粉煤灰的化学活性及激活方法

季银银

摘要：粉煤灰是一种对环境产生严重污染的工业固体废弃物，但粉煤灰中含有大量以活性氧化物SiO2和Al2O3为主的玻璃微珠，因此粉煤灰既具有很好的吸附性能，又是制备水处理絮凝剂（化学活性）的好原料。化学活性是指其中的可溶性SiO2、Al2O3等成分在常温下与水和石灰缓缓反应，生成不溶、稳定的硅铝酸钙盐的性质，也称火山灰活性。需要说明的是，有些粉煤灰本身含有足量的游离石灰，无须再加石灰就可和水显示该化学活性。本文主要介绍了粉煤灰的化学活性激活的三种方法，其中对于目前使用最广泛的碱性激发法做了重点介绍。

关键词：粉煤灰、化学活性、火山灰活性、激活

中图分类号：G633.8文献标识码：A 文章编号：

正文：

粉煤灰化学活性的决定因素是其伭瞄玻璃体含量、玻璃体中可溶性的SiO2、Al2O3唫量及玻璃体解聚能力。决定粉煤灰潜在化学活性的因素是其中玻璃体含量、玻璃体中可溶性SiO2、Al2O3含量及玻璃体解聚能力。由此可知要提高粉煤灰的早期活性,必须破坏表面≡Si-O-Si≡O和≡Si-O-Al≡网络构成双层保护层,使[SiO4]、[AlO4]四面体形成的三维连续的高聚体变成单体或双聚体等活性物。为下一步反应生成C-S-H,C-A-H等胶凝物提供活性分子粉煤灰的活性是粉煤灰颗粒大小、形态、玻璃化程度及其组成瞄翼合反映，也是其应用价值大小的一个重要参数。

粉煤灰的活性大小不是一成不变的，它可以通过人工手段激活。常用的方法有如下三种：

1 机械磨碎法

机械磨碎对提高粉煤灰的活性非常有效。通过细磨，一方面粉碎粗大多孔的玻璃体，解除玻璃颗粒粘结，改良表明特性，减少配合料在混合过程的摩擦，改善集料级配，提高物理活性（如颗粒效应、微集料效应）；另一方面，粗大玻璃体尤其是多孔和颗粒粘结的破坏，破坏了玻璃体表面坚固的保护膜，使内部可溶性的SiO2、Al2O3溶出，断键增多，比表面积增大，反应接触面增加，活化分子增加，粉煤灰早期化学活性提高。

2水热合成法

粉煤灰是在高温流态化条件产生的，其传质过程异常迅速，在很短的时间（约2～3s）内被加热至1100～1300℃或更高温度，在表面张力作用下收缩成球形液滴，结构迅速变化，同时相互粘结成较大颗粒，在收集过程又由于迅速冷却，液相来不及结晶而保持无定形态，这种保持高温液相结构排列方式的介稳结构，内能结构处于近程有序，远程无序，常温下对水很稳定，不能被溶解（无定型态SiO2是可溶的）。但在水热条件下，无规则网络被激活，水就可以直接破坏、网络结构，并随温度升高，破坏作用强。水热合成后，网络硅铝变成活性硅铝溶于水中。

3碱性激发法

碱类物质对硅酸盐玻璃网络具有直接的破坏作用，所以碱溶液对粉煤灰具有最强的作用，即碱性激发。

粉煤灰中的玻璃质颗粒表面光滑致密，Si一O、AI一O键牢固连接成网络结构，要激活粉煤灰必须先破坏Si一0、Al一O键，在表面形成一定数量的缺陷，与其它材料共同进行水化反应，形成强度结构，这就是化学激活法的主要原理。碱对粉煤灰的激活是直接而有效的，但如单加Na0H，水化后并不产生强度，虽然玻璃体结构解体了，但并没有生成胶凝性的水化产物。而如果以Ca(OH) 2作为粉煤灰的碱性激发剂，在蒸养条件下则可产生强度，原因有三:

a)OH一使粉煤灰玻璃体中的Si一O、Al一O键断裂，提高了玻璃体的活性，促进水化反应，并加快了水化速度;

b)Ca2+参与了粉煤灰的火山灰反应，生成具有胶凝性的水化产物，如水化硅酸钙、水化铝酸钙。

C)促使水化产物转化形成更稳定、具有高强度的水化产物。正是由于Ca(OH) 2同时具有以上三种作用，才被广泛用来作为粉煤灰硅酸盐的碱性激发剂。

下面略述几种体系激发粉煤灰火山灰活性的机理。

3.1粉煤灰一石灰一石膏体系

在蒸养条件下，粉煤灰中活性Si02与石灰提供的Ca(OH) 2反应生成CSH凝胶，称为石成性激发。活性A12O3与Ca(OH) 2反应生成CAH，在石膏中CaSO4存在情况下，生成钙钒石3CaO、A122O3、3CaSO4、32H20;当CaSO2不足时生成单硫型水化硫铝酸钙3CaO、A12O3、CaSO4、12H2O，称为硫酸盐激发，但其只有在石成性激发的基础上才能起作用，因而硫酸盐起间接激发作用。

3.2粉煤灰一石灰一水泥体系

在高温高压下粉煤灰硅酸盐制品的水化反应大为加强，粉煤灰中氧化物的溶解度也有较大提高，高温高压的水在SiO2以及硅酸盐物质表面相遇时，即与Si反应，使02一变成OH一，进而导致Si一0四面全结构的键松驰，继之反应向深部发展，使整个Si一0四面体晶体结构发生紊乱，因而促进了晶体结构的转移和新的水化物的形成。在这种养护条件下生成的水化物种类较多，主要是托勃莫来石、硬硅钙石及2一C2SH和C3SH等，其中大部分矿物是结晶完整、在大气中较稳定的化合物。

3.3粉煤灰一水泥熟料一石膏体系

此法主要用于粉煤灰硅酸盐水泥的生产。它以合格的粉煤灰作混合材料，与熟料和石膏按比例混合，共同磨细作成各种标号的粉煤灰水泥。这种水泥的水化首先是熟料水化反应过程，其次是粉煤灰参与水化反应过程。熟料中C3S和C2S(约占熟料75%)持续水化析出的Ca(OH) 2对粉煤灰中的活性SiO2和活性Al2O3作碱性激发，分别生成CSH和CAH。在Ca(OH) 2存在下，CAH与CaSO4发生硫酸盐激发生成钙钒石，所生成的CSH及钙钒石与熟料水化生成的其它水化物，共同成为水泥硬化体强度的基础物质。由于这些反应长期持续进行，保征了硬化体的强度增长与耐久性。

3.4以NaCI、CaCl2、Na2SO4作早强剂间接激发粉煤灰活性

用NaCI、CaCL2作粉煤灰硅酸盐制品的早强剂，能不同程度地提高制品的强度，但其作用并不是在粉煤灰颗粒本身发生，而是通过加快石灰消解和增加石灰在水中的溶解度，来提高溶液中的OH一浓度，食盐不仅具有上述作用，还能大大加快形成硫铝酸盐的过程。在有NaCI存在的条件下，铝酸盐和石膏的溶解度都有所增加，所形成的氯铝酸钙是一种稳定性很差的化合物，遇有石膏时，能生成硫酸钙，成为较稳定的化合物。对于某些SO3含量低的粉煤灰，用Na2SO4作激发剂有较好的增强效果，因为Na2S04能与粉煤灰中的Ca(OH) 2作用生成Na0H和CaSO4，提高了溶液中的碱度，并增加了CaSO4的含量，因此也能产生较好的增强效果。

3.5其它有助于提高粉煤灰硅酸盐制品强度的方法

粉煤灰中的活性硅铝含量与制品强度有很大关系,在粉煤灰硅酸盐混凝土中提高可溶性硅铝含量，可以加快粉煤灰硅酸盐制品早期强度的发展，当硅胶掺量达到胶结剂的5%时，强度提高40%，掺10%的明矾石，强度增长8%左右，同时，可溶性氯化铝越多，越有利制品的蒸气养护，且养护温度可适当降低。掺加可溶性硅铝材料使制品早期强度提高，是因为在硅酸盐水化反应早期，首先参与反应的是粉煤灰中的可溶性硅铝，但粉煤灰中可溶性硅铝总量只有10%左右，当外掺可溶性硅铝后，就可能在水化反应早期生成较多的水化硫铝酸钙和CSH凝胶，使制品的早期强度大大增加，后期养护中强度也能稳步增长。

影响粉煤灰碱性激发的因素很多，其中起主要作用的有：碱的种类和pH值、温度、粉煤灰结构与表面状态等。一般来说，碱性越强，pH值越高，温度越高，碱激发作用越强；而网络聚合度高，网络连接程度越高，破坏网络需要能量越大，碱激发作用越困难，需要时间越长。

结语

总之，只要能瓦解粉煤灰结构，释放内部可溶性SiO2和 Al2O3，将网络高聚体解聚成低聚度硅铝酸（盐）胶体物，就能提高粉煤灰的化学活性。

参考文献

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