粉煤灰活性的综合评价与应用研究

2023-11-10唐骁刘孝轩史作言陈旭琳

广东轻工职业技术学院学报 2023年5期

唐骁，刘孝轩，史作言，陈旭琳

（浙江缙云抽水蓄能有限公司，浙江丽水 321400）

随着我国材料技术的不断发展与应用，作为燃煤电厂的工业副产物——粉煤灰的利用率逐年提升，高品质粉煤灰利用甚至出现了供不应求的现状。然而，由于粉煤灰是一种混沌、无序状态的工业副产物，受母煤品质差异、化学成分差异和加工处理方式不同等因素的影响，市场供给的粉煤灰性能波动很大，品质极不稳定，有的地方市场出现了假冒粉煤灰现象［1-4］。因此，粉煤灰品质综合评价方法对于粉煤灰的高效利用及水工混凝土质量控制具有重要意义。

目前，粉煤灰的品质评价应用较为广泛的方法是单因子评价法，因其简单易行而被许多国家和行业采用。我国现行的国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）也是单因子评价法，指标主要包含细度、烧失量、需水量比、活性指数、硅铝铁氧化物总质量分数等［5］。单因子评价法虽然简单易行，但实际应用时会存在条件苛刻的情况，无法根据粉煤灰的实际情况进行综合评价，可能导致粉煤灰资源的浪费［6-7］。此外，组合因子评价法也常用于粉煤灰品质的综合评价。例如，20世纪80年代，美国标准中规定采用细度乘以烧失量的组合因子评价粉煤灰品质。我国台湾则采用复合因子和品质当量来评价粉煤灰的品质［8-9］，具有较好的评价效果。随着科技的发展，我国科研人员借鉴其他国家组合因子评价法的经验，发展了新的综合评价方法。综合评价方法主要是综合了细度、需水量比、烧失量、密度等性能的组合综合评价粉煤灰的性能。与单因子评价法相比，综合评价法能够最大程度反映粉煤灰的性能，提高粉煤灰的利用率。例如用模糊数学理论［10］、灰色关联分析理论［11］、秩比和法［12］等对粉煤灰进行综合品质评价，这些评价方法较科学，适合理论计算分析，但计算较麻烦，不利于广泛应用。因此，构建合理的粉煤灰活性综合评价方法，对于粉煤灰在水工混凝土中的应用具有重要意义。本文采用我国现行标准GB/T 1596-2017和组合因子的评价方法对浙江地区的粉煤灰品质进行综合评价，并构建了粉煤灰活性综合评价体系，为粉煤灰在水利工程中的高效应用提供技术支撑。

1 原材料及性能

本次试验研究采用的主要原材料为P·II水泥、浙江地区的粉煤灰、ISO标准砂等。

1.1 水泥

根据《通用硅酸盐水泥》（GB175-2020），本试验测试了水泥力学性能、凝结时间、标准稠度用水量、安定性等指标，其相关性能及化学成分见表1和表2。

表1 水泥的物理及力学性能

表2 水泥的化学组成（wt.%）

1.2 砂

细骨料采用的是ISO标准砂。

1.3 粉煤灰

分别对浙江地区四种粉煤灰的化学成分、颗粒分布、微观形貌和矿物组成进行表征，粉煤灰的化学成分见表3。

表3 粉煤灰的化学组成（wt.%）

1.3.1 颗粒分布

四种粉煤灰的颗粒分布通过激光粒度分析仪进行测定，型号为Mastersizer 2000型。粉煤灰粒径测试相关参数如下：分散介质为无水乙醇，其折射率为1.32，固体颗粒的折射率为1.68，遮光度10～15%。粒径分布如图1所示。

图1 四种粉煤灰的粒径分布（a）频率分布；（b）累积分布

1.3.2 微观形貌及矿物成分分析

（1）微观形貌

采用扫描电子显微镜（SEM，EVO18，Zeiss）观察了四种粉煤灰的微观形貌。工作条件：真空状态，加速电压为10.0 kV，可放大的倍数射线衍射仪（XRD）对四种粉煤灰中玻璃体含量进行测试，测试条件：Cu-Ka靶，工作电压为40 kV，X射线衍射波长为0.154 18 nm，测试角度范围5～90。粉煤灰的XRD 图谱如图3所示。从图中可知，四种粉煤灰的矿物组成差异较小。为30～100 000 倍。四种粉煤灰的微观形貌如图2所示。

图2 四种粉煤灰的微观形貌（a）1号样品；（b）2号样品；（c）3号样品；（b）4号样品

图3 四种粉煤灰的XRD 图谱

（2）矿物分析

通过PANalytical公司的X'pert Powder型X

2 粉煤灰品质影响因素研究

2.1 粉煤灰品质对其需水量比的影响

2.1.1 细度的影响

细度是表征粉煤灰颗粒大小的重要指标，粉煤灰的掺入能够改善硬化浆体微观结构，从而提高耐久性。本试验的粉煤灰细度测试方法为筛余法，不同批次为浙江具有代表性的乐清电厂和国华电厂生产的不同日期粉煤灰。不同批次粉煤灰细度对其需水量比的影响如图4所示。

图4 不同批次粉煤灰细度对其需水量比的影响

采用45μm方孔筛筛余表征粉煤灰的细度，筛余值越大，表示粉煤灰细度越大；筛余值越小，则其颗粒越细。从图4可以看出，粉煤灰的需水量比与细度成对数型增长。此外，粉煤灰的碳含量、球形玻璃体含量等因素也对需水量有较大的影响，不能简单地研究粉煤灰细度与需水量比的相关性。

2.1.2 烧失量的影响

烧失量是指将粉煤灰放入高温炉中在一定温度下保温2 h左右失去的质量分数，可测定粉煤灰中未燃烧完全的有机物含量的参数。一般来说，粉煤灰烧失量越大，则其中含未燃烧完全的碳含量越多，因而导致需水量增大。不同批次粉煤灰烧失量对其需水量比的影响如图5所示。

图5 不同批次粉煤灰烧失量对其需水量比的影响

从图5中可以看出，粉煤灰的需水量比与烧失量成线性增长，两者呈正相关，主要是由于粉煤灰中未燃烧完全的碳含量较高，碳本身粗大而多孔，且无胶凝性，易吸水，从而导致其需水量增大。因此，在选择粉煤灰作为掺合料时，应避免使用烧失量大的粉煤灰。

2.2 粉煤灰品质对其活性指数的影响

2.2.1 细度的影响

粉煤灰细度与其活性指数的关系如图6所示。从图中可以看出，粉煤灰的细度与其活性的相关性较高。粉煤灰的细度越小，其活性指数越高，主要是因为粉煤灰细度越细，则比表面积越大，水化成核位点较多，有利于水化产物的形成，从而使得粉煤灰的活性越高。细度越大，粉煤灰颗粒越粗，矿物溶解-成核过程缓慢，水化能力较低，活性越低。

图6 不同批次粉煤灰细度对其活性指数的影响

2.2.2 烧失量的影响

粉煤灰烧失量与其活性指数的关系如图7所示。从图中可以看出，粉煤灰烧失量与其活性指数有一定的关联，烧失量越大，活性指数越低。图中粉煤灰烧失量包含了I、II、III 级粉煤灰。

图7 不同批次粉煤灰烧失量对其活性指数的影响

2.2.3 硅、铝、铁氧化物总含量的影响

粉煤灰的强度主要是通过其内部氧化物与Ca(OH)2发生化学反应生成相应的水化产物而来，即火山灰效应；随着化学反应的不断进行，生成的水化产物也越来越多，结合粉煤灰颗粒的填充效应，粉煤灰的强度逐渐形成。因此，硅、铝、铁氧化物总含量是粉煤灰能否很好发挥火山灰活性的关键因素。粉煤灰硅、铝、铁氧化物总量与其活性指数的关系如图8所示。从图中可以看出，粉煤灰的硅、铝、铁氧化物总量与其活性指数之间不存在明显的关联。但是硅、铝、铁氧化物总量是粉煤灰能否发挥火山灰活性的关键所在，因此，尽量选择硅、铝、铁氧化物总量高的粉煤灰。

图8 不同批次粉煤灰硅铝铁氧化物总量对其活性指数的影响

3 粉煤灰预测模型和评价体系构建

通过前图分析可知，浙江地区的粉煤灰化学成分变化较小，烧失量和细度变化较大。由于烧失量和细度对粉煤灰品质的影响较大，所以采用粉煤灰烧失量和细度的组合因子来评价其品质的可靠性更高。此外，粉煤灰的强度发展主要是通过硅、铝、铁氧化物与Ca(OH)2持续发生化学反应生成相应的水化产物而来，因此，从理论上讲，采用硅、铝、铁氧化物与烧失量、细度的组合因子综合评价粉煤灰品质具有一定的可行性。本研究借鉴台湾地区复合因子和品质当量来评价粉煤灰品质。复合因子定义为烧失量与细度（45μm筛余量）的乘积，表示粉煤灰的品质的变化量如式（1）所示。

虽然硅、铝、铁氧化物质量分数与粉煤灰需水量比、活性指数的相关性不大，但是SiO2、Al2O3是铝、硅酸盐的重要组成部分，对粉煤灰的强度和耐久性发展具有较大的影响，因此应当越多越好［13-14］。粉煤灰品质当量Q定义为硅、铝、铁氧化物总量与复合因子开方的比值［15-16］，如式（2）所示。

用品质当量划分粉煤灰等级见表4。

表4 品质当量划分粉煤灰等级

为了验证采用品质当量作为粉煤灰预测模型的准确性，对四批粉煤灰进行验证。分别测试了四种粉煤灰的细度、烧失量、硅、铝、铁氧化物质量分数及活性指数等指标，具体数据见表5。

表5 四种粉煤灰相关数据

从表5可以看出，6号样品的细度为36.9%，按照我国现行标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017），6 号样品应该判定为III 级粉煤灰，其余3 种粉煤灰均为I 级。但其活性指数高达85.6%，且其它指标均满足I级粉煤灰。因此按照粉煤灰国家标准GB/T 1596-2017判定，会造成大量优质粉煤灰的浪费。

采用品质当量的方法对四种粉煤灰进行计算，得出的数据如表6所示。采用品质当量的计算方法，得到6号样品的Q值为11.3，为I 级粉煤灰，其余三种粉煤灰也是I级。因此按照品质当量计算方法和划分标准能够最大限度地利用粉煤灰。