我國粉煤灰化學(xué)成分與理化性能及其應(yīng)用分析

劉 全，白志民，王 東，汪溢汀

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京 100083；2.黃石市鑫溢新材料科技有限公司，湖北 黃石 435109)

長期以來，煤炭一直是我國火電發(fā)電的主要燃料，2017年用于火力發(fā)電的煤炭總量約為19.002 5×108t[1]，占國內(nèi)煤炭總消耗量的49.26%，相應(yīng)產(chǎn)生了6.86×108t粉煤灰。近20年來，我國的火電裝機(jī)容量以及粉煤灰產(chǎn)量出現(xiàn)了同步大幅增長趨勢，2017年的火電裝機(jī)容量和粉煤灰的產(chǎn)量較2000年分別增長了4.65倍和4.57倍[1]。從1979年至2018年粉煤灰的產(chǎn)量及變化趨勢看(圖1)，粉煤灰產(chǎn)量的年均增長率約為13.42%，但2000年至2017年的年均增長率達(dá)到了19.85%，增長速率明顯加快。大量研究證實，粉煤灰這一大宗硅酸鹽固體廢棄物是具有明顯應(yīng)用價值和廣闊應(yīng)用空間的資源。長期以來，以粉煤灰資源化利用為目標(biāo)，廣泛開展了粉煤灰化學(xué)成分、物理性能和物相組成的評價研究，積累了大量資料，推動了粉煤灰資源化加工與開發(fā)利用的進(jìn)程。本文收集了已公開發(fā)表的與我國粉煤灰化學(xué)成分和理化性能有關(guān)的近600個樣品的數(shù)千個數(shù)據(jù)，對主要氧化物和典型理化性能的變化特點及其規(guī)律進(jìn)行了歸納總結(jié)，對化學(xué)成分與理化性能的內(nèi)在聯(lián)系以及化學(xué)成分和物化性能及工程應(yīng)用的關(guān)系進(jìn)行了分析討論，以期為粉煤灰的工藝技術(shù)性能評價及其應(yīng)用技術(shù)研究提供有價值的資料與可借鑒的研究思路。粉煤灰物相組成也是影響其資源化利用的重要因素，將另文專門討論。

1 我國粉煤灰的化學(xué)成分特點

我國粉煤灰的化學(xué)成分及其變化(表1和圖2)具有如下特點。

圖1 近40年來我國粉煤灰年產(chǎn)量變化趨勢

表1 粉煤灰化學(xué)成分

圖2 粉煤灰化學(xué)成分變化

(1)SiO2變化范圍較大(19.11%～66.72%)，平均值48.80%，樣品分布總體呈正態(tài)分布。其中，有72.8%樣品的SiO2含量變化40%～58%之間，而含量高于64%和低于37%樣品相對較少。

(2)Al2O3含量變化的總體特點與SiO2類似，也呈正態(tài)分布，其中有89.5%樣品的Al2O3含量變化在15%～40%之間，含量高于40%和低于15%樣品相對較少。盡管Al2O3含量≥40%的高鋁粉煤灰[2-3]樣品所占比例不高，但其作為高鋁固廢的高附加值綜合開發(fā)利用取得了突破進(jìn)展[4-5]，已經(jīng)成為變廢為寶的典范。我國高鋁粉煤灰主要產(chǎn)自準(zhǔn)格爾煤田，這里年產(chǎn)高鋁煤炭約1×108t，約產(chǎn)生3 000×104t高鋁粉煤灰。高鋁煤炭中不可燃礦物主要為高嶺石(含量27.2%)和勃姆石(含量8.7%)，煤灰中Al2O3含量高于40%，高鋁粉煤灰蘊(yùn)藏總量達(dá)70×108t[3，6]，開發(fā)前景廣闊。

(3)Fe2O3的最高含量達(dá)到22.4%，但有92.9%樣品的Fe2O3含量都低于14%，高于14%者僅占樣品總數(shù)的7.1%。進(jìn)一步細(xì)分，有52.2%樣品的Fe2O3含量低于6%，有69.7%樣品的Fe2O3含量低于8%。研究發(fā)現(xiàn)，我國西南地區(qū)粉煤灰鐵含量大都較高，屬富鐵粉煤灰[7]。磁鐵礦和赤鐵礦是粉煤灰中鐵的主要賦存礦物，但它們大多與其他物相粘結(jié)成集合體，采用磁選法提取磁性鐵礦物時需進(jìn)行磨礦處理[8]。同時，富鐵粉煤灰作為聚硅酸鋁鐵復(fù)合絮凝劑的原料具有優(yōu)勢[9]。

(4)CaO含量變化范圍較大，但絕大多數(shù)樣品(83.2%)的CaO含量低于6%，且有44.1%樣品的CaO含量集中在2%～4%之間。CaO含量較大的變化范圍以及高鈣粉煤灰的出現(xiàn)，與流化床鍋爐燃料中添加碳酸鈣脫硫劑以及燃煤電廠干法(半干法)煙氣脫硫過程中亞硫酸鈣混入粉煤灰有關(guān)[10]。對于沒有外來鈣混入的粉煤灰，其鈣物質(zhì)主要源自原煤中的方解石和白云石等碳酸鹽礦物[2，11]，大多屬于低鈣粉煤灰。MgO含量明顯低于CaO，但其變化特點及其影響因素與CaO高度相似，絕大多數(shù)樣品(89.8%)的MgO含量低于2.1%，且有71.9%樣品的MgO含量集中在0.6%～1.5%之間。高鎂粉煤灰的出現(xiàn)也與發(fā)電過程中白云石脫硫劑的混入有關(guān)。

(5)Na2O和K2O的含量相對較低(圖3)。Na2O和K2O的最高含量分別為2.61%和3.9%，平均含量分別為0.42%和1.1%。有95.1%的樣品Na2O含量低于1.2%，而K2O含量低于2.2%的樣品占總量的93%。多數(shù)粉煤灰以富K2O貧Na2O為特征(K2O/Na2O＞1)，只有6.2%的樣品的K2O/Na2O小于1；K2O/Na2O最大值接近10，但大多數(shù)樣品的K2O/Na2O在1～5之間。粉煤灰中的鉀可能主要來源于煤炭中的伊利石，而部分鈉較高者可能受鈉長石影響[12，13]。迄今，尚未見有粉煤灰中有富鉀和/或鈉的結(jié)晶相存在的報道，推測它們主要呈硅酸鹽玻璃態(tài)形式存在。

圖3 粉煤灰K2O/Na2O變化

(6)SO3變化在0.03%～8.44%之間，但其平均值只有0.92%，且有92%樣品的SO3含量低于3%。SO3主要源于煤炭中的無機(jī)硫(如黃鐵礦、白鐵礦、磁黃鐵礦，石膏、硬石膏[12，13，15]和有機(jī)硫(二硫化物、硫化物、硫醚)[16]。研究發(fā)現(xiàn)[15]，內(nèi)蒙古東北部地區(qū)煤炭中硫含量大多低于1%；華北地區(qū)煤炭硫含量大多在1.5%左右；山東、安徽、浙江、湖南、湖北、廣東等地煤炭的硫含量大多高于2%；廣西等地硫含量大多高于4%；云貴川地區(qū)硫含量在3%～5%之間[16]?？傮w看，粉煤灰中SO3含量主要受煤炭本身硫含量制約，同時也受燃燒與脫硫技術(shù)影響[18]，具體表現(xiàn)在：未經(jīng)洗選的原煤燃燒產(chǎn)生的粉煤灰以及采用循環(huán)流化床、型煤以及水煤漿燃燒等工藝產(chǎn)生的粉煤灰，硫含量大多繼承了原煤的特征，硫含量變化較大；脫硫后煤炭燃燒產(chǎn)生的粉煤灰的SO3含量一般較低；采用干法或半干法脫硫技術(shù)產(chǎn)生的粉煤灰，往往有脫硫石膏的混入，硫含量較高。

(7)燒失量變化范圍較大，從接近0至34.85%。分析發(fā)現(xiàn)，燃煤鍋爐類型與燃燒狀態(tài)是影響燒失量的主要因素[21-23]。一般而言，煤的燃燒越充分，殘留碳越少，粉煤灰的燒失量越低；采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，特別是以煤矸石為燃料產(chǎn)生的粉煤灰大多具有較高的燒失量。

2 我國粉煤灰的典型理化性能

我國粉煤灰的典型理化性能及其變化(表2、圖4)具有如下特點。

表2 我國粉煤灰典型理化性能一覽表

(1)粉煤灰的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量變化范圍較大，在87.3%～147%之間。按GB/T1596-2017(以下簡稱規(guī)范)對攪拌砂漿和混凝土用粉煤灰理化性能要求與分級，Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級粉煤灰分別占20.3%、34.6%和33.8%，不合格品占11.3%。從需水量與燒失量的關(guān)系看，燒失量越高，表明其未燃盡碳含量越高，需水量就越大。

(2)粉煤灰的密度變化范圍較大，但有93.1%的樣品達(dá)到規(guī)范規(guī)定的合格品的要求，不合格者僅有6.9%。從影響粉煤灰密度的因素看，具有封閉氣孔的“漂珠”含量越少，粉煤灰的密度越大；球形“沉珠”以及鐵及其含鐵礦物含量越高，粉煤灰的密度越大。

(3)粉煤灰的強(qiáng)度活性指數(shù)也有較大的變化范圍，且其平均值(74.14%)略高于規(guī)范規(guī)定的≥70%的要求。此外，有67.4%樣品的強(qiáng)度活性指數(shù)大于70%，屬于合格品，其余的32.6%不合格。

(4)粉煤灰的體積密度的變化范圍也較大，但其平均值只有835.62kg/m3，明顯低于煤矸石、選礦尾礦、冶煉渣等大宗硅酸鹽固體廢棄物。目前，在粉煤灰資源化利用技術(shù)規(guī)范中尚未對其體積密度做出具體規(guī)定。

3 粉煤灰的應(yīng)用分析

粉煤灰這一大宗硅酸鹽固體廢棄物的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛[27，28]，以其火山灰活性為基礎(chǔ)的應(yīng)用領(lǐng)域(如水泥混合材、水泥混凝土、加氣混凝土、礦山充填)消耗量最大(約占總量的60%)[28]，技術(shù)最為成熟，并形成了配套的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范(如GB/T1596-2017、JC/T 409-2016)。

規(guī)范和ASTM C618[29]，依據(jù)產(chǎn)生粉煤灰的燃煤類型將粉煤灰劃分為C類和F類兩類。C類是由褐煤或次煙煤燃燒產(chǎn)生的粉煤灰，F(xiàn)類是由無煙煤或煙煤燃燒產(chǎn)生的粉煤灰；相對于F類，C類往往具有更高的CaO和MgO，而SiO2、Fe2O3和C的含量較低。

圖4 粉煤灰典型理化性能變化

(1)前已述及，SiO2、Al2O3和Fe2O3是粉煤灰中含量最高的氧化物，且主要賦存在非晶態(tài)玻璃相中。它們的含量及其賦存狀態(tài)對粉煤灰的火山灰活性及其膠凝性質(zhì)具有顯著影響，因而規(guī)范和ASTM C618[29]都對三者含量之和(SiO2+Al2O3+Fe2O3)作為拌制砂漿和混凝土以及水泥活性混合材的重要指標(biāo)，具 體 規(guī) 定 為：(SiO2+Al2O3+Fe2O3)＞50%為C類，＞70%為F類。從這一約束性指標(biāo)看，我國的粉煤灰有92.8%屬于F類，6.5%屬于C類，不能歸為上述兩類者僅占0.6%(圖5)。一般而言，F(xiàn)類粉煤灰的火山灰活性更高，它在室溫下與氫氧化鈣反應(yīng)形成膠凝化合物的能力更強(qiáng)。

(2)基于燃煤類型提出的粉煤灰分類并未考慮外來物質(zhì)的混入，然而實際情況并非如此。以CaO為例，除了燃煤帶來的鈣物質(zhì)外，以環(huán)境保護(hù)為目的加入到煤炭中的碳酸鈣脫硫劑以及煙氣脫硫過程混入的鈣鹽也導(dǎo)致鈣增高并出現(xiàn)復(fù)雜變化的因素。通常情況下，F(xiàn)類CaO含量較低，而C類CaO含量較高。但 圖6顯 示，(SiO2+Al2O3+Fe2O3)含 量 高 于70%的F類，仍 有 約7.3%樣 品 的CaO高 于10%(圖6 F-2區(qū))。同 樣，(SiO2+Al2O3+Fe2O3)含 量 介于50%～70%之間的C類，仍有約47.1%樣品的CaO低于10%(圖6C-1區(qū))。至于鈣含量對使用性能與效能的影響，應(yīng)結(jié)合鈣的賦存狀態(tài)具體分析：①對于由煤炭帶入或以方解石或白云石為脫硫劑加入到煤炭中且經(jīng)過高溫燃燒過程的鈣，其在高溫下大多與硅、鋁和鐵反應(yīng)形成了具有水化—膠凝性質(zhì)的硅酸鈣、鋁酸鈣和鐵鋁酸鈣等，應(yīng)該屬于有益組分；②對于采用干法或半干法脫硫工藝排出的粉煤灰，其中的鈣部分呈半水亞硫酸鈣(CaSO4·1/2H2O)存在。如果半水亞硫酸鈣含量過高，可能會給水泥或混凝土產(chǎn)生不利影響。因此，規(guī)范增加了測定粉煤灰中游離氧化鈣(f-CaO)的要求，并規(guī)定了攪拌砂漿和混凝土以及水泥活性混合料用F類和C類粉煤灰的f-CaO含量應(yīng)分別≤1.0%和≤4.0%。

(3)大量研究證實，粉煤灰中的硫大多以硫酸鹽形式存在。適量的硫酸鹽可以提高水泥混凝土的早期強(qiáng)度，但過量時可形成對混凝土結(jié)構(gòu)不利的鈣礬石。因此，規(guī)范對粉煤灰中SO3的含量做出規(guī)定，要求攪拌砂漿和混凝土用粉煤灰SO3的應(yīng)≤3.0%；用于水泥活性混合料粉煤灰的SO3應(yīng)≤3.5%。如果把(SiO2+Al2O3+Fe2O3)和SO3含量同時作為約束條件，我國有約91.8%的粉煤灰滿足攪拌砂漿和混凝土使用要求(圖7 A區(qū))，約95%的粉煤灰滿足水泥活性混合料使用要求(圖7 B區(qū))，不適宜上述三類用途者僅占0.5%(圖7 C區(qū))。

(4)燒失量是體現(xiàn)粉煤灰中未燃盡殘留炭多少的指標(biāo)，也是影響粉煤灰膠凝材料性能的關(guān)鍵組分之一。研究認(rèn)為，殘留炭屬于惰性組分，含量過高將導(dǎo)致粉煤灰活性變差；同時，炭含量過高將使混凝土需水量增加，相應(yīng)降低密實度；還有，碳粉在混凝土凝固泌水過程中往往集中于混凝土的面層，會對面層性能造成負(fù)面影響。規(guī)范按燒失量將攪拌砂漿和混凝土用粉煤灰劃分為三個等級，限定Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級粉煤灰的燒失量應(yīng)分別≤5.0%，≤8.0%和≤10.0%；用于水泥活性混合料的粉煤灰燒失量應(yīng)≤8.0%。由圖8可見，我國粉煤灰符合攪拌砂漿和混凝土用Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級燒失量要求的比例分別為53.2%、19.9%和7.2%，其余的19.7%達(dá)不到使用要求；達(dá)到水泥活性混合料用粉煤灰燒失量要求者占73.1%。

(5)需水量比直接影響粉煤灰混凝土的工作性能以及混凝土的干縮性、強(qiáng)度和耐久性。一般而言，需水量比越小，混凝土的工作性就能越好，混凝土的體積收縮率就越小，密實度和強(qiáng)度就越高，耐久性就越好。規(guī)范按需水量比將攪拌砂漿和混凝土用粉煤灰劃分為三個等級，限定Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級粉煤灰的需水量比應(yīng)分別≤95%，≤105%和≤115%。由圖9可見，我國粉煤灰符合攪拌砂漿和混凝土用Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級需水量要求的比例分別為20.30%、35.34%和33.08%，其余的11.28%達(dá)不到使用要求。

(6)強(qiáng)度活性指數(shù)是直接反映粉煤灰火山灰活性和膠凝性質(zhì)的重要指標(biāo)，用實驗?zāi)z砂與對比膠砂在規(guī)定齡期的抗壓強(qiáng)度之比(%)表示。規(guī)范對粉煤中強(qiáng)度活性指數(shù)做出規(guī)定，要求攪拌砂漿和混凝土以及水泥活性混合料用F類和C類粉煤灰的強(qiáng)度活性指數(shù)都應(yīng)≥70%。從(SiO2+Al2O3+Fe2O3)和強(qiáng)度活性指數(shù)兩個維度考察(圖10)，我國有69.43%的粉煤灰滿足使用要求。

(7)規(guī)范對粉煤中的密度做出規(guī)定，要求攪拌砂漿和混凝土以及水泥活性混合料用F類和C類粉煤灰的密度都應(yīng)≤2.6g/cm3。從(SiO2+Al2O3+Fe2O3)和密度兩個維度考察(圖11)，我國有93.5%的粉煤灰滿足攪拌砂漿和混凝土以及水泥活性混合料使用要求。

4 討論

(1)燒失量與需水量的關(guān)系：從燒失量和需水量兩個維度考察(圖12)，達(dá)到規(guī)范規(guī)定的Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級品的比例分別為20%、24.2%和28.4%，而不合格者達(dá)27.4%。從燒失量與需水量關(guān)系看，燒失量越高(殘余炭含量越高)，需水量也相應(yīng)較高。對于這種粉煤灰，可以通過除炭工藝降低燒失量而使需水量滿足使用要求。但是，那些燒失量不高而需水量較大的粉煤灰，較高的需水量可能與開孔玻璃體含量高有關(guān)。對于這類粉煤灰，通過技術(shù)手段降低粉體自身需水量的難度較大。

(2)粉煤灰SiO2和Al2O3含量與物相：大量研究證實，粉煤灰中主要硅酸鹽礦物為石英和莫來石，非晶相以玻璃體最多(約占總質(zhì)量的50%～80%)。其中，石英大多是煤炭燃燒過程中石英的熔融殘余，晶體結(jié)構(gòu)仍呈低溫態(tài)。莫來石則是煤炭燃燒過程中高嶺石等粘土礦物原位分解相變的產(chǎn)物。至于高嶺石轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊硎^程中析出的SiO2，主要呈非晶相賦存在玻璃體中，而沒有像陶瓷制品中那樣結(jié)晶為方石英，可能與高嶺石相變速度快以及粉煤灰冷卻迅速有關(guān)。上述特點決定了粉煤灰中SiO2和Al2O3的賦存狀態(tài)[30]、變化規(guī)律及其應(yīng)用效果，具體表現(xiàn)為：①粉煤灰中石英以及可溶性SiO2含量與粉煤灰的SiO2含量之間并無明顯的規(guī)律性，而玻璃態(tài)SiO2含量與粉煤灰的SiO2含量呈正相關(guān)關(guān)系。分析認(rèn)為，石英的火山灰活性很低，無論其含量高低，對膠凝性能的貢獻(xiàn)很??；相反，可溶性SiO2火山灰活性很強(qiáng)，但其含量總體不高(一般不超過2%)，因而對膠凝性能的貢獻(xiàn)也不是很大；與石英和可溶性SiO2不同，粉煤灰中玻璃態(tài)SiO2含量高，且與SiO2總含量呈正相關(guān)關(guān)系，因此將SiO2總含量作為評價粉煤灰火山灰活性及應(yīng)用效能的主要組分具有合理性和實際意義；②粉煤灰中可溶性Al2O3的含量比可溶性SiO2含量高，但其與粉煤灰的總Al2O3含量之間并無明顯的變化規(guī)律；相反，粉煤灰中莫來石含量以及玻璃態(tài)Al2O3含量都與總Al2O3含量之間呈現(xiàn)呈正相關(guān)關(guān)系。具體看，莫來石的火山灰活性很低，無論含量高低，其對膠凝性能的貢獻(xiàn)都很??；相反，可溶性Al2O3和玻璃態(tài)Al2O3對膠凝性能的貢獻(xiàn)很顯著；與玻璃態(tài)SiO2類似，將Al2O3總含量作為評價粉煤灰火山灰活性及應(yīng)用效能的主要組分也具有合理性和實際意義。

圖5 (SiO2+Al2O3+Fe2O3)含量分布

圖6 (SiO2+Al2O3+Fe2O3)-CaO關(guān)系

圖7 (SiO2+Al2O3+Fe2O3)-SO3關(guān)系

圖8 (SiO2+Al2O3+Fe2O3)-燒失量關(guān)系

圖9 (SiO2+Al2O3+Fe2O3)-需水量比關(guān)系

圖10 (SiO2+Al2O3+Fe2O3)-強(qiáng)度活性指數(shù)關(guān)系

圖11 (SiO2+Al2O3+Fe2O3)-密度關(guān)系

(3)規(guī)范對粉煤灰的定義中，并不包括由循環(huán)流化床(CFB)鍋爐燃燒收集的粉末。近年來，我國以煤矸石、風(fēng)化煤及煤泥等低熱煤為燃料的循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電裝置廣泛應(yīng)用，每年產(chǎn)生CFB粉煤灰約(0.8～1.0)×108t[31]。這類粉煤灰是在燃燒溫度850～900℃和添加固硫劑的條件下產(chǎn)生的，它的鈣和硫含量顯著高于煤粉爐粉煤灰，且含有較多的硬石膏(CaSO4)及游離氧化鈣(f-CaO)；它的球形玻璃微珠含量低，粒徑較大，顆粒形態(tài)不規(guī)則，結(jié)構(gòu)疏松，呈渣狀。這類粉煤灰用作膠凝材料對混合料的工作性能(需水量大)及制品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有不良影響(膨脹率高、早期強(qiáng)度低)。但是，這類粉煤灰球形玻璃體含量低，疏松多孔的顆粒與橡膠的交聯(lián)點更豐富，且較高的未燃盡炭具有類似炭黑的補(bǔ)強(qiáng)作用，用作橡膠填料具有獨特優(yōu)勢，是值得重視的應(yīng)用途徑和方向[32]。

(4)對于鉀和鈉總和較高的粉煤灰，作為水泥混凝土摻合料是否出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)而影響制品結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用性能目前尚無定論，故規(guī)范并未對粉煤灰的堿含量給出具體指標(biāo)限定與約束，而是給出了堿含量按Na2O+0.658K2O計算的公式；同時建議，當(dāng)粉煤灰應(yīng)用中有堿含量要求時，由供需雙方協(xié)議確定。美國ASTM C618對水泥混凝土用粉煤灰的Na2O含量也提出了非強(qiáng)制性要求，即Na2O≤1.5%。由此可見，粉煤灰的鉀和鈉含量以及作為水泥和混凝土摻合料對制品性能的影響，盡管目前尚無明確定論，但其是一個需要重視并值得持續(xù)深入開展研究的方向。

圖13 粉煤灰SiO2和Al2O3含量與物相關(guān)系

(5)除了廣為熟知且得到認(rèn)可的F型和C型分類方案外，Blissett和Rowson(2012)[33]也提出了基于粉煤灰化學(xué)成分(圖14a)和物相(圖14b)的分類方法。依據(jù)化學(xué)成分的分類中，作者將粉煤灰分為硅鋁質(zhì)(S)、鈣硅鋁質(zhì)(CS)、鐵鈣硅鋁質(zhì)(FCS)和鐵硅鋁質(zhì)(FS)4類，同時又按(SiO2+Al2O3+TiO2+P2O5)總含量將粉煤灰分為高酸度(HA)、中酸度(MA)和低酸度(LA)3種類型(圖14a)?；谖锵嗟姆诸愔?，作者將粉煤灰分為火山灰活性型(P)、惰性型(I)、混合型(M)和活性型(A)四類，同時又依據(jù)火山灰活性組分(玻璃質(zhì))含量將粉煤灰分為高火山灰性(HP)、中等火山灰性(MP)和低火山灰性(LP)三種類型(圖14b)。該分類方法的特色是試圖建立粉煤灰成分—物相—性能的內(nèi)在聯(lián)系，并指明不同類型粉煤灰的應(yīng)用或潛在方向和領(lǐng)域(表3)。但是，基于物相的分類需要定量測定粉煤灰中玻璃質(zhì)、石英、莫來石以及其他物相的含量，對測試手段以及技術(shù)人員的專業(yè)技術(shù)能力要求較高，以往積累資料較少，在工業(yè)生產(chǎn)中大面積推廣和應(yīng)用存在一定困難；而基于化學(xué)成分的分類方法更具有推廣使用價值和參考借鑒意義。

圖14 基于粉煤灰成分和物相的分類

按Blissett和Rowson(2012)分類方法，我國粉煤灰(圖15)以硅鋁質(zhì)(S)為主，占總量的78.5%；其次為鈣硅鋁質(zhì)(CS)，占12%；排第三位者為鐵硅鋁質(zhì)(FS)，占8.3%；鐵鈣硅鋁質(zhì)(FCS)最少，僅占1.2%。從酸度看，我國粉煤灰屬高酸度者約占10%，中酸度者為主體(約占76%)，低酸度者占14%。

5 結(jié)論與建議

(1)我國粉煤灰主要氧化物(包括燒失量)的平均含量及豐度變化順序為：SiO248.80%＞Al2O327.86%＞Fe2O36.14%＞燒失量 6.13%＞CaO 3.95%＞K2O 1.10%＞MgO 1.07%＞SO30.92%＞Na2O 0.42%。

表3 粉煤灰類型與應(yīng)用(分類類型與圖14對應(yīng))

圖15 我國粉煤灰成分分類圖(圖中符號同圖14)

(2)我國粉煤灰的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量變化在87.3%～147%，均值為104.89%；強(qiáng)度活性指數(shù)變化在21%～99.15%之間，均值為74.14%；密度變化在1.44～3.21g/cm3之間，均值為2.15g/cm3；體積密度變化在537～1 576kg/m3之間，均值為835.62kg/m3。

(3)以(SiO2+Al2O3+Fe2O3)含 量 進(jìn) 行 分 類，92.8%的粉煤灰屬F類，6.5%屬C類。以(SiO2+Al2O3+Fe2O3)和SO3含量同時作為約束條件，91.8%的粉煤灰滿足攪拌砂漿和混凝土使用要求，95%的粉煤灰滿足水泥活性混合料使用要求。以(SiO2+Al2O3+Fe2O3)和燒失量作為約束條件，符合攪拌砂漿和混凝土用Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級燒失量要求的比例分別為53.2%、19.9%和7.2%；相應(yīng)地達(dá)到水泥活性混合料用粉煤灰燒失量要求者占73.1%。以(SiO2+Al2O3+Fe2O3)和需水量作為約束條件，符合攪拌砂漿和混凝土用Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級需水量要求的比例分別為20.30%、35.34%和33.08%。從(SiO2+Al2O3+Fe2O3)和強(qiáng)度活性指數(shù)兩個維度考察，69.43%的粉煤灰滿足攪拌砂漿和混凝土使用要求。從(SiO2+Al2O3+Fe2O3)和密度兩個維度評價，93.5%的粉煤灰滿足攪拌砂漿和混凝土以及水泥活性混合料使用要求。以燒失量和需水量作為約束條件，符合Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級品要求的比例分別為20%、24.2%和28.4%。

(4)以應(yīng)用目標(biāo)為導(dǎo)向，系統(tǒng)深入開展粉煤灰化學(xué)成分、物相和理化性能評價十分必要，但確保分析樣品的代表性更為重要；規(guī)?；I(yè)應(yīng)用過程中，原料均化是保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的基礎(chǔ)，應(yīng)該高度重視并嚴(yán)格實施。還需要指出的是，長期以來我國對粉煤灰物相和理化性能以及工業(yè)應(yīng)用的技術(shù)—經(jīng)濟(jì)評價，特別是對成分—物相—性能的關(guān)系的研究大多不夠深入，對決定其工業(yè)應(yīng)用價值的技術(shù)與裝備研發(fā)相對滯后，一定程度上影響了粉煤灰資源化利用的效果、效能和效率。因此，加強(qiáng)粉煤灰成分—物相—性能—應(yīng)用效能內(nèi)在聯(lián)系的系統(tǒng)深入研究，強(qiáng)化粉煤灰大體量低成本高附加值工業(yè)化應(yīng)用配套技術(shù)與裝備研發(fā)，是提高粉煤灰資源化利用經(jīng)濟(jì)—環(huán)境—社會效益的重要途徑，具有重要理論意義和工業(yè)價值。