磨細爐底渣的性質(zhì)及其在泡沫混凝土中的應(yīng)用研究

魯永明 李之政 李 偉 張中玲 魏中華 王 宇

(1沈陽金鎧建筑科技股份有限公司，遼寧 沈陽 110179；2 北京城建集團有限責(zé)任公司工程總承包部，北京 100088；3江蘇省建工集團有限公司，江蘇 南京210036)

1 引 言

泡沫混凝土是特種混凝土的一種，具有質(zhì)輕，保溫，隔音等優(yōu)點。我國對泡沫混凝土的研究和應(yīng)用已有40余年的歷史，隨著建筑業(yè)的發(fā)展，泡沫混凝土的研究開始重新重視[1，2]。目前沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的優(yōu)質(zhì)粉煤灰及水泥活性混合材料的市場需求遠得不到滿足，并且泡沫混凝土在發(fā)展推廣過程中對粉煤灰的需求量也在加大，就更加凸顯了優(yōu)質(zhì)活性混合材料的緊缺。近年來，我國沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的粉煤灰綜合利用形勢很好，很多地方的干排粉煤灰甚至出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。然而在這些地區(qū)對占燃煤鍋爐所排灰渣20%左右的爐底渣的綜合利用仍然未受到應(yīng)有的重視。目前，國內(nèi)有少量的爐底渣作為建筑材料中的粗集料或細骨料使用，以取代部分河砂或碎石，國外則主要是將其作為道路的路堤和基層，這些利用方式的經(jīng)濟效益不高[3，4]。本文以熱電廠的爐底渣為例，對磨細爐底灰渣的物理化學(xué)性質(zhì)、火山灰活性進行了測試分析，并按照不同的比例摻量加入到泡沫混凝土制品中研究探討其強度、耐久性等性能，對爐底渣的綜合利用進行了可行性研究。

2 磨細灰渣物相及化學(xué)成分測試研究

某熱電廠的鍋爐屬亞臨界煤粉爐，燃燒溫度＞1200℃，爐底渣在高溫熔融狀態(tài)下經(jīng)過水淬處理后通過刮板撈渣機連續(xù)撈出，再經(jīng)碎渣機破碎，然后用輸渣皮帶機輸送至貯渣倉，用卡車運往灰渣場堆放。本次試驗所用的樣品取自該熱電廠所排放的濕爐底渣樣，編號為1”，2”，烘干備用。

2.1 磨細灰渣礦物相分析

采用ARLX1TRA型旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀對磨細灰渣的礦物相進行了分析，如圖1所示。X射線衍射峰較寬厚，說明其礦物相中玻璃體的含量占優(yōu)勢，結(jié)晶相物質(zhì)所占比例較低。在結(jié)晶相物質(zhì)中，晶體礦物相態(tài)也不是十分復(fù)雜，除了主要的晶體礦物相莫來石(3A1203·2SiO2)，α-石英(α-Si02)外，還含有少量的赤鐵礦，而且以α-石英較多，莫來石次之，赤鐵礦最少。

圖1 磨細灰渣的X射線衍射圖

2.2 磨細灰渣化學(xué)成分

采用ARL-9800型X射線熒光光譜儀(XRFS)對兩份磨細灰渣進行常量化學(xué)成分分析，分析結(jié)果表明(見表1)，磨細灰渣的Si02，A1203，和Fe2O3的總和都超過了85%，而Ca0含量均＜5%，其化學(xué)成分與低鈣粉煤灰比較類似[5]。

2.3 微量元素含量

利用XRFS對磨細灰渣中的微量元素含量進行了分析，分析結(jié)果表明(表2)，灰渣中所含可檢測到的微量元素種類較多，其中包括一些有毒、有害元素，但含量均不高，與國家農(nóng)用粉煤灰污染控制標準相比較，磨細灰渣中各種微量元素含量均不超標，允許應(yīng)用到建材中。

表1 磨細灰渣的常量化學(xué)成分(%)

表 2 熱電廠磨細灰渣中的微量元素含量×10-6

2.4 放射性元素含量

磨細灰渣的放射性元素含量是采用低本底多道γ能譜議測定的，放射性比活度則是根據(jù)其放射性元素含量通過放射化學(xué)法[6]計算而得，并按國家環(huán)?？偩诸C布的《建筑材料放射性核素限量(GB6566-2001)》[7]規(guī)定計算了其外照射和內(nèi)照射兩個指標。將檢驗樣品破碎，磨細至粒徑不大于0.16mm。將其放入與標準樣品幾何形態(tài)一致的樣品盒中，稱重(精確至1g)、密封。當(dāng)檢驗樣品中天然放射性衰變鏈基本達到平衡后，在與標準樣品測量條件相同情況下，采用體本低多道γ能譜儀能對其進行鐳－226、釷－232和鉀－40比活度測量，結(jié)果如表3所示，熱電廠磨細灰渣的放射性元素的比活度較小，將其摻入建筑材料中，符合國標(GB6566-2001)要求，不會造成放射性污染。

3 爐底渣最佳粉磨工藝及磨細渣的特性研究

3.1 爐底渣最佳粉磨工藝研究

決定粉煤灰品質(zhì)的最重要的3個指標為：細度、需水量比和燒失量。本實驗采用的熱電廠爐底灰渣的燒失量較小，可通過粉磨達到II級粉煤灰的細度，顯然，對爐底渣進行磨細，關(guān)鍵就是如何通過合適的粉磨工藝使磨細爐底渣的需水量比能盡量達到最小值。

試驗所用磨機型號SM-500，規(guī)格Ф500mm×500mm，轉(zhuǎn)速50r/min，球配為磨水泥熟料的標準球配，電機功率為1.5kW。由于1和2樣品的化學(xué)成分、礦物相等諸多特征均較相似，故本次粉磨試驗僅采用1樣品作為代表，每次入磨量為5kg，粉磨時間分別為10、20、30、40min等，到達預(yù)定粉磨時間后，對磨細灰渣進行相關(guān)測試，找出粉磨時間與出料的細度和需水量比之間的變化關(guān)系，當(dāng)磨細灰渣的需水量比達到最小時，以此確定為最佳粉磨時間。

表4為不同粉磨時間出料的細度(45μm篩余量)、比表面積和需水量比之間的關(guān)系，隨著粉磨時間的延長，磨細灰渣的細度逐漸減小，其比表面積呈增加的趨勢。但是當(dāng)粉磨時間由30min增加到40min時(表4)，爐底渣的需水量比變化不明顯，都是103%。這是由于隨著灰渣由粗變細，其堆積變密實，空隙體積減小，需水量比也就減少；但隨著灰渣由細變得更細，其比表面積也將增大，在顆粒表面形成水膜所需的水量增多，導(dǎo)致灰渣磨細到一定程度后，其需水量比的變化就不明顯。因此，若以最小需水量比作為判別標準，那么將最佳的粉磨時間確定為30min，相應(yīng)的出料細度(45μm篩余量)控制在10%左右，這時出料的需水量比最低；能使磨細灰渣達到Ⅱ級粉煤灰的需水量比≤105%的質(zhì)量標準。

3.2 磨細灰渣的顆粒特征及火山灰活性

3.2.1 磨細灰渣的顆粒級配特征

將4個經(jīng)不同粉磨時間的磨細灰渣采用美國S3500激光粒度分析儀進行了分析測試，隨著粉磨時間的延長，出料的平均粒徑逐漸減小，如粉磨10min樣品的平均粒徑為29.012μm，而粉磨40min樣品的平均粒徑則降為10.105μm。

圖2顯示了在粉磨過程中出料顆粒級配的變化特征關(guān)系，隨著粉磨時間增加，磨細出料中＜ 20μm的顆粒逐步增加，而介于20～45μm的顆粒含量幾乎不變，磨細出料中＞ 45μm的顆粒的含量則逐漸降低，這表明粉磨工藝對進料中＞45μm的顆粒較有效。實驗表明，通過標準球磨機(如本次研究所采用的)粉磨物料，要將進料中＜45μm的顆粒再磨細，效果將不會很明顯。由于粉磨初期進料中含較多的＞45μm的顆粒，導(dǎo)致了粉磨初期磨細出料的細度下降較明顯，隨著粉磨時間增加，粉磨進料中＞45μm的顆粒變少，粉磨出料的細度下降也就變得緩慢。也就是說，通過磨細工藝控制磨細出料的細度，受到一定的限制。因此，在實際工程中，根據(jù)設(shè)計目標和要求，可按對應(yīng)的磨機型號選取最佳粉磨時間來控制磨細灰渣的細度。

從圖2中可以看出，磨細灰渣主要為不規(guī)則薄片狀顆粒。

表3 磨細灰渣中各放射性元素含量及放射性比活度 Bq／kg

表4 粉磨時間對1號樣品的細度、比表面積、需水量比的影響

表5 摻有磨細灰渣及粉煤灰的水泥膠砂不同齡期強度

3.2.2 磨細灰渣的火山灰活性

本次研究評定材料的火山灰活性采用強度法，以純水泥砂漿為基準樣，依據(jù) (GB1596-2005)所規(guī)定的“抗折、抗壓強度”測定活性的方法，測定了磨細灰渣及粉煤灰的火山灰活性，這種方法能直接反映被測物對水泥基材料強度的貢獻，是目前國內(nèi)外公認的較好方法。測定結(jié)果見表5。其中Ⅱ級粉煤灰與磨細灰渣同一熱電廠。

圖2 磨細灰渣不同粉磨時間出料的粒徑分布直方圖

試驗結(jié)果表明(表5)，不同摻量的磨細灰渣的水泥膠砂3d的抗折、抗壓強度隨著灰渣細度的減小而增加；而不同細度爐底渣的28d抗折、抗壓強度的差異變小。磨細爐底渣的3d抗壓強度明顯優(yōu)于級Ⅱ粉煤灰的強度，表明其早強效果較好；隨著養(yǎng)護齡期的增長，磨細灰渣與級粉Ⅱ煤灰強度的差距變小，但28d時磨細灰渣的抗折和抗壓強度均仍然略高于Ⅱ級粉煤灰(細度相近時)。

4 磨細灰渣在泡沫混凝土中的應(yīng)用

泡沫混凝土的制備需要大量漿體，如果全部采用水泥膠凝材料，則成本較高，而且存在收縮過大等問題。因此在滿足基本性能需求的前提下大量采用活性或非活性摻合料成為泡沫混凝土制備過程不可或缺的部分。大量文獻研究中采用了不同摻合料制備泡沫混凝土，并研究了相關(guān)性能。喬歡歡、盧忠遠等[8]研究了硅灰、粉煤灰兩種活性摻合料下的泡沫混凝土抗壓強度、吸水率及抗凍性等性能，研究發(fā)現(xiàn)在泡沫混凝土中加入硅灰明顯提高早期強度，但會增加吸水率，且不利抗凍性能；粉煤灰的引入可提高抗凍性，摻入粉磨處理的粉煤灰可增加后期強度，降低吸水率，但對抗凍性的改善作用不大。

本次研究中采用相同的泡沫混凝土配合比，采用粉磨30分鐘的磨細灰渣與Ⅱ級粉煤灰同量摻加，為膠凝材料的20%，對7d和28d強度進行了測試，具體數(shù)值見表6。

從表6可以看出，同樣20%摻量的磨細灰渣的7d和28d的抗壓強度都高于20%摻量的Ⅱ級粉煤灰配制的泡沫混凝土?？梢哉f明，經(jīng)過磨細的爐底渣在泡沫混凝土中實現(xiàn)應(yīng)用是完全可以的。

5 結(jié) 語

1)磨細灰渣與Ⅱ級粉煤灰的火山灰性能對比試驗表明，磨細爐底渣的早期強要明顯優(yōu)于磨細級粉煤灰，28d的強度也仍然略高于Ⅱ級粉煤灰的，即磨細爐底渣的火山灰活性要優(yōu)于Ⅱ級粉煤灰。

2)在水泥-磨細灰渣-泡沫-水原料體系泡沫混凝土中，摻加適量磨細灰渣將有助于提高泡沫混凝土抗壓強度，同時可降低生產(chǎn)成本。

3)將爐底渣通過磨細優(yōu)化其品質(zhì)，應(yīng)用于泡沫混凝土，這在技術(shù)上是可行的。

表6 20%摻量磨細灰渣和粉煤灰在泡沫混凝土中的性能對比

[1]王永滋.粉煤灰泡沫混凝土的生產(chǎn)與應(yīng)用[J].福建建設(shè)科技,2001,2:35-36.

[2]高倩,王兆利,趙鐵軍.泡沫混凝土[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報,2002,23(3):113-115.

[3]王敏.爐底渣小型空心砌塊[J].磚瓦,2003,6:46-47.

[4]劉剛，金炯光，連鐵流.爐底渣在建筑砂漿中的應(yīng)用研究[J].吉林電力,2002,4:27-30.

[5]王福元,吳正嚴.粉煤灰利用手冊[M].北京:中國電力出版社,1997.

[6]楊福家,王炎森,陸福全.原子核物理[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2002.

[7]馬振珠,王南萍,楊欽元,任天山,王玉和.GB6566-2010建筑材料放射性核素限量[S].中國建筑材料工業(yè)協(xié)會，2010.

[8]喬歡歡,盧忠遠,嚴云,舒朗.摻合料粉體種類對泡沫混凝土性能的影響[J].中國粉體技術(shù),2008,14(6):38-41.