粉煤灰在新型建筑材料領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

張凡

（貴州城市職業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

粉煤灰是指煤炭燃燒過程中產(chǎn)生的飛灰和灰渣，主要來(lái)自于火力發(fā)電廠發(fā)電過程中燃燒煤炭產(chǎn)生的工業(yè)廢料，粉煤灰的化學(xué)性質(zhì)跟火山灰相似，為固體粉末狀態(tài)，粉煤灰燃燒后會(huì)產(chǎn)生玻璃珠狀物質(zhì)，表面張力的作用，冷卻后一般呈球形。我國(guó)粉煤灰的綜合利用技術(shù)距發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大，累積下大量粉煤灰無(wú)法進(jìn)行綜合利用，造成很大環(huán)境問題，解決粉煤灰?guī)?lái)的環(huán)境污染問題已經(jīng)迫在眉睫。

將粉煤灰應(yīng)用在建筑材料中，既能夠?qū)崿F(xiàn)粉煤灰高附加值、大規(guī)模綜合利用，又能解決粉煤灰?guī)?lái)的環(huán)境問題。目前我國(guó)推廣成熟的技術(shù)有粉煤灰磚、混凝土添加劑、水泥熟料及用作混合材、墻體材料等，建筑材料生產(chǎn)已經(jīng)成為粉煤灰綜合利用的最佳途徑之一。

一、粉煤灰的物理與化學(xué)性質(zhì)

粉煤灰外觀形態(tài)與水泥相似，均為粉末狀微小固體物質(zhì)。粉煤灰的顏色一般是乳白色至灰黑色變化，含碳量多少以及顆粒的細(xì)度水平是影響其顏色的主要因素。粉煤灰在高溫環(huán)境下由于表面張力的作用外觀呈球形。在SEM掃描電鏡下觀察到粉煤灰球形顆粒占總量的60%以上，主要由空心微珠、玻璃體、磁珠、漂珠構(gòu)成，這些物質(zhì)是粉煤灰活性的主要來(lái)源。

粉煤灰密度范圍在1.77～2.43g/cm3，平均密度為2.1g/cm3。粉煤灰表面凹凸不平，內(nèi)部有很多細(xì)小的孔徑，粒徑范圍1μm～400μm，比表面積范圍220～588m2/kg。粉煤灰細(xì)度主要是反映其粗細(xì)程度，細(xì)度越細(xì)，一般粉煤灰的活性越大，進(jìn)行水泥或者混凝土拌合時(shí)需水量越低。粉煤灰主要化學(xué)成分包括SiO2、Al2O3、FeO 等，表面具有一定的Si、Al 活性位點(diǎn)，因此具有類似于火山灰的潛在化學(xué)活性。粉煤灰化學(xué)成分的不同，將會(huì)對(duì)建筑材料產(chǎn)生不同的效果。以CaO 為例，添加進(jìn)混凝土能提高混凝土的早期強(qiáng)度。粉煤灰的礦物組成比較復(fù)雜，通過XRD 測(cè)得粉煤灰主要由石英、磁鐵礦、莫來(lái)石等晶體構(gòu)成。粉煤灰中玻璃體的主要成分是SiO2，其含量越高，活性就越大，然而高鋁粉煤灰則會(huì)形成較多莫來(lái)石，使得粉煤灰中的玻璃相與晶體的比例降低，從而降低粉煤灰的化學(xué)活性?？梢詫?duì)粉煤灰進(jìn)行不同成分添加或者酸堿改性，使粉煤灰中各種化學(xué)成分的含量不同，達(dá)到不同的活性效果。另外還可以對(duì)粉煤灰進(jìn)行物理改性如機(jī)械摩細(xì)，改變粉煤灰的粗細(xì)程度，也可以影響粉煤灰的活性。經(jīng)過改性后的粉煤灰活性更強(qiáng)，目前粉煤灰的改性也被廣泛研究。

二、粉煤灰作為建筑材料的特點(diǎn)

粉煤灰火山灰活性是指將粉煤灰單獨(dú)不具有水硬性，但是該種材料在常溫下可以與堿性物質(zhì)如氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可以具有空氣、水中硬化的化合物，從而使建筑材料的凝膠性能顯著提高。粉煤灰由于自身成分比較復(fù)雜，不能直接被利用，可以先用原子吸收光譜對(duì)粉煤灰進(jìn)行成分分析，檢測(cè)出各成分的含量，然后通過添加鈣粉、酸堿改性、機(jī)械磨細(xì)等方法對(duì)其進(jìn)行除雜深加工提高其活性。高鈣粉煤灰燃燒過程中產(chǎn)生的鈣鹽，能夠?yàn)榻ㄖ牧咸峁┹^強(qiáng)的凝膠性。另外粉煤灰的比表面積比水泥的大，添加到水泥中，使水泥有更好的顆粒級(jí)配，因此水泥基發(fā)泡材料生成的氣泡更加均勻，從而使建筑材料具備良好的保溫功能。另一方面粉煤灰能夠填充水泥間空隙，增加建筑材料的體系密實(shí)度。建筑材料目前向著高性能、復(fù)合型、綠色環(huán)保等方向發(fā)展，而粉煤灰添加到建筑材料中有助于生成輕質(zhì)、高強(qiáng)、高耐久性的新型建筑材料，同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)廢物資源化利用。

三、粉煤灰在建筑材料中的應(yīng)用

（一）粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用

粉煤灰加入混凝土中可以有效改善其和易性、粘聚性，降低泌水現(xiàn)象，也能增強(qiáng)后期強(qiáng)度。大量工程實(shí)例表明粉煤灰混凝土的耐久性由于普通混凝土。粉煤灰在混凝土中的作用機(jī)理主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：形貌效應(yīng)、填充效應(yīng)以及火山灰效應(yīng)。形貌效應(yīng)：粉煤灰呈球形，其玻璃體表面光滑且質(zhì)地致密，從而在制備混凝土?xí)r需水量降低，有效避免混凝土的早期收縮，提高混凝土密實(shí)性；填充效應(yīng)：粉煤灰粒徑范圍1μm～400μm，粒徑比水泥，可以和水泥顆粒形成較好的顆粒級(jí)配，填充水泥顆粒間的空隙，使混凝土具有較好的密實(shí)度；火山灰效應(yīng)：粉煤灰表面含有大量的Si、Al 活性位點(diǎn)，與混凝土可以再次進(jìn)行反應(yīng)后生成難溶于水的水化硅酸鈣凝膠，增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度及其抗?jié)B性能。粉煤灰作為一種摻和料可取代部分水泥，節(jié)約水泥用量，可以提升混凝土耐腐蝕性以及散熱性，水化熱降低，能夠讓混凝土發(fā)生裂縫的可能性減少。尤其是針對(duì)大體積混凝土，摻入適量粉煤灰可有效降低混凝土內(nèi)部的水化熱，防止裂縫的產(chǎn)生。黃家緒等在混凝土中摻入粉煤灰以及適量的引氣劑，發(fā)現(xiàn)混凝土的抗凍性得到提高，摻入適量的粉煤灰，在一定程度上提高混凝土內(nèi)鋼筋耐銹蝕性[1]。且有大量實(shí)驗(yàn)研究表明，摻入大量粉煤灰，在低水膠比的情況下，也能夠制得高強(qiáng)和耐久性能好的混凝土。主要原因是粉煤灰能夠抑制混凝土中活性集料的堿集料反應(yīng)，減少混凝土的產(chǎn)生的膨脹、開裂現(xiàn)象，從而提高混凝土的耐久性。

（二）粉煤灰在墻體材料里面的使用

目前比較普及的節(jié)能環(huán)保的墻體材料有輕集料、空心砌塊及蒸壓粉煤灰磚。對(duì)于含碳量低于12%且含有二氧化硅、三氧化二鋁的粉煤灰可以用來(lái)進(jìn)行輕集料的燒制。將粉煤灰作為骨料添加外加劑及水可以制成輕質(zhì)高強(qiáng)的空心砌塊。粉煤灰和石灰為主要原材料制成的蒸壓粉煤灰磚，重量較輕，同時(shí)有具有良好的隔熱效果，可以實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能，由于粉煤灰的加入，可以獲得強(qiáng)度高，滲透能強(qiáng)的材料，還可以節(jié)約黏土資源，相比普通磚粉煤灰磚具有密度小，隔熱效果好，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。通過采用粉煤灰作為主要材料制成的輕質(zhì)高強(qiáng)的墻體材料，一方面可以消耗大量的粉煤灰固體廢棄物，另外一方面又能創(chuàng)造很好的經(jīng)濟(jì)效益。

（三）粉煤灰制作固化材料

建筑行業(yè)傳統(tǒng)采用的固化材料主要有混凝土、水泥等。常存在造價(jià)較高，取材不便等問題。粉煤灰新型固化劑，材料來(lái)源廣泛，加工成本低廉，且具有很好的抗壓抗?jié)B漏和抗凍等性能。目前在建造大壩水庫(kù)和海堤的防護(hù)措施中以粉煤灰做固化材料的襯砌材料被廣泛應(yīng)用。

（四）粉煤灰制備玻璃微珠

粉煤灰結(jié)構(gòu)主要組成部分為玻璃微珠，以玻璃微珠為原材料做成的建筑材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、且具有保溫防火等功能，同時(shí)可以作為塑填物，提高建筑材料的耐高溫性能。玻璃微珠近年來(lái)已發(fā)展成為一種具有特殊性能的新型材料。這種材料表面經(jīng)處理后具有親油憎水性能，可以用作精煉石油的催化劑，耐高壓的潛艇外殼以及航天器的表面材料以及城市道路斑馬線及交通標(biāo)志的反光裝置等。此外粉煤灰和一些化工原料進(jìn)行混合后，還可以制成粉煤灰微晶玻璃。尚志標(biāo)等人采用粉煤灰制備了一系列微晶玻璃，不僅具有玻璃的透光性能、耐磨、耐腐蝕以及結(jié)構(gòu)致密的特點(diǎn)，還具有一些陶瓷的特點(diǎn)，是現(xiàn)代建筑業(yè)中一種較為重要的高級(jí)建材[2]。

（五）粉煤灰在公路建筑材料中的應(yīng)用

粉煤灰由于自身的物理化學(xué)性質(zhì)被廣泛地應(yīng)用在公路建筑材料中。粉煤灰粒徑1μm～400μm 與粉砂粒徑接近，另外由于自己的多孔性，液限能夠達(dá)到60.0%，具有良好的持水性能。在道路地基施工過程中的路基填筑、軟土地基處理等方面采用粉煤灰材料取材來(lái)源廣泛且能夠達(dá)到良好的效果，此外在道路路面施工過程中路面、基層等也可采用粉煤灰材料，相比普通路面有較好的耐久性。

粉煤灰來(lái)源廣泛且價(jià)格低廉能夠解決路基填料不充足的問題，同時(shí)粉煤灰顆粒較細(xì)壓實(shí)性較好，含水率較低，路基填筑性能優(yōu)良。粉煤灰內(nèi)部化學(xué)組成使其具有較高的抗堿性能，能夠適應(yīng)各種自然條件。除了填筑材料外在路堤的填筑施工時(shí)，還需要控制好材料的攤鋪厚度、壓實(shí)遍數(shù)、數(shù)壓實(shí)機(jī)具以及最佳含水量等因素，還要重視邊坡防護(hù)設(shè)置工作，避免地下水等進(jìn)入到路堤中，造成地下水污染。此外粉煤灰還能實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)路基填筑，防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

（六）粉煤灰生產(chǎn)陶粒、地質(zhì)聚合物

粉煤灰陶粒也是一種新型的人造建筑材料，目前，也被廣泛地應(yīng)用在建筑承重構(gòu)件中。制作方法為：粉煤灰摻入適量黏結(jié)劑和固體燃料如石灰(或電石渣)、石膏、等，經(jīng)混合、成球、高溫焙燒而成。粉煤灰做建筑構(gòu)件，由于質(zhì)量較輕能夠減少下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)荷載，降低施工成本，此外粉煤灰陶粒具有密度小、質(zhì)輕，保溫隔熱，耐火性好，抗震性能好，吸水率低的特點(diǎn)。

粉煤灰目前也廣泛地應(yīng)用在地質(zhì)聚合物中。地聚合物膠凝性質(zhì)和水泥類似，主要結(jié)構(gòu)是硅氧四面體和鋁氧四面體，其原材料由堿性激活劑與活性物質(zhì)組成，也可以稱為一種水泥。由于地質(zhì)聚合物和水泥相似具有早強(qiáng)快硬的特點(diǎn)，能夠在施工過程中縮短運(yùn)轉(zhuǎn)周期，提高施工效率，主要應(yīng)用在混凝土快修補(bǔ)材料方面，同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)致密，廣泛地應(yīng)用于防滲漏和防水材料方面。邢質(zhì)冰等對(duì)粉煤灰基地質(zhì)聚合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究及中試，得出結(jié)論以粉煤灰為主要原料，通過添加堿激發(fā)劑制備粉煤灰基地聚合物，28 d 抗壓強(qiáng)度最高為44.10 MPa，產(chǎn)生大量膠凝物質(zhì)，有利于強(qiáng)度的提高[3]。在此基礎(chǔ)上分別摻入砂、錳渣、鍋爐渣進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)，當(dāng)粉煤灰與砂的質(zhì)量比為4：1，激發(fā)劑摻量為23.5%，制成的地聚合物抗壓強(qiáng)度可達(dá)到50.9MPa。

四、結(jié)論與展望

綜上所述，粉煤灰在建筑材料方面應(yīng)用較為廣泛，工藝成熟，且消耗量較大，有良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益。在建筑材料制備及施工過程中粉煤灰可以替代部分水泥，降低生產(chǎn)成本，改善和提升各種建筑材料的耐久性等性能，可以實(shí)現(xiàn)建筑材料的輕質(zhì)高強(qiáng)方向發(fā)展。粉煤灰還可以用來(lái)制備新型建筑材料：如粉煤灰陶粒、玻璃制品等，為建筑工業(yè)的發(fā)展提供較為高級(jí)環(huán)保的建筑材料。然而在我國(guó)粉煤灰的綜合利用技術(shù)仍有待提高：

（一）粉煤灰成分復(fù)雜，除鋪路、制磚外一般不會(huì)直接利用，需要采用一定的化學(xué)或者物理機(jī)械磨細(xì)等方法對(duì)粉煤灰進(jìn)行除雜提純，提高內(nèi)部活化性能，改善粉煤灰的性能；

（二）粉煤灰目前的綜合利用依然較低，應(yīng)進(jìn)一步研究擴(kuò)展粉煤灰在其他行業(yè)如化工、廢水處理等方面的應(yīng)用技術(shù)，增強(qiáng)粉煤灰的高附加值利用，變廢為寶。