粉煤灰在水泥工業(yè)中綜合利用

李賀軍 王小平 謝安琴 羅會(huì)鵬 張羽生

（貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550000）

在水泥生產(chǎn)過(guò)程中可以通過(guò)在生料或者混合料中添加一定比例的粉煤灰就可以提升水泥的性能以及降低生產(chǎn)過(guò)程中的能耗水平。在水泥生料中利用粉煤灰代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黏土可以降低水泥熟料制作的能耗水平以及水泥材料的性能。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中需要通過(guò)粉煤灰細(xì)磨技術(shù)來(lái)不斷提高粉煤灰顆粒物的活性。

1 粉煤灰概述

火力發(fā)電廠在日常運(yùn)行過(guò)程中需要燃燒大量的煤炭來(lái)為人類(lèi)活動(dòng)提供足夠的電力能源供應(yīng)，在國(guó)內(nèi)較大火力發(fā)電規(guī)模導(dǎo)致每年可產(chǎn)生數(shù)億噸的粉煤灰廢棄物且對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)還需要占用大量的土地資源。如果對(duì)粉煤灰進(jìn)行填埋操作就會(huì)對(duì)周邊的植被、土壤、地表水等造成一定程度的影響或者污染。不過(guò)經(jīng)過(guò)多年的研究之后科研人員逐漸將粉煤灰應(yīng)用到水泥制造、建筑施工磚體制造、道路路基回填以及提升土壤肥力等多個(gè)方面。借助這種廢物利用的模式可以有效地減少粉煤灰造成的環(huán)境污染、資源浪費(fèi)以及提升經(jīng)濟(jì)效益。將粉煤灰應(yīng)用于水泥的生產(chǎn)中可以在很大程度上提高其利用效率和經(jīng)濟(jì)附加值，主要原因在于水泥材料的市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)比較高且銷(xiāo)路也非常好。國(guó)內(nèi)早在幾十年之前就開(kāi)始將粉煤灰運(yùn)用于水泥生產(chǎn)的配料或者水泥混合料之中，技術(shù)上已經(jīng)非常成熟［1］。

1.1 化學(xué)構(gòu)成

煤炭中或多或少的含有一些鐵元素、硅元素、鋁元素或者其他類(lèi)型的元素，這些物質(zhì)在高溫下燃燒就會(huì)形成氧化硅、氧化鐵以及氧化鋁等各種類(lèi)型的金屬氧化物。燃煤構(gòu)成元素方面的差異導(dǎo)致其在燃燒之后也會(huì)產(chǎn)生的粉煤灰在化學(xué)構(gòu)成方面也出現(xiàn)一定程度的差異化。燃煤中混雜的頁(yè)巖和黏土在燃燒后會(huì)產(chǎn)生較多的二氧化硅和二氧化碳，而粉煤灰中的三氧化鐵主要來(lái)自混雜在煤炭中的黃鐵礦石顆粒物，而煤炭中的碳酸鹽或者硫酸鹽在高溫作用下會(huì)產(chǎn)生氧化鈣、氧化鎂等化合物。粉煤灰中的氧化鈣、三氧化鐵以及三氧化鋁等材料在水化作用之下可以形成具有一定凝膠特性的化合物，從而提升混凝土材料的力學(xué)性能［2］。

1.2 物理性能

從微觀上來(lái)看粉煤灰中主要含有燃燒不充分的有機(jī)炭、玻璃體或者少量的晶體等。磁鐵礦或者石英等是粉煤灰中比較常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)；而粉煤灰中的玻璃體常常是形狀不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)或者體積小、空隙少的球形結(jié)構(gòu)。燃燒不充分的有機(jī)炭通常也是形狀不規(guī)則的多孔疏松結(jié)構(gòu)。

水泥中加水后會(huì)逐漸產(chǎn)生Ca（OH）2，而在其中加入粉煤灰之后還可以通過(guò)與氫氧化鈣的反應(yīng)來(lái)進(jìn)一步強(qiáng)化水泥漿液的硬化強(qiáng)度，加入粉煤灰的水泥配置成的混凝土材料往往在抗?jié)B性能方面具有更好的表現(xiàn)。在水泥中加入粉煤灰之后可以借助其微集料方面的特性來(lái)提升某些方面的物理性能，粉煤灰顆粒物大多是0.5到300微米的球形微小顆粒物且其表面的光滑性也比較高，加入粉煤灰的水泥在配置混凝土的過(guò)程中可以有效地減少其對(duì)水分的消耗量，這種效應(yīng)稱(chēng)為形態(tài)效應(yīng)。這些小的粉煤灰顆粒物可以對(duì)混凝土材料中的空隙進(jìn)行有效地填充，并提升其整體的凝膠特性，進(jìn)而憑借其優(yōu)異的性能來(lái)提升混凝土材料的致密程度。

2 綜合利用方式

2.1 用于生料配料

生產(chǎn)水泥的過(guò)程中常常將鐵粉、石灰石以及黏土等材料作為生料中的重要配料，化學(xué)構(gòu)成方面的相似性讓粉煤灰成為黏土的重要替代性材料，從水泥的生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看加入粉煤灰之后可以更好更快的生成活性氧化鈣，其固相反應(yīng)速度在一定的溫度范圍之內(nèi)會(huì)有所提升。

采用黏土作為水泥熟料燒制的配料時(shí)需要消耗一定的能源來(lái)對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，而粉煤灰本身就是煤炭經(jīng)過(guò)高溫煅燒之后形成的產(chǎn)物且其中還含有一些燃燒不徹底的煤炭顆粒，因而粉煤灰對(duì)黏土材料的代替可以在一定程度上減少水泥熟料燒制時(shí)的煤炭資源消耗量。國(guó)內(nèi)的企業(yè)最早在1997年時(shí)就利用粉煤灰來(lái)提高水泥熟料的產(chǎn)量以及減少其生產(chǎn)成本，而且最終生產(chǎn)出來(lái)的水泥熟料在質(zhì)量方面也有所提升。早期的水泥生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)候會(huì)因?yàn)樵现泻休^高比例的氧化鈉或者氧化鉀而產(chǎn)生較多的重量缺陷，主要表現(xiàn)在這些物質(zhì)在水泥回轉(zhuǎn)窖內(nèi)進(jìn)行加熱之后會(huì)形成結(jié)球或者結(jié)皮等現(xiàn)象。將濕排粉煤灰添加到水泥熟料燒制的配料中可以有效地減少以上不良情況的出現(xiàn)。

黏土中的二氧化硅含量比粉煤灰中要高而三氧化二鋁的含量則相對(duì)比較低，因而采用粉煤灰來(lái)代替黏土?xí)r必然會(huì)造成水泥生料中的鋁含量偏高而硅含量偏低，通常在這種情況下通過(guò)添加礦用劑的措施來(lái)對(duì)部分元素的含量進(jìn)行一定程度的校正。有研究人員對(duì)采用粉煤灰代替黏土之后的生料易磨性進(jìn)行研究后得出的結(jié)論是其易磨性下降了，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于生料中添加了礦用劑，與粉煤灰的使用沒(méi)有太大的關(guān)系。

2.2 用于水泥混合材料

國(guó)內(nèi)的道路交通、房屋建筑、工業(yè)生產(chǎn)以及公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等項(xiàng)目在過(guò)去的幾十年中得到了高速的發(fā)展，而國(guó)內(nèi)的水泥生產(chǎn)企業(yè)和水泥產(chǎn)量在這種情況的帶動(dòng)下也獲得了空前的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的水泥產(chǎn)量在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都維持在很高的水平且在全球產(chǎn)量中所占比重也很高，按照粉煤灰在水泥混合料中的參合比例來(lái)判斷，其每年的消耗量可以達(dá)到數(shù)億噸之多。

從粉煤灰的化學(xué)構(gòu)成來(lái)看將其與水進(jìn)行拌和時(shí)通常不會(huì)產(chǎn)生水泥材料所需的水硬性，但是對(duì)某些條件進(jìn)行改變之后也可以利用火山灰中的氧化物來(lái)形成具有凝膠特性的化合物，進(jìn)而促進(jìn)水泥凝固后的硬度。因而在制造水泥的過(guò)程中粉末，可以大量利用粉煤灰來(lái)提高其凝固后的強(qiáng)度效果。在制造粉煤灰水泥時(shí)需要將其中的粉煤灰用量控制在混合材料總量的20%到40%之間，而這一數(shù)值在復(fù)合硅酸鹽水泥中可以占到20%到50%之間，因而將以上兩種水泥材料的制備情況綜合在一起后可知其混合料中粉煤灰含量的上限是50%。然而在實(shí)踐過(guò)程中常常因?yàn)樯a(chǎn)工藝方面的因素將其實(shí)際的摻合量控制在不超過(guò)25%。

通過(guò)專(zhuān)門(mén)的研磨設(shè)備將粉煤灰破碎成更加細(xì)小的顆粒物可以有效地提高其反應(yīng)活性，因而選用粉煤灰作為水泥混合料時(shí)一般需要對(duì)其進(jìn)行研磨操作。因而不少企業(yè)長(zhǎng)期致力于研發(fā)對(duì)粉煤灰進(jìn)行超細(xì)研磨的機(jī)械設(shè)備和工藝技術(shù)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的超細(xì)粉煤灰可以將比表面積控制在每千克700到1000平方米的水平，進(jìn)而大幅度提高其在水泥混合料中的摻和比例。

工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)在粉煤灰中加入礦物激發(fā)劑之后可以提高其活性并通過(guò)配合使用石膏來(lái)增加水泥的強(qiáng)度。其方案是將礦物激發(fā)劑和粉煤灰混合在一起并制作成兩種重量和制造方法完全一致的對(duì)照組，第一組的測(cè)試方法是將混合成球狀并經(jīng)過(guò)烘干的混合料研磨成一定粒度的粉末，第二組的測(cè)試方法是將相同狀態(tài)的混合料進(jìn)行一定時(shí)長(zhǎng)的高溫煅燒，然后對(duì)比這兩組混合料配置成的水泥強(qiáng)度后發(fā)現(xiàn)前者的比后者效果更好。

將粉煤灰磨成細(xì)小的顆粒物并將石灰作為激發(fā)劑來(lái)對(duì)其進(jìn)行水化激發(fā)，經(jīng)過(guò)這種處理的粉煤灰水泥材料在后期凝固的過(guò)程中可以表現(xiàn)出更好的活性，不同等級(jí)的粉煤灰水泥中需要添加不同比例的粉煤灰材料，例如，制造32.5級(jí)粉煤灰水泥時(shí)其混合料中的粉煤灰含量需要達(dá)到60%左右且采用石灰作為激發(fā)劑。

水泥材料的抗凍性能對(duì)極寒條件下的施工和建成后的運(yùn)行都具有非常深遠(yuǎn)的意義，研究人員經(jīng)過(guò)分析后認(rèn)為水泥材料的抗凍性能在添加粉煤灰之后會(huì)得到一定程度的提升，而且通過(guò)這種措施還可以降低工程難度、降低混凝土保溫的要求以及提升工程效益等。

3 粉煤灰水泥的特點(diǎn)

從粉煤灰的化學(xué)組成物可以判斷出其中的三氧化二鋁和二氧化硅在水化作用之下可以產(chǎn)生一定程度的凝膠效應(yīng)，而其他構(gòu)成成分幾乎不具備類(lèi)似的性能。細(xì)磨粉煤灰、堿性氫氧化物或者Ca（OH）2在水的作用下可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并形成具有凝膠特性的化合物，而加入了粉煤灰的水泥材料在凝固之后可以表現(xiàn)出更好的耐久性以及更好的強(qiáng)度。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑作業(yè)會(huì)因?yàn)樗嗟乃鸁岫a(chǎn)生比較顯著的熱脹冷縮效應(yīng)，如果不對(duì)這一情況進(jìn)行有效地處理就會(huì)導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)或多或少的裂紋。粉煤灰水泥在加水之后會(huì)產(chǎn)生更少的熱量，因而這種水泥制成的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱脹冷縮效應(yīng)更小、表面干縮性更小以及對(duì)裂縫的抵抗性也更好?，F(xiàn)代化的房屋建筑結(jié)構(gòu)、港口工程以及工業(yè)建筑等都可以利用粉煤灰水泥材料來(lái)提升施工質(zhì)量。

粉煤灰水泥的強(qiáng)度、抗水性、抗彎性能以及凝固時(shí)長(zhǎng)等性能都與粉煤灰材料的活性具有密切的聯(lián)系，顆粒較大的粉煤灰材料在以上各個(gè)性能上都表現(xiàn)欠佳，因而現(xiàn)階段大多采用細(xì)磨粉煤灰技術(shù)對(duì)那些較大的粉煤灰顆粒物進(jìn)行研磨破碎，應(yīng)該說(shuō)粉煤灰顆粒物的粒徑范圍越小其活性就越高，但是研磨細(xì)度的大幅度升高會(huì)導(dǎo)致其技術(shù)難度增大、管理成本升高以及生產(chǎn)效率低下。

國(guó)內(nèi)的大學(xué)經(jīng)過(guò)科研攻關(guān)之后研制出粉煤灰顆粒物的立磨粉磨系統(tǒng)并有效地解決了工程難點(diǎn)，這種超細(xì)研磨技術(shù)的特點(diǎn)是能源消耗水平低、生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢(shì)，因而這種技術(shù)已經(jīng)在獲得了比較廣泛的應(yīng)用。因而在未來(lái)的技術(shù)發(fā)展中需要不斷降低粉煤灰顆粒物的細(xì)度、提升工藝過(guò)程的研磨效率以及降低處理成本等。

4 結(jié)語(yǔ)

煤炭燃燒之后的粉煤灰可以在水泥生產(chǎn)工業(yè)中發(fā)揮出很大的作用。通常情況下在制造水泥熟料的過(guò)程中可以將原本的黏土材料替換為粒度比較小的粉煤灰顆粒，或者在水泥的混合料中添加一定比例的粉煤灰。粉煤灰的加入可以提升水泥的強(qiáng)度、抗彎性能、抗裂性能以及降低生產(chǎn)成本。