灰的結(jié)構(gòu)是在粉煤灰燃燒和排除過程中形成的，比較復(fù)雜。在顯微鏡下觀察，粉煤灰是結(jié)晶體、玻璃體及少量未燃碳組成的一個(gè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的混合體【9】。

3 作為建材應(yīng)用的可行性

3.1 建材利用的可行性

由于粉煤灰的活性很高。粉煤灰在建材中應(yīng)用，其理論依據(jù)主要在于潛在的火山灰活性。而且粉煤灰中含有大量的球形或微珠狀的顆粒，具有較小的表面積，適于填充于混凝土的空隙，在混凝土用水量不變的情況下，能大大提高混凝土的凝結(jié)性能。

3.2 建材利用的特點(diǎn)

粉煤灰在建筑領(lǐng)域的利用具有如下特點(diǎn)：

(1)利用范圍廣。

(2)利用量大。

(3)利用程度高。

(4)節(jié)約能源，降低成本。

4 粉煤灰在建筑材料中的應(yīng)用

4.1 粉煤灰水泥

粉煤灰具有火山灰活性，能與堿性物質(zhì)發(fā)生“凝硬反應(yīng)”，生成水泥質(zhì)水化膠凝物質(zhì)。用作水泥或混凝土摻料時(shí)，減水效果顯著、有效改善混凝土和易性、增加抗壓和抗彎強(qiáng)度、提高抗?jié)B和抗蝕力，同時(shí)具有減少泌水和離析、降低透水和浸析、減少早期和后期干縮、降低水化熱和干燥收縮率等功效。還可利用其殘余碳 ，在煅燒水泥熟料時(shí)可節(jié)約燃料【10】，降低水泥的生產(chǎn)能耗。因此，粉煤灰用于水泥生產(chǎn)，體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益相結(jié)合，集中表現(xiàn)在節(jié)省燃料、增加產(chǎn)量、降低能耗、降低產(chǎn)品成本、改善水泥某些性能及保護(hù)環(huán)境方面，是一種有發(fā)展前途的新型綠色建筑材料。

4.2 粉煤灰混凝土

4.2.1 粉煤灰混凝土

泛指摻加粉煤灰的混凝土。粉煤灰在混凝土中主要有4個(gè)作用： 改善新拌混凝土和易性；提高混凝土后期強(qiáng)度；降低混凝土水化熱；抑制混凝土堿骨料反應(yīng)。

實(shí)踐證明配置混凝土混合料時(shí)，摻入一定數(shù)量和質(zhì)量的粉煤灰，可達(dá)到改善混凝土性能、節(jié)約水泥、提高混凝土和工程質(zhì)量，以達(dá)到降低成本和工程造價(jià)的目的，實(shí)現(xiàn)粉煤灰經(jīng)濟(jì)效益和社會效益一體化。李中原【11】采用高摻量粉煤灰和多功能防水劑制備出28d強(qiáng)度達(dá)53.4MPa、且工作性能好、耐久性高的高性能混凝土，早期強(qiáng)度也明顯提高。即使摻量高達(dá)40%，其28d設(shè)計(jì)強(qiáng)度仍可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 綠色高性能高摻量粉煤灰混凝土

高摻量粉煤灰混凝土（＞40%）不僅可以減少資源浪費(fèi)，還可減少環(huán)境污染。高摻量粉煤灰混凝土后期強(qiáng)度、和易性、水化熱、抗凍性等方面都比普通水泥好得多【12】，具有很高的機(jī)械性能和耐久性， 主要應(yīng)用在路基和筑壩工程中。

4.2.3 粉煤灰加氣混凝土

它的主要原料為70%粉煤灰，剩下30%為石灰、水泥、石膏、發(fā)氣劑等。產(chǎn)品有粉煤灰加氣混凝土砌塊和粉煤灰加氣混凝土屋面板。

4.2.4 粉煤灰混凝土砌塊

混凝土砌塊包括普通混凝土砌塊、輕集料混凝土砌塊和粉煤灰混凝土砌塊等，被認(rèn)為是粘土磚的最理想替代產(chǎn)品。生產(chǎn)粉煤灰混凝土砌塊主要原料為粉煤灰、集料、水泥等，并經(jīng)計(jì)量配料、攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)等工序制成。粉煤灰既是摻合料又是細(xì)集料。具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、節(jié)約能源和減少開支等經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢，同時(shí)還具有隔音、隔熱等效果。一般認(rèn)為粉煤灰混凝土砌塊中粉煤灰的用量應(yīng)≥30%，各項(xiàng)性能指標(biāo)為：抗壓強(qiáng)度≥2.5～10.0MPa；抗凍性D25合格；碳化系數(shù)≥0.8；軟化系數(shù)≥0.75；吸水率、干燥收縮依強(qiáng)度等級不同而不同。

4.2.5 粉煤灰混凝土路面磚

粉煤灰混凝土路面磚以水泥和粉煤灰為混合膠結(jié)料，再配以粗骨料等，經(jīng)計(jì)量攪拌、 成型、養(yǎng)護(hù)制成。變更成型的模具可制成方磚、連鎖路面磚、仿古磚、綠化種草磚、路沿磚塊及其它形狀的路面磚等。磚的性能要求：抗壓強(qiáng)度≥20.0MPa；抗折強(qiáng)度≥30MPa；耐磨性、吸水率抗凍性能符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。粉煤灰混凝土路面磚具有普通混凝土路面磚的優(yōu)點(diǎn)和用途，但其長期性能更好。

4.3 粉煤灰墻體材料

4.3.1 粉煤灰磚

粉煤灰磚主要有蒸養(yǎng)粉煤灰磚和燒結(jié)粉煤灰磚。蒸壓粉煤灰磚是一種含有潛在活性的水硬性材料。研究表明蒸壓粉煤灰磚強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定和生產(chǎn)周期短，適宜于大批量生產(chǎn)，還能替代粘土實(shí)心磚建造6層以下民用建筑和廠房承重墻的建造【13】。燒結(jié)粉煤灰磚產(chǎn)品尺寸標(biāo)準(zhǔn)，棱角整齊，外觀較美，而且耐久性好，其力學(xué)性能與普通粘土磚相當(dāng)，保溫隔熱性能優(yōu)于普通磚，表觀密度比普通磚小。使用粉煤灰砌塊與粘土磚砌體相比，每立方米能節(jié)約水泥40%~50%【14】。

4.3.2 用作襯砌材料

用固化劑(HAS)固化粉煤灰作襯砌防滲材料，防滲和抗凍性能都比傳統(tǒng)材料高，而且，工程造價(jià)比傳統(tǒng)的材料節(jié)約將近30%，所以用固化劑(HAS)對粉煤灰、石屑、煤渣進(jìn)行固結(jié)的材料是渠道防滲的理想材料【15】。除在渠道防滲上應(yīng)用外，還在建造電廠灰壩護(hù)坡、水庫加固護(hù)坡和海堤護(hù)坡等很多工程上有廣泛的應(yīng)用。

4.4 粉煤灰微晶玻璃

主要用粉煤灰等礦物和化工原料，經(jīng)過配制、熔融、成型、切割與拋光后形成的一種高檔工業(yè)材料，具有玻璃和陶瓷的雙重特性。結(jié)構(gòu)致密、晶粒分布均勻、高強(qiáng)、耐磨、耐蝕、外觀紋理清晰、色彩鮮艷、無色差、不褪色，較天然花崗石、陶瓷更具有靈活的裝飾設(shè)計(jì)和更佳的裝飾效果，而且保護(hù)了環(huán)境，被認(rèn)為是21世紀(jì)現(xiàn)代建筑群理想的高級綠色建材。

4.5 生產(chǎn)輕集料

適于燒制輕集料的粉煤灰主要是含SiO2、Al2O3，其含碳量低于13%。粉煤灰的性質(zhì)和成分決定輕集料的質(zhì)量。

4.6 粉煤灰泡沫玻璃

據(jù)國外報(bào)道，以粉煤灰、親和性很強(qiáng)的火山灰和無定型結(jié)晶碳粉為原料經(jīng)過粉磨制料、壓坯、燒結(jié)過程制成泡沫陶瓷。具有良好的抗散裂和比電阻特性，表面密度0.46~0.50，抗折強(qiáng)度3.4~7.2MPa，是一種高強(qiáng)度、吸音隔熱、耐熱沖擊好的泡沫材料，可用于生產(chǎn)輕質(zhì)磚、輕質(zhì)隔墻板等制品。

4.7 粉煤灰用作路基填料

粉煤灰用于修筑道路路基，不僅解決了路基填料的問題，而且也為粉煤灰的再次利用開辟了一條新的途徑。由于比重小，易壓實(shí)，壓實(shí)含水率高，對含水率不敏感，抗堿強(qiáng)度比天然材料高，不受天氣變化影響，在施工中可以縮短建設(shè)工期，降低造價(jià)【16、17】。

4.8 水泥粉煤灰膨脹珍珠巖混凝土保溫砌塊

以水泥作膠結(jié)料，粉煤灰既作膠結(jié)料又作細(xì)集料，膨脹珍珠巖作輕集料經(jīng)過按配合比計(jì)量并預(yù)混合均勻，加水?dāng)嚢?、成型、脫模、養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的過程即得水泥粉煤灰膨脹珍珠巖混凝土保溫砌塊。其性能要求：材料密度770kg/m3；材料導(dǎo)熱系數(shù)0.176W/(m·K)；抗壓強(qiáng)度2.05MPa；空心率42%；吸水率32.3%。具有質(zhì)量輕、保溫性能好的特點(diǎn)。影響密度與強(qiáng)度的因素有：珍珠巖摻量、粉煤灰與水泥比例以及過程控制。為了提高砌塊強(qiáng)度，還可加入適量的外加劑。

4.9 大摻量粉煤灰防水隔熱材料

是以廢舊泡沫塑料為輕集料(體積約占70%以上)，以粉煤灰為主體(重量占約80%)，具有防水隔熱功能的綠色建筑材料。其主要性能指標(biāo)為：隔熱主層體積密度632kg/m3；抗折強(qiáng)度1.6MPa；抗壓強(qiáng)度2.7MPa；導(dǎo)熱系數(shù)0.101W/(m·K)；抗凍性(15次)：無裂紋、脫皮、剝落等損壞現(xiàn)象；抗?jié)B性：頂面飽和浸泡7天底面不滲水、不潮濕【18】。具有原料來源廣，節(jié)能利廢率高；獨(dú)特的斜面式設(shè)計(jì)；隔熱自防水效果好等優(yōu)點(diǎn)。

4.10 混凝土輕質(zhì)隔墻板

在GRC輕質(zhì)墻板的基礎(chǔ)上，配料時(shí)加入部分粉煤灰可生產(chǎn)輕質(zhì)隔墻板。另外，也可不抽孔，加少許短切纖維，澆注輕質(zhì)墻板。

4.11 粉煤灰陶粒

它是以粉煤灰為原料，加入膠結(jié)料和水，經(jīng)成球、燒結(jié)而成的人造輕骨料，用灰量大、質(zhì)輕、保溫、隔熱、抗沖擊，用其配制的輕混凝土容重大，抗壓強(qiáng)度高，適用于高層建筑或大跨度構(gòu)件，可減輕質(zhì)量，提高保溫性。

4.12 在建筑材料其他方面的應(yīng)用

粉煤灰礦物棉容重輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸音效果好，是一種優(yōu)質(zhì)保溫節(jié)能材料；作為石膏制品的填充劑，不僅摻量可達(dá)35%，還可作促凝劑，提高石膏制品的防水性；利用粉煤灰做瀝青填充料生產(chǎn)防水油氈，可使成本大大降低。此外，還可以利用制備纖維化灰絨、陶砂濾料，并在砂漿中代替部分水泥、石灰或砂石等。

5 我國應(yīng)用的現(xiàn)狀

我國粉煤灰綜合利用【9】始于建材領(lǐng)域，至今己有50多年的歷史，積累了一系列生產(chǎn)、利用和管理方面的經(jīng)驗(yàn)。就全國而言，生產(chǎn)建筑材料利用粉煤灰的量最大，約占利用總量的35 %【19】，而且利用途徑和方式也最多。生產(chǎn)的建筑材料主要有：粉煤灰水泥、代替粘土做水泥原料、普通水泥、硅酸鹽水泥、硅酸三鈣水泥、硫酸鋁酸鈣水泥、低體積質(zhì)量油田水泥、早強(qiáng)水泥等，有的粉煤灰摻量達(dá)75%；硅酸鹽承重砌塊和小型空心砌塊、加氣混凝土砌塊及板、燒結(jié)陶粒、燒結(jié)磚、蒸壓磚、蒸養(yǎng)磚、高強(qiáng)度雙免浸泡磚、雙免磚、鈣硅板等。

6 存在的問題

目前粉煤灰作為建筑材料存在如下問題。

（1）粉煤灰的成分含量地方差異較大，給粉煤灰的使用帶來了極大的不便；

（2）粉煤灰對混凝土的早期強(qiáng)度、抗凍性及鋼筋銹蝕等方面均存有負(fù)面影響；

（3）易出現(xiàn)裂紋，對養(yǎng)護(hù)制度和施工要求嚴(yán)格。

這些問題的解決是科研人員今后研究的重點(diǎn)。

7 加強(qiáng)粉煤灰在建材上的綜合利用的措施

7.1 轉(zhuǎn)變觀念，樹立“以用為主”的思想

改變傳統(tǒng)的把粉煤灰作為煤炭、電力生產(chǎn)過程中廢棄物的思想認(rèn)識，將其作為一種可利用的資源；改變傳統(tǒng)的粗放型增長方式，要變廢為寶，加以利用；要從“以堆存為主”逐步過渡到“以用為主”，重點(diǎn)放在利用，而不是堆存。

7.2 制定優(yōu)惠政策和懲罰性政策來鼓勵(lì)、規(guī)范粉煤灰的綜合利用

認(rèn)真研究國家對資源綜合利用的各項(xiàng)優(yōu)惠政策，落實(shí)好資源綜合利用減免所得稅、增值稅等優(yōu)惠政策，發(fā)揮政策的導(dǎo)向作用，充分調(diào)動(dòng)企業(yè)資源綜合利用的積極性。

7.3 大力推進(jìn)粉煤灰綜合利用技術(shù)進(jìn)步

瞄準(zhǔn)國際先進(jìn)水平，充分借鑒國內(nèi)外資源綜合利用新技術(shù)、新產(chǎn)品，加大研究、開發(fā)、利用力度，通過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)和開發(fā)，逐步建立技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、自主開發(fā)的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)制，通過技術(shù)改造，技術(shù)進(jìn)步，不斷提高資源綜合利用水平。

8 結(jié)語

綜上所述，在建筑材料應(yīng)用中，要根據(jù)不同粉煤灰的性質(zhì)來確定其應(yīng)用途徑，以發(fā)揮其最大優(yōu)勢。一些粉煤灰利用技術(shù)目前還不夠成熟和完善，這就要求我們加大對粉煤灰利用的研究與開發(fā)的力度，逐步完善不成熟的技術(shù)，積極采用國際先進(jìn)技術(shù)和裝備，不斷提高我國的粉煤灰利用技術(shù)水平，逐步縮小與國際水平的差距。若能合理利用，不僅能在節(jié)省資源、能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面取得顯著效益，更能發(fā)展多種實(shí)用性的新型建筑材料產(chǎn)品。

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