粉煤灰在水泥工业中综合利用

2021-11-21李贺军王小平谢安琴罗会鹏张羽生

建材发展导向 2021年1期

李贺军王小平谢安琴罗会鹏张羽生

（贵州省建材产品质量检验检测院，贵州贵阳 550000）

在水泥生产过程中可以通过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产过程中的能耗水平。在水泥生料中利用粉煤灰代替传统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。在未来的发展过程中需要通过粉煤灰细磨技术来不断提高粉煤灰颗粒物的活性。

1 粉煤灰概述

火力发电厂在日常运行过程中需要燃烧大量的煤炭来为人类活动提供足够的电力能源供应，在国内较大火力发电规模导致每年可产生数亿吨的粉煤灰废弃物且对其进行处理时还需要占用大量的土地资源。如果对粉煤灰进行填埋操作就会对周边的植被、土壤、地表水等造成一定程度的影响或者污染。不过经过多年的研究之后科研人员逐渐将粉煤灰应用到水泥制造、建筑施工砖体制造、道路路基回填以及提升土壤肥力等多个方面。借助这种废物利用的模式可以有效地减少粉煤灰造成的环境污染、资源浪费以及提升经济效益。将粉煤灰应用于水泥的生产中可以在很大程度上提高其利用效率和经济附加值，主要原因在于水泥材料的市场价格相对比较高且销路也非常好。国内早在几十年之前就开始将粉煤灰运用于水泥生产的配料或者水泥混合料之中，技术上已经非常成熟［1］。

1.1 化学构成

煤炭中或多或少的含有一些铁元素、硅元素、铝元素或者其他类型的元素，这些物质在高温下燃烧就会形成氧化硅、氧化铁以及氧化铝等各种类型的金属氧化物。燃煤构成元素方面的差异导致其在燃烧之后也会产生的粉煤灰在化学构成方面也出现一定程度的差异化。燃煤中混杂的页岩和黏土在燃烧后会产生较多的二氧化硅和二氧化碳，而粉煤灰中的三氧化铁主要来自混杂在煤炭中的黄铁矿石颗粒物，而煤炭中的碳酸盐或者硫酸盐在高温作用下会产生氧化钙、氧化镁等化合物。粉煤灰中的氧化钙、三氧化铁以及三氧化铝等材料在水化作用之下可以形成具有一定凝胶特性的化合物，从而提升混凝土材料的力学性能［2］。

1.2 物理性能

从微观上来看粉煤灰中主要含有燃烧不充分的有机炭、玻璃体或者少量的晶体等。磁铁矿或者石英等是粉煤灰中比较常见的晶体结构；而粉煤灰中的玻璃体常常是形状不规则的多孔结构或者体积小、空隙少的球形结构。燃烧不充分的有机炭通常也是形状不规则的多孔疏松结构。

水泥中加水后会逐渐产生Ca（OH）2，而在其中加入粉煤灰之后还可以通过与氢氧化钙的反应来进一步强化水泥浆液的硬化强度，加入粉煤灰的水泥配置成的混凝土材料往往在抗渗性能方面具有更好的表现。在水泥中加入粉煤灰之后可以借助其微集料方面的特性来提升某些方面的物理性能，粉煤灰颗粒物大多是0.5到300微米的球形微小颗粒物且其表面的光滑性也比较高，加入粉煤灰的水泥在配置混凝土的过程中可以有效地减少其对水分的消耗量，这种效应称为形态效应。这些小的粉煤灰颗粒物可以对混凝土材料中的空隙进行有效地填充，并提升其整体的凝胶特性，进而凭借其优异的性能来提升混凝土材料的致密程度。

2 综合利用方式

2.1 用于生料配料

生产水泥的过程中常常将铁粉、石灰石以及黏土等材料作为生料中的重要配料，化学构成方面的相似性让粉煤灰成为黏土的重要替代性材料，从水泥的生产过程来看加入粉煤灰之后可以更好更快的生成活性氧化钙，其固相反应速度在一定的温度范围之内会有所提升。

采用黏土作为水泥熟料烧制的配料时需要消耗一定的能源来对其进行高温煅烧，而粉煤灰本身就是煤炭经过高温煅烧之后形成的产物且其中还含有一些燃烧不彻底的煤炭颗粒，因而粉煤灰对黏土材料的代替可以在一定程度上减少水泥熟料烧制时的煤炭资源消耗量。国内的企业最早在1997年时就利用粉煤灰来提高水泥熟料的产量以及减少其生产成本，而且最终生产出来的水泥熟料在质量方面也有所提升。早期的水泥生产过程中有时候会因为原料中含有较高比例的氧化钠或者氧化钾而产生较多的重量缺陷，主要表现在这些物质在水泥回转窖内进行加热之后会形成结球或者结皮等现象。将湿排粉煤灰添加到水泥熟料烧制的配料中可以有效地减少以上不良情况的出现。

黏土中的二氧化硅含量比粉煤灰中要高而三氧化二铝的含量则相对比较低，因而采用粉煤灰来代替黏土时必然会造成水泥生料中的铝含量偏高而硅含量偏低，通常在这种情况下通过添加矿用剂的措施来对部分元素的含量进行一定程度的校正。有研究人员对采用粉煤灰代替黏土之后的生料易磨性进行研究后得出的结论是其易磨性下降了，出现这种现象的主要原因在于生料中添加了矿用剂，与粉煤灰的使用没有太大的关系。

2.2 用于水泥混合材料

国内的道路交通、房屋建筑、工业生产以及公共基础设施建设等项目在过去的几十年中得到了高速的发展，而国内的水泥生产企业和水泥产量在这种情况的带动下也获得了空前的发展，国内的水泥产量在很长一段时间内都维持在很高的水平且在全球产量中所占比重也很高，按照粉煤灰在水泥混合料中的参合比例来判断，其每年的消耗量可以达到数亿吨之多。

从粉煤灰的化学构成来看将其与水进行拌和时通常不会产生水泥材料所需的水硬性，但是对某些条件进行改变之后也可以利用火山灰中的氧化物来形成具有凝胶特性的化合物，进而促进水泥凝固后的硬度。因而在制造水泥的过程中粉末，可以大量利用粉煤灰来提高其凝固后的强度效果。在制造粉煤灰水泥时需要将其中的粉煤灰用量控制在混合材料总量的20%到40%之间，而这一数值在复合硅酸盐水泥中可以占到20%到50%之间，因而将以上两种水泥材料的制备情况综合在一起后可知其混合料中粉煤灰含量的上限是50%。然而在实践过程中常常因为生产工艺方面的因素将其实际的掺合量控制在不超过25%。

通过专门的研磨设备将粉煤灰破碎成更加细小的颗粒物可以有效地提高其反应活性，因而选用粉煤灰作为水泥混合料时一般需要对其进行研磨操作。因而不少企业长期致力于研发对粉煤灰进行超细研磨的机械设备和工艺技术。现阶段国内的超细粉煤灰可以将比表面积控制在每千克700到1000平方米的水平，进而大幅度提高其在水泥混合料中的掺和比例。

工程技术人员发现在粉煤灰中加入矿物激发剂之后可以提高其活性并通过配合使用石膏来增加水泥的强度。其方案是将矿物激发剂和粉煤灰混合在一起并制作成两种重量和制造方法完全一致的对照组，第一组的测试方法是将混合成球状并经过烘干的混合料研磨成一定粒度的粉末，第二组的测试方法是将相同状态的混合料进行一定时长的高温煅烧，然后对比这两组混合料配置成的水泥强度后发现前者的比后者效果更好。

将粉煤灰磨成细小的颗粒物并将石灰作为激发剂来对其进行水化激发，经过这种处理的粉煤灰水泥材料在后期凝固的过程中可以表现出更好的活性，不同等级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级粉煤灰水泥时其混合料中的粉煤灰含量需要达到60%左右且采用石灰作为激发剂。

水泥材料的抗冻性能对极寒条件下的施工和建成后的运行都具有非常深远的意义，研究人员经过分析后认为水泥材料的抗冻性能在添加粉煤灰之后会得到一定程度的提升，而且通过这种措施还可以降低工程难度、降低混凝土保温的要求以及提升工程效益等。

3 粉煤灰水泥的特点

从粉煤灰的化学组成物可以判断出其中的三氧化二铝和二氧化硅在水化作用之下可以产生一定程度的凝胶效应，而其他构成成分几乎不具备类似的性能。细磨粉煤灰、碱性氢氧化物或者Ca（OH）2在水的作用下可以发生化学反应并形成具有凝胶特性的化合物，而加入了粉煤灰的水泥材料在凝固之后可以表现出更好的耐久性以及更好的强度。

大体积混凝土结构的浇筑作业会因为水泥的水化生热而产生比较显著的热胀冷缩效应，如果不对这一情况进行有效地处理就会导致大体积混凝土结构表面出现或多或少的裂纹。粉煤灰水泥在加水之后会产生更少的热量，因而这种水泥制成的混凝土结构内部的热胀冷缩效应更小、表面干缩性更小以及对裂缝的抵抗性也更好。现代化的房屋建筑结构、港口工程以及工业建筑等都可以利用粉煤灰水泥材料来提升施工质量。

粉煤灰水泥的强度、抗水性、抗弯性能以及凝固时长等性能都与粉煤灰材料的活性具有密切的联系，颗粒较大的粉煤灰材料在以上各个性能上都表现欠佳，因而现阶段大多采用细磨粉煤灰技术对那些较大的粉煤灰颗粒物进行研磨破碎，应该说粉煤灰颗粒物的粒径范围越小其活性就越高，但是研磨细度的大幅度升高会导致其技术难度增大、管理成本升高以及生产效率低下。

国内的大学经过科研攻关之后研制出粉煤灰颗粒物的立磨粉磨系统并有效地解决了工程难点，这种超细研磨技术的特点是能源消耗水平低、生产效率高的优势，因而这种技术已经在获得了比较广泛的应用。因而在未来的技术发展中需要不断降低粉煤灰颗粒物的细度、提升工艺过程的研磨效率以及降低处理成本等。