粉煤灰在建筑材料中的应用

2010-02-23中国地质大学材料科学与工程学院北京100083

中国建材科技 2010年4期

吴韩（中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083)

目前，我国粉煤灰年排放量大约有1.8t，随着发电厂、城市供热工程的不断增加，粉煤灰的产量也必将随之增多。估计到2020年，我国粉煤灰的年排放量将达到现在的3倍左右，再加上目前我国已有20亿t粉煤灰累计堆存量，总的堆存量将会达到30多亿t。如果不加以处理，就会产生扬尘，污染大气，若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质【1】还会对人体和生物造成危害。因此，粉煤灰的处理和利用问题应引起人们的广泛关注，如何把粉煤灰变废为宝应用到建筑中是处理粉煤灰、解决矿产资源短缺的一个主要途径【2】。目前，一些发达国家粉煤灰的利用率已高达70%~ 80%，而我国仅为30%左右。为此，我们必须投入足够的人力、物力解决粉煤灰的综合利用问题，实施我国可持续发展战略。

1 粉煤灰的介绍

粉煤灰也叫飞灰【3】，是由热电站烟囱收集的灰尘，属于火山灰性质的混合材料是煤灰燃烧后，由烟气从锅炉中带出来的粉状残留物，是一种人工火山灰质材料，其自身具有微弱的胶凝值（或不具有胶凝值），具有潜在的化学活性【4，5】。由于煤粉微细，且在高温过程中形成玻璃珠，因此粉煤灰颗粒多呈球形。

2 粉煤灰性质、组成与结构

2.1 粉煤灰的物理性质（见表1【6】）

粉煤灰的物理性质取决于燃煤的种类、煤粉的细度、燃煤方式和燃烧温度以及电厂的收尘效率、排灰方式等。

表1 粉煤灰的物理性能

表2 粉煤灰化学成分分析

此外，粉煤灰还具有较高的化学内能和火山灰活性(水硬性)。虽然本身不具有独立的胶凝性能，但是高钙粉煤灰在煤粉高温燃烧过程中，可以形成硅、铝的钙盐，使其具有独立胶凝作用。因此，为了提高粉煤灰的应用性能，有的火电厂根据需要在燃煤中适量加入一些石灰来增加钙含量，以提高其胶凝性能【7】。

2.2 粉煤灰的化学成分

粉煤灰的化学成分（表2【6】）以SiO2和Al2O3为主，次要成分为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这三者的总和一般大于70%【8】。

2.3 粉煤灰的矿物组成

粉煤灰在锅炉中燃烧后基本上可分成晶体矿物及非晶体矿物两类。一般晶体矿物为石英、莫来石、磁铁矿、氧化镁、生石灰及无水石膏等；非晶体矿物为玻璃体、无定形碳及次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50%以上【9】。

2.4 粉煤灰的结构

粉煤灰的结构是在粉煤灰燃烧和排除过程中形成的，比较复杂。在显微镜下观察，粉煤灰是结晶体、玻璃体及少量未燃碳组成的一个复合结构的混合体【9】。

3 作为建材应用的可行性

3.1 建材利用的可行性

由于粉煤灰的活性很高。粉煤灰在建材中应用，其理论依据主要在于潜在的火山灰活性。而且粉煤灰中含有大量的球形或微珠状的颗粒，具有较小的表面积，适于填充于混凝土的空隙，在混凝土用水量不变的情况下，能大大提高混凝土的凝结性能。

3.2 建材利用的特点

粉煤灰在建筑领域的利用具有如下特点：

(1)利用范围广。

(2)利用量大。

(3)利用程度高。

(4)节约能源，降低成本。

4 粉煤灰在建筑材料中的应用

4.1 粉煤灰水泥

粉煤灰具有火山灰活性，能与碱性物质发生“凝硬反应”，生成水泥质水化胶凝物质。用作水泥或混凝土掺料时，减水效果显著、有效改善混凝土和易性、增加抗压和抗弯强度、提高抗渗和抗蚀力，同时具有减少泌水和离析、降低透水和浸析、减少早期和后期干缩、降低水化热和干燥收缩率等功效。还可利用其残余碳，在煅烧水泥熟料时可节约燃料【10】，降低水泥的生产能耗。因此，粉煤灰用于水泥生产，体现经济效益和社会效益相结合，集中表现在节省燃料、增加产量、降低能耗、降低产品成本、改善水泥某些性能及保护环境方面，是一种有发展前途的新型绿色建筑材料。

4.2 粉煤灰混凝土

4.2.1 粉煤灰混凝土

泛指掺加粉煤灰的混凝土。粉煤灰在混凝土中主要有4个作用：改善新拌混凝土和易性；提高混凝土后期强度；降低混凝土水化热；抑制混凝土碱骨料反应。

实践证明配置混凝土混合料时，掺入一定数量和质量的粉煤灰，可达到改善混凝土性能、节约水泥、提高混凝土和工程质量，以达到降低成本和工程造价的目的，实现粉煤灰经济效益和社会效益一体化。李中原【11】采用高掺量粉煤灰和多功能防水剂制备出28d强度达53.4MPa、且工作性能好、耐久性高的高性能混凝土，早期强度也明显提高。即使掺量高达40%，其28d设计强度仍可达到设计要求。

4.2.2 绿色高性能高掺量粉煤灰混凝土

高掺量粉煤灰混凝土（＞40%）不仅可以减少资源浪费，还可减少环境污染。高掺量粉煤灰混凝土后期强度、和易性、水化热、抗冻性等方面都比普通水泥好得多【12】，具有很高的机械性能和耐久性，主要应用在路基和筑坝工程中。

4.2.3 粉煤灰加气混凝土

它的主要原料为70%粉煤灰，剩下30%为石灰、水泥、石膏、发气剂等。产品有粉煤灰加气混凝土砌块和粉煤灰加气混凝土屋面板。

4.2.4 粉煤灰混凝土砌块

混凝土砌块包括普通混凝土砌块、轻集料混凝土砌块和粉煤灰混凝土砌块等，被认为是粘土砖的最理想替代产品。生产粉煤灰混凝土砌块主要原料为粉煤灰、集料、水泥等，并经计量配料、搅拌、成型、养护等工序制成。粉煤灰既是掺合料又是细集料。具有轻质、高强、节约能源和减少开支等经济技术优势，同时还具有隔音、隔热等效果。一般认为粉煤灰混凝土砌块中粉煤灰的用量应≥30%，各项性能指标为：抗压强度≥2.5～10.0MPa；抗冻性D25合格；碳化系数≥0.8；软化系数≥0.75；吸水率、干燥收缩依强度等级不同而不同。

4.2.5 粉煤灰混凝土路面砖

粉煤灰混凝土路面砖以水泥和粉煤灰为混合胶结料，再配以粗骨料等，经计量搅拌、成型、养护制成。变更成型的模具可制成方砖、连锁路面砖、仿古砖、绿化种草砖、路沿砖块及其它形状的路面砖等。砖的性能要求：抗压强度≥20.0MPa；抗折强度≥30MPa；耐磨性、吸水率抗冻性能符合有关标准。粉煤灰混凝土路面砖具有普通混凝土路面砖的优点和用途，但其长期性能更好。

4.3 粉煤灰墙体材料

4.3.1 粉煤灰砖

粉煤灰砖主要有蒸养粉煤灰砖和烧结粉煤灰砖。蒸压粉煤灰砖是一种含有潜在活性的水硬性材料。研究表明蒸压粉煤灰砖强度高、性能稳定和生产周期短，适宜于大批量生产，还能替代粘土实心砖建造6层以下民用建筑和厂房承重墙的建造【13】。烧结粉煤灰砖产品尺寸标准，棱角整齐，外观较美，而且耐久性好，其力学性能与普通粘土砖相当，保温隔热性能优于普通砖，表观密度比普通砖小。使用粉煤灰砌块与粘土砖砌体相比，每立方米能节约水泥40%~50%【14】。

4.3.2 用作衬砌材料

用固化剂(HAS)固化粉煤灰作衬砌防渗材料，防渗和抗冻性能都比传统材料高，而且，工程造价比传统的材料节约将近30%，所以用固化剂(HAS)对粉煤灰、石屑、煤渣进行固结的材料是渠道防渗的理想材料【15】。除在渠道防渗上应用外，还在建造电厂灰坝护坡、水库加固护坡和海堤护坡等很多工程上有广泛的应用。

4.4 粉煤灰微晶玻璃

主要用粉煤灰等矿物和化工原料，经过配制、熔融、成型、切割与抛光后形成的一种高档工业材料，具有玻璃和陶瓷的双重特性。结构致密、晶粒分布均匀、高强、耐磨、耐蚀、外观纹理清晰、色彩鲜艳、无色差、不褪色，较天然花岗石、陶瓷更具有灵活的装饰设计和更佳的装饰效果，而且保护了环境，被认为是21世纪现代建筑群理想的高级绿色建材。

4.5 生产轻集料

适于烧制轻集料的粉煤灰主要是含SiO2、Al2O3，其含碳量低于13%。粉煤灰的性质和成分决定轻集料的质量。

4.6 粉煤灰泡沫玻璃

据国外报道，以粉煤灰、亲和性很强的火山灰和无定型结晶碳粉为原料经过粉磨制料、压坯、烧结过程制成泡沫陶瓷。具有良好的抗散裂和比电阻特性，表面密度0.46~0.50，抗折强度3.4~7.2MPa，是一种高强度、吸音隔热、耐热冲击好的泡沫材料，可用于生产轻质砖、轻质隔墙板等制品。

4.7 粉煤灰用作路基填料

粉煤灰用于修筑道路路基，不仅解决了路基填料的问题，而且也为粉煤灰的再次利用开辟了一条新的途径。由于比重小，易压实，压实含水率高，对含水率不敏感，抗碱强度比天然材料高，不受天气变化影响，在施工中可以缩短建设工期，降低造价【16、17】。

4.8 水泥粉煤灰膨胀珍珠岩混凝土保温砌块

以水泥作胶结料，粉煤灰既作胶结料又作细集料，膨胀珍珠岩作轻集料经过按配合比计量并预混合均匀，加水搅拌、成型、脱模、养护至规定龄期的过程即得水泥粉煤灰膨胀珍珠岩混凝土保温砌块。其性能要求：材料密度770kg/m3；材料导热系数0.176W/(m·K)；抗压强度2.05MPa；空心率42%；吸水率32.3%。具有质量轻、保温性能好的特点。影响密度与强度的因素有：珍珠岩掺量、粉煤灰与水泥比例以及过程控制。为了提高砌块强度，还可加入适量的外加剂。

4.9 大掺量粉煤灰防水隔热材料

是以废旧泡沫塑料为轻集料(体积约占70%以上)，以粉煤灰为主体(重量占约80%)，具有防水隔热功能的绿色建筑材料。其主要性能指标为：隔热主层体积密度632kg/m3；抗折强度1.6MPa；抗压强度2.7MPa；导热系数0.101W/(m·K)；抗冻性(15次)：无裂纹、脱皮、剥落等损坏现象；抗渗性：顶面饱和浸泡7天底面不渗水、不潮湿【18】。具有原料来源广，节能利废率高；独特的斜面式设计；隔热自防水效果好等优点。

4.10 混凝土轻质隔墙板

在GRC轻质墙板的基础上，配料时加入部分粉煤灰可生产轻质隔墙板。另外，也可不抽孔，加少许短切纤维，浇注轻质墙板。

4.11 粉煤灰陶粒

它是以粉煤灰为原料，加入胶结料和水，经成球、烧结而成的人造轻骨料，用灰量大、质轻、保温、隔热、抗冲击，用其配制的轻混凝土容重大，抗压强度高，适用于高层建筑或大跨度构件，可减轻质量，提高保温性。

4.12 在建筑材料其他方面的应用

粉煤灰矿物棉容重轻、导热系数低、吸音效果好，是一种优质保温节能材料；作为石膏制品的填充剂，不仅掺量可达35%，还可作促凝剂，提高石膏制品的防水性；利用粉煤灰做沥青填充料生产防水油毡，可使成本大大降低。此外，还可以利用制备纤维化灰绒、陶砂滤料，并在砂浆中代替部分水泥、石灰或砂石等。

5 我国应用的现状

我国粉煤灰综合利用【9】始于建材领域，至今己有50多年的历史，积累了一系列生产、利用和管理方面的经验。就全国而言，生产建筑材料利用粉煤灰的量最大，约占利用总量的35 %【19】，而且利用途径和方式也最多。生产的建筑材料主要有：粉煤灰水泥、代替粘土做水泥原料、普通水泥、硅酸盐水泥、硅酸三钙水泥、硫酸铝酸钙水泥、低体积质量油田水泥、早强水泥等，有的粉煤灰掺量达75%；硅酸盐承重砌块和小型空心砌块、加气混凝土砌块及板、烧结陶粒、烧结砖、蒸压砖、蒸养砖、高强度双免浸泡砖、双免砖、钙硅板等。

6 存在的问题

目前粉煤灰作为建筑材料存在如下问题。

（1）粉煤灰的成分含量地方差异较大，给粉煤灰的使用带来了极大的不便；

（2）粉煤灰对混凝土的早期强度、抗冻性及钢筋锈蚀等方面均存有负面影响；

（3）易出现裂纹，对养护制度和施工要求严格。

这些问题的解决是科研人员今后研究的重点。

7 加强粉煤灰在建材上的综合利用的措施

7.1 转变观念，树立“以用为主”的思想

改变传统的把粉煤灰作为煤炭、电力生产过程中废弃物的思想认识，将其作为一种可利用的资源；改变传统的粗放型增长方式，要变废为宝，加以利用；要从“以堆存为主”逐步过渡到“以用为主”，重点放在利用，而不是堆存。

7.2 制定优惠政策和惩罚性政策来鼓励、规范粉煤灰的综合利用

认真研究国家对资源综合利用的各项优惠政策，落实好资源综合利用减免所得税、增值税等优惠政策，发挥政策的导向作用，充分调动企业资源综合利用的积极性。

7.3 大力推进粉煤灰综合利用技术进步

瞄准国际先进水平，充分借鉴国内外资源综合利用新技术、新产品，加大研究、开发、利用力度，通过产学研联合攻关和开发，逐步建立技术引进、消化吸收、自主开发的技术创新机制，通过技术改造，技术进步，不断提高资源综合利用水平。

8 结语

综上所述，在建筑材料应用中，要根据不同粉煤灰的性质来确定其应用途径，以发挥其最大优势。一些粉煤灰利用技术目前还不够成熟和完善，这就要求我们加大对粉煤灰利用的研究与开发的力度，逐步完善不成熟的技术，积极采用国际先进技术和装备，不断提高我国的粉煤灰利用技术水平，逐步缩小与国际水平的差距。若能合理利用，不仅能在节省资源、能源、保护生态环境等方面取得显著效益，更能发展多种实用性的新型建筑材料产品。

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