循环流化床粉煤灰加气混凝土制备研究

徐正坦

（福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建福州 350108）

XU Zheng-tan

（College of Ecological Environment and Urban Construction，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China）

循环流化床粉煤灰加气混凝土制备研究

徐正坦

（福建工程学院生态环境与城市建设学院，福建福州 350108）

利用X射线荧光光谱仪、XRD等检测手段对循环流化床粉煤灰进行化学成分定性和定量分析，然后确定配合比：粉煤灰65%，水泥12%，石灰20%，石膏3%。主要研究了在蒸压养护条件下，不同水料比、不同铝粉添加量、不同无机外加剂硫酸钠、氯化钙添加量对加气混凝土砌块容重和强度的影响，研究发现最佳水料比为0.65，最佳铝粉掺量为0.1%，无机外加剂硫酸钠对加气混凝土砌块的容重和强度影响不大，而添加0.25%的氯化钙比无外加剂条件下强度提高了40%，达到4.55MPa，且容重为910kg／m3，随着氯化钙量的增加，强度反而下降。

偕胺肟基螯合纤维；重金属离子；吸附性能

0 引 言

循环流化床（CFB）粉煤灰是煤在循环流化床上以850～950℃燃烧时生成的，燃烧过程加入了大量的脱硫剂，粉煤灰活性比较低，颗粒在炉中停留时间短，致使其中的高岭土、云母等粘土矿物分解不完全。一般情况下，同种煤炭的循环流化床粉煤灰颗粒为无定形疏散颗粒，有可能出现在其表面形成的胶凝材料强度大于颗粒本身强度。普通的粉煤灰的粒度为13μm，而循环流化床粉煤灰的平均粒度为27μm。由于循环流化床粉煤灰含有大量硬石膏，在水化过程中会形成大量钙矾石，易使坯体体积膨胀，造成材料断裂破坏［12］。与传统的锅炉相比，它释放出的SO2，COx和NOx要少的多，所以循环流化床锅炉正成为热电厂最主要的生产设备。它与普通煤粉炉产生的飞灰在成分和性能特征上有较大的差异，原有的粉煤灰资源化技术不适合循环流化床每年产生的数百万吨粉煤灰处理。

因此，本研究的主要内容就是寻找激化循环流化床粉煤灰活性、抑制其体积不安定的包括激发剂、粘结剂在内的多种添加剂及其配方、相应的工艺制度。在加气混凝土及板材等浇注成型方向产生新突破。

1 实验原料和实验方法

1.1 实验原料

1）循环流化床粉煤灰：实验研究样品是由长乐华能电厂提供的灰样，其粉煤灰化学成分主要是SiO2，CaO，Fe2O3，Al2O3占总含量的81%，其主要成分见表1。

表1 CFB粉煤灰中各化学成分的含量

粒度分析表明，长乐华能电厂的粉煤灰粒径平均为27.52μm。粉煤灰粒径＜80μm的累积粒度含量占到93.27%，＜30μm的累积粒度含量占到61.69%，而＜5.86μm的累积粒度含量则高达30.93%。随着粉煤灰粒径由大到小，微量元素有明显的富集，这与粉煤灰的化学成分和矿物相无关。测试的粉煤灰比表面积高达9 933.59cm2／cm3，如图1所示。

图a）20.0kV×1.5k倍SEM图

图1 CFB粉煤灰SEM图

图中颗粒粒径越小，比表面积就越大，其表面活性和吸附能力就越强。

循环流化床粉煤灰是由许多形态不规则，结构疏松、粒径较粗的玻璃质颗粒组成的，其玻璃质颗粒充满了大大小小的孔，这主要是由于锅炉燃烧温度不高，煤粉在炉内停留时间过短或煤中灰分熔点过高致使灰粒不能完全熔融，这类玻璃质颗粒活性差，并且多孔结构需水量大。

2）水泥：425＃普通硅酸盐水泥，符合文献［3］。

3）生石灰：CaO有效含量为85%左右。

4）石膏、CaAl、铝粉。

1.2 试件的制备成型过程与蒸压养护

1）粉煤灰、石膏、外加剂及水分别计量后一起搅拌；

2）水泥计量后加入，搅拌；

3）石灰计量后加入，搅拌；

4）铝粉计量后加入，搅拌；

5）浇注入模，送入50℃恒温干燥箱发气静停养护4h后切面包头，继续养护至12h后脱模成型；

6）放入反应釜蒸压养护。采用的蒸压工艺参数：升温3h至185℃，保温6h，恒温压力为1MPa，自然降温1.5h。

2 实验参数确定

2.1 钙硅比

钙硅比指加气混凝土各组成材料中氧化钙的总和与SiO2的总和之摩尔比。由于在自然条件下粉煤灰的水硬性无法表现出来，因此，需要有激发剂的作用才能使粉煤灰的水硬性表现出来。但是通常情况下粉煤灰硬化后会形成钙矾石，造成材料的体积膨胀，经过研究对比，采用合适的配方，可以有效抑制钙矾石的形成，其主要方法就是将粉煤灰、石灰、石膏、铝粉等按照一定的配比在一定的温度、压力条件先蒸压养护制成一种新型建筑材料。本实验根据文献［4］，钙硅比取为0.8左右。

2.2 配合比

各种材料的配合比是加气混凝土技术的核心。粉煤灰中的主要成分为SiO2和Al2O3，以粉煤灰为原料与水泥、石灰、石膏、水混合加温加压水解硅化反应，经养护达到所需的硬度要求。粉煤灰应磨成Ⅱ级以上灰，细度越细越好，含C≤12%，提高其活性。

生石灰的主要成分为氧化钙，其主要作用是在水化条件下与粉煤灰中的SiO2和Al2O3反应，产生硅酸钙，获得强度，并且可以为铝粉的发气提供条件；选用的石灰要求含CaO＋MgO≥75%，不得＜70%，否则易产生断裂破坏；

水泥的主要成分为钙质材料，水泥与粉煤灰中的铝、硅反应生成化矿物固化，强度提高；搅拌浇注中要保证稳定性并加速成型硬化，改善坯体性能，水泥要选用425＃水泥；

石膏作为一种凝胶材料，主要作用是调节发气过程，提高成品率，既参加反应又激发粉煤灰活性，提高强度和抗冻性，减少收缩率，石膏选用3级品即可；

铝粉是发泡剂，使料浆中发生化学反应，产生氢气，形成细孔。铝粉的技术指标：铝粉的发气量取决于铝粉的加入量，铝粉的反应速度取决于铝粉的细度。

经对比实验及结合文献［5-6］，本实验采用的配合比定为：粉煤灰65%，石灰20%，水泥12%，石膏3%，铝粉0.1%。

2.3 水料比

料浆应发气通畅，坯体才能获得良好的气孔结构，因此料浆必须具有适宜的稠度。不同水料比对试块容重和强度的影响见表2。

表2 不同水料比对试块的影响

水料比过小会导致发气的不足，增加容重。太大会导致塌模。水料比适当可以使料浆具备合适的流动性，为发气膨胀创造必要的条件，并可使料浆保持一定的剪切应力，从而使加气混凝土产生良好的气孔结构，对加气混凝土性能产生影响。本实验得出的最佳水料比为0.65。

2.4 铝粉掺量

铝粉作为最常用的发气剂，其用量对加气混凝土的密度有着决定性的影响。实验研究了不同铝粉掺量对试块容重和强度的影响，得到的结果见表3。

表3 不同铝粉掺量对试块的影响

采用较高的铝粉用量，其在碱性料浆中反应放出较多细小而均匀的气泡，会使得制品的密度降低。本实验得出的最佳铝粉掺量与加气混凝土干物料总和之比为0.001。

3 外加剂对试块的影响

加气混凝土的养护过程与混凝土的硬化过程同属水化反应，混凝土常用CaCl2等作为早强剂。实验使用CaO作为无机外加剂，其实验方案及结果见表4。

表4 CaCl2外加剂方案及结果

与无外加剂试块相比，加入CaO可以使加气混凝土的强度有明显的提高，在掺量为0.25%时，其强度最高，其强度提高率为40%。随着添加量的增大，强度反而下降。这是由于无机盐类可以加快水泥的硬化速度，而实验所用的原料中含有水泥，因此，无机外加剂可以加快料浆的硬化速度，有利于提高料浆初始结构强度，从而有利于制品气孔结构的稳定［7］，氯离子的引入加快了钙质原料的溶解速度，从而反应速度加快。所以最佳CaCl2添加量为0.25%。

4 加气混凝土制备工艺流程

通过实验，利用本配比生产出来的粉煤灰加气混凝土可以从根本上消除由于材料硬化后形成的钙矾石而导致体积膨胀的技术难题，利用本配比可以直接投入生产。

4.1 原材料一般配比

粉煤灰60%～70%，水泥7%～10%，生石灰16%～23%，外加剂1%～3%，铝粉6%～9%。

4.2 经验数据

水料比：0.6～0.65；铝粉细度：1%～3%；粉煤灰细度：22～24；浇模温度：57℃；冒泡温度：72℃；

坯体最高温度：90℃左右；

提模时间：90min；

升温时间：1h；恒温：9h；降温：1h；

蒸压温度：170℃；蒸压压力：10kg；

浇注留高（0.68m高）：30cm；净浆细度：12%～16%；混灰细度：8%～15%。

4.3 工艺过程说明

粉煤灰与水泥分别用专用罐打入料仓备用。生石灰与石膏则由溜槽供入板式给料机，均匀喂入细碎颚式破碎机经提升机进入各自料仓后经皮带按5.7∶1比例送入球磨机粉磨。然后由链式提升机送入混合料仓贮备。粉煤灰则通过计量后直接加水搅拌制浆经砂泵打入料浆罐。水泥由提升机送入水泥料仓贮备。水泥进入下一料仓并计量，然后混合料通过螺旋输送机进入下一料仓（与水泥仓是各自独立的）并由该仓计量。之后加料浆进入另一计量罐后进入搅拌罐同时开动搅拌机，然后下胶料，铝粉计量后进入搅拌罐制搅拌3min后停止，进行浇注。浇注完毕静停，当达到一定强度后脱模切割并送入蒸压釜养护变成为产品［8-9］。

4.4 生产规模

粉煤灰加气混凝土生产线一条，设计一期工程年产50 000m3，可生产粉煤灰加气混凝土砌块600×240×240（180，120，100，200）mm3，亦可随时调整砌块尺寸，满足市场需要。全部竣工年生产能力100 000m3。

4.5 产品质量

1）强度：加气混凝土砌块（06级）抗压强度不低于3.5MPa。

2）绝干容重：650～700kg／m3。

3）达到指标的混凝土砌块其外观等级应达到GB／T 11968-1997。

4）外观尺寸偏差除达到国标规定外各面不允许有明显的裂纹。

5）产品等级标记：GB／T 11968-1997。

5 结 语

经过不断实验对比和探讨，确定了在实际生产中所需的工艺流程配比、搅拌条件、静停制度和养护条件等。制备循环流化床粉煤灰加气混凝土最佳配合比为：粉煤灰65%，石灰20%，水泥12%，石膏3%，铝粉0.1%，CaCl20.25%，水料比65%。

本研究不仅研制出了生产加气混凝土的技术配方，并为其设计出一套完整的生产技术方案。产品的开发建设符合环境保护、节约土地、节约能源等重大国策，符合国家经济指导方针和产业政策，符合电厂的实际情况，生产出的加气混凝土砌块符合文献［10］标准，而且成本低，具有广阔的应用前景和显著的经济、社会效益。

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Study on production of aerated concrete by circulating fluidized bed fly ash

In this article，chemical compositions of circulating fluidized bed fly ash were gualitative and guantitative analyzed by using X-ray fluorescence spectrometry and X-ray diffraction，then confirmed the suitable match ratio：fly ash 65percent，cement 12percent，lime 20percent，gypsum 3percent.Primarily studied on autoclaved condition，the effects of different amounts of water-binder ratio，Al powder addition，inorganic admixture（sodium sulphate，calcium chloride）addition on volume weight and compression strength.The result show that the best water-binder ratio was 0.65，the best Al powder addition was 0.1percent，sodium sulphate was less effect on volume weight and compression strength of aerated concrete，however compare with non-admixture，compression strength raised by 40percent while adding 0.25percent calcium chloride，it reached 4.55MPa and 910kg／m3，with increasing of addition of calcium chloride，the compression strength of aerated concrete decrease.

amidoxime based chelating fiber；heavy metal ion；adsorptive properties.

X 7

A

1674-1374（2014）01-0021-05

XU Zheng-tan

（College of Ecological Environment and Urban Construction，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China）

2013-09-15

福建省教育厅A类科技项目（JA05339）

徐正坦（1955－），男，汉族，福建福州人，福建工程学院副教授，主要从事环境工程方向研究，E-mail：xuzhengtan＠126.com.