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1、第三讲 粉煤灰及矿粉,一、国内外粉煤灰综合利用概述,粉煤灰是火力发电厂的主要废弃物，其产量逐年增大。处理不当将严重污染环境目前国内外已经把粉煤灰广泛应用于建材、建工、回填、筑路、农业、化工、环保、高性能陶瓷材料等众多领域。1、国外粉煤灰利用情况国外20世纪30年代就用粉煤灰配置混凝土英国粉煤灰利用率为46.2%,德国65%, 法国75%。美国把粉煤灰列入矿物资源的第七位，排在矿渣石灰与石膏之前。美国20世纪30、40年代就用粉煤灰建造水坝日本也从20世纪50年代起用粉煤灰建造水坝,一、国内外粉煤灰综合利用概述,2、国内粉煤灰利用情况我国粉煤灰的综合利用技术有近200 项，其中得到实施应用的近7
2、0 项。但是相对来说我国粉煤灰的利用率还是较低产生的附加值并不是很高。所以我们必须加紧对粉煤灰在高新技术领域应用的研究。据资料统计，中国的粉煤灰堆积量已达到120亿t，且每年以1.6 亿t 速度增加，用这些粉煤灰堆成4 m 宽、4m 高的城墙，长达80，000km，比万里长城长16 倍多，可以绕地球两圈以上目前我国粉煤灰利用率约为45左右,二、粉煤灰基本性能,1、外观特性粉煤灰外观类似水泥，颜色在乳白色到灰黑色之间变化。粉煤灰的颜色是一项重要的质量指标，可以反映含碳量的多少和差异。在一定程度上也可以反映粉煤灰的细度，颜色越深，粉煤灰粒度越细，含碳量越高。粉煤灰就有低钙粉煤灰和高钙粉煤灰之分。通
3、常高钙粉煤灰的颜色偏黄,低钙粉煤灰的颜色偏灰。粉煤灰颗粒呈多孔型蜂窝状组织，比表面积较大，具有较高的吸附活性，颗粒的粒径范围为0.5300m。并且珠壁具有多孔结构，孔隙率高达50%80%，有很强的吸水性,二、粉煤灰基本性能,2、化学成分粉煤灰物理化学性质波动比较大，这主要是煤质的不同、锅炉技术参数不同、技术管理水平不同等造成的。粉煤灰的主要化学成分为：SiO2：33%63%；AlO3：16%40%；Fe2O3：1.5%6%；CaO：2%8%；MgO：1.5%4%；Na2O：0.5%2.5%；K2O：0.3%2%；TiO2：0.3%1.6%。,二、粉煤灰基本性能,3、微观性能粉煤灰的显微结构主要
4、是研究颗粒形状、内部结构及物相种类等特性。31 漂珠漂珠一般呈乳白色，密度小于1g/cm3，粒径15m180m，以玻璃相为主，空心球，漂于水面，玻璃相内有残存气体包裹。在熔融态时，因表面张力的作用，在最终收缩过程中，产生复合结构的微珠（即子母珠）。有呈定向针状莫来石集合体和交织状的针状莫来石晶体。,二、粉煤灰基本性能,3、微观性能32 沉珠（硅铝质玻璃微珠）一般呈灰白色，粒径小于50m，密度为1.8-2.7g/cm3可沉于水底。SiO2和Al2O3的总和通常在80%以上，珠体形成的温度为1300-1400左右，其物相主要为玻璃相、莫来石及少量鳞石英晶体析出，莫来石的含量与晶体的程度高于石英 如
5、果对微珠进行轻度溶蚀，使壳层玻璃体溶解，可清晰见到从珠壁向内生长的针状莫来石晶体，并且大微珠内还包裹着更小的微珠。也有微珠在玻璃质珠壁上析出莫来石和鳞石英。其玻璃基质有很多气孔出现。,二、粉煤灰基本性能,33 海绵体玻璃体（也称不规则微珠）当煤粉粒子较粗或锅炉温度低于1300时，煤粉中的铝硅酸盐黏土矿物来不及完全液化，通过固-液相反应和快速冷却而形成的。在液相粘度较大所形成的硅铝玻璃体表面极为粗糙，具有大量微孔的近似圆形的海绵体的不规则微珠。该微珠呈乳白色-灰色，粒径小。含硅量高，有少量的莫来石等。 34 磁珠也称高铁微珠，呈黑色，粒径为50m左右，导电，并显磁性，密度为3.84.2 g/cm
6、3。该珠体是由富铁组成的粉煤灰溶体从高温快速冷却，通过表面张力收缩形成的，成珠后溶体极易析出磁铁矿、赤铁矿和方铁矿等晶体。,某电厂粉煤灰的颗粒形貌（1）,1000,500,某电厂粉煤灰的颗粒形貌（1）,2000,5000,某电厂粉煤灰的颗粒形貌（2）,1000,2000,某电厂粉煤灰的颗粒形貌（2）,3000,5000,某电厂粉煤灰的颗粒形貌（3）,200,500,某电厂粉煤灰的颗粒形貌（3）,1000,2000,某电厂粉煤灰的颗粒形貌（3）,3000,5000,某电厂粉煤灰的颗粒形貌（4）,1000,2000,某电厂粉煤灰的颗粒形貌（4）,4000,5000,二、粉煤灰基本性能,35 残炭残
7、炭的形成是当煤粉过粗或炉温较低时，燃烧不完全形成的一种未燃尽的残屑。一般呈黑色，粒度范围较大，密度在1.5g/cm3左右表面疏松多孔，有片状残炭、半圆状残炭、多孔球状残炭及无定形残炭和硅铝微珠连接体。,二、粉煤灰基本性能,4、水化活性粉煤灰最主要的三大效应。第一，“形态效应”。在显微镜下显示，粉煤灰中含有70以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地致密。这种形态对混凝土而言，无疑能起到减水作用、致密作用和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送混凝土，能起到良好的润滑作用。,二、粉煤灰基本性能,4、水化活性第二，“活性效应”。粉煤灰的
8、“活性效应”因粉煤灰系人工火山灰质材料，所以又称之为“火山灰效应”。这一效应能对混凝土起到增强作用和堵塞混凝土中的毛细组织，提高混凝土的抗腐蚀能力。第三，微集料效应。粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑，在水泥中可以相当于未水化的水泥颗粒，极细小的微珠相当于活泼的纳米材料，能明显地改善和增强混凝土及制品的结构强度，提高匀质性和致密性。这三种效应相互关联，互为补充。粉煤灰的品质越高，效应越大,粉煤灰混凝土的工作性能,1）减少混凝土需水量。2）改善混凝土泵送性能。3）提高混凝土密实性、流动性和塑性。4）减少泌水与离析。5）减少坍落度损失。,粉煤灰优缺点,1）节省费用。2）改善新拌混凝土的工作性。3）改善混
9、凝土的长期性能或极限强度。4）改善混凝土抗硫酸盐侵蚀、碱集料反应等耐久性能。5）与外加剂的叠加效应，使减水剂效果更为明显。6）降低混凝土的放热高峰。,粉煤灰优缺点,1）由于混凝土碱度降低可能引起钢筋锈蚀的保护性能降低。2）粉煤灰含碳量的较高时将影响混凝土外加剂的适应性，如降低引气剂引气效果。3）由于用水量的降低，要求更为严格的养护制度。,三、粉煤灰在建材行业的应用现状,1 粉煤灰制砖粉煤灰烧结砖是我国目前吃灰量很大的项目之一，生产工艺及主要设备与普通粘土砖基相同。与普通粘土砖相比，其各项性能均能达到要求，并能降低建筑物的自重，提高建筑物的保温性能，其使用效果优于普通粘土砖。目前国家已逐步禁止使
10、用实心粘土砖，这样粉煤灰烧结砖市场前景广阔。粉煤灰蒸养砖也可以和粘土砖一样，作为承重墙体材料应用于工业与民用建筑。生产粉煤灰蒸养砖可以使用质量较差和长年积存在灰坑中的湿排灰，提供了一条可行的出路。,三、粉煤灰在建材行业的应用现状,2、 粉煤灰制砌块粉煤灰砌块目前主要是粉煤灰小型空心砌块等品种。粉煤灰小型空心砌块的主要工艺特点是 ：原材料：胶结料以水泥为主；集料由炉渣、砂、石或人造轻集料的多元材料组成；生产工艺由带模养护变为脱模养护，成型设备由振动台变为加压振动成型机组流水作业，劳动生产率提高，劳动强度降低,三、粉煤灰在建材行业的应用现状,3 粉煤灰作为制水泥和混凝土的原材料粉煤灰的成分与粘土相
11、似，可以替代粘土配料生产水还可利用其残余碳，在煅烧水泥熟料时可节约燃料。用粉煤灰做生产水泥的混合材料时，主要是利用其火山灰性质。根据粉煤灰掺量的不同，生产不同品种的水泥。粉煤灰加气混凝土是以粉煤灰为基本原料，配以适量的生石灰、水泥、石膏及铝粉等添加剂制成的一种轻质混凝土建筑材料，粉煤灰掺量一般可达70。用粉煤灰作混凝土掺和料，要求粉煤灰有较高的质量，如细度要大、活性要高、含碳量要低。,三、粉煤灰在建材行业的应用现状,4 粉煤灰生产其他建筑材料粉煤灰还可用于生产粉煤灰陶粒、灌浆材料等。5、粉煤灰在道路工程中的应用用灰量占利用总量的20，粉煤灰、石灰石、砂稳定路面基层。粉煤灰用于护坡、护提工程和粉
12、煤灰修筑水库大坝，建造广场、机场、港区的地基等。粉煤灰沥青混凝土。6、从粉煤灰中提取矿物和高值利用粉煤灰中部分具有工业价值的稀有元素通常在细粒飞灰中富集，达到工业品位，可予以提取利用。目前己提取出铝、锗、镓、银、锅、铀等多种金属。这是粉煤灰综合利用的一条可行途径。,四、粉煤灰在农业方面的应用,1 利用粉煤灰改善土壤可以明显地改善土壤结构降低容重增加孔隙度提高地温、缩小膨胀率，从而显著地改善黏质土壤的物理性质促进土壤中微生物活性，有利于养分转化和种子的萌芽，合理施用符合农用标准的粉煤灰对不同土壤都有增产作用。对于黏、重、板及酸性土壤，每公顷施粉煤灰225t即可取得显著增产效果；小麦增产10.45
13、%，玉米增产9.3%，水稻增产12.1 %。印度坎普尔地区的导水性实验、南昌的土壤孔隙实验、西北农学院土壤膨胀实验（防止土壤流失）都已经有力地证明了粉煤灰改善土壤结构的效果。,四、粉煤灰在农业方面的应用,2 、利用粉煤灰生产复合肥粉煤灰可以改良土壤调节土壤温度和pH 值，增加和补充土壤的营养成分。粉煤灰粪便和生活垃圾可以生产无害全营养复合肥料和微量元素肥。已经开发的粉煤灰化肥品种有粉煤灰硅钙肥、粉煤灰钙镁磷肥、粉煤灰磁化肥等。我国利用独创工艺生产出了中国磁化肥是以粉煤灰为主要原料按科学配方加入适量添加剂，经特殊磁化处理的复合肥，磁性复合肥作为专用肥料，不仅能提高肥效改良土壤耕性，而且能增强作物
14、的光合作用和呼吸功效提高作物抗旱抗灾性。,矿粉,从1969年起，英国、德国等发达国家就开始了超细矿渣粉在混凝土中作为矿物掺合料的应用。自上世纪90年代起，我国开始了超细矿渣粉的应用研究工作。2000年，国家标准用于水泥和混凝土的粒化高炉矿渣粉GB/T180462000正式颁布。2002年，国家标准高强、高性能混凝土用矿物外加剂颁布实施。在该标准中，正式将超细矿渣粉命名为“矿物掺合料”，纳入混凝土第六组分。从此，超细矿渣粉作为一个独立的新产品横空出世，并立即被广泛地接受和应用。,1.矿粉的概念,磨细矿粉即磨细水淬高炉矿渣粉，又称矿渣微粉，其英文缩写为GGBS或GGBFS 磨细矿粉是以高炉水淬矿渣
15、为主要原料经干燥、粉磨处理而制成的超细粉末材料；是制备高性能水泥和混凝土的优质混合材。,2.矿粉的技术指标,矿粉的活性指数是采用标准试验测试确定的，简单的说：矿粉替代50%水泥，拌合制作标准砂浆试件，然后测试砂浆28天强度。含矿粉砂浆强度与不含矿粉基准砂浆强度比，就是矿粉的活性指数。常用的S95是一个矿粉等级。其中S表示矿粉，来源于英文SLAG（矿渣）。95表示活性指数不小于95%。标准：S105/95/75，7天活性指数：不小于95、75、55，28天活性指数：不小于105、95、75流动度比：小于85、90、95密度。2.8g/cm3，比表面积：不小于350m2/kg,2.矿粉的技术指标,
16、粒化高炉矿渣的质量可用质量系数K得大小来表示：K=（CaO + Al2O3 + MgO）/（ SiO2 + MnO + Ti O 2）式中CaO 、Al2O3 、MgO、SiO2 、MnO 、 Ti O 2为相应氧化物的重量百分数。质量系数反应了矿渣中活性组分与低活性和非活性组分之间比值。质量系数越大，则矿渣的活性越好。,3.矿粉和粉煤灰的区别,（1）两者来源不同：粉煤灰来源于热电厂排放的烟气经收尘处理后收集得到的飞灰；而磨细矿粉则是由炼铁高炉排出的熔融态矿渣经水淬（粒化）后再进行干燥、磨细加工而得到的超细粉末。（2）两者化学组成不同：一般粉煤灰含很高的SiO2、Al2O3，但CaO却非常低（
17、仅为1-5%）；磨细矿粉则具有与普通硅酸盐水泥非常相近的化学组成，如CaO 30-42%, SiO2 35-38%, Al2O3 10-18%, MgO 5-14%，等。（3）两者水化活性不同：粉煤灰不具有自身水化硬化特性，只能在有活性激发剂（如硅酸盐水泥等）作用下，才能具有强度；磨细矿粉却具有自身水化硬化特点，能在加水拌和后自行水化硬化并具有强度。当有硅酸盐水泥激发时，其活性得到更充分的发挥。,3.矿粉和粉煤灰的区别,（4）两者的允许掺量不同：粉煤灰在水泥中的允许掺加量为2040%，但在混凝土中最大掺量一般不超过35%；磨细矿粉在水泥或混凝土中的掺加量则可达2070%。一些欧洲国家甚至允许掺
18、到85%。（5）两者在混凝土中的掺加方式不同：粉煤灰一般采用“超量”取代水泥方式以保证混凝土强度达标；磨细矿粉则通常采用“等量”取代水泥方式配制混凝土，其强度仍然可以满足设计要求。,4.掺矿粉混凝土拌和物性能特点,与空白混凝土相比，掺加超细度矿粉混凝土拌和物具有如下基本性能特点：（1）凝结时间延长，坍落度损失小，对夏季施工有利；（2）拌和物粘聚性增加，不易分层离析，可泵性好；（3）混凝土泌水减少，对减少沉降开裂有利。,5.掺矿粉混凝土强度发展特点,1）矿粉掺量对混凝土强度发展有显著影响，应根据设计与施工要求，通过实验确定最佳的掺量范围；（2）在标养条件下，掺量30-50%矿粉混凝土3天抗压强度
19、约为空白混凝土的50-60%，7天时达到70-80%，28天及以后强度与空白混凝土持平并可持续增长。,6.养护温度对掺矿粉混凝土强度发展影响,（1）掺矿粉混凝土强度发展对养护温度较敏感，温度越低对其强度发展越不利；（2）夏季施工对掺矿粉混凝土强度发展有利，但应注意混凝土表面保湿，确保其有充分的水化硬化环境；（3）冬季施工由于气温较低，混凝土强度发展缓慢，应适当降低矿粉掺加量同时遵照国家有关冬季施工规范，采取必要保温措施，确保其强度满足要求。,（4）结构物中的混凝土实际处于一个温度不断升高的养护环境，其强度发展一般比处于标准条件下（如RH90%，T201oC）养护的混凝土立方试块高。（5）实验证
20、明，掺矿粉混凝土在绝热温升养护条件下的强度远比标养下混凝土强度高。,7.以下情况下的混凝土应考虑使用大掺量矿粉,（1）有严格温控要求的大体积混凝土（如大型结构物基础、地下室、隧道、等）；（2）曝露于严酷环境中的抗腐蚀混凝土结构（如港工/海工混凝土结构、污水处理厂、盐碱地区混凝土结构、等）；（3）具有潜在碱-骨料反应破坏地区的混凝土结构；（4）自流平（密实）混凝土。（5）高性能混凝土。,8.矿粉(S95级)在混凝土中的掺量,（1）“单掺”矿粉时，可按等量取代原则并根据以下方法确定矿粉的合适掺量：(a)对于地上结构以及有较高早期强度要求的混凝土结构，掺量一般为20-30%；(b)对于地下结构、强度要求中等的混凝土结构，掺量一般为30-50%；(c)对于大体积混凝土或有严格温升限制的混凝土结构，掺量一般为50-65%；(d)对于有较高耐久性能要求的特殊混凝土结构（如海工防腐蚀结构、污水处理设施等），掺量可达50-70%。（2）采用“双掺”粉煤灰和矿粉时，由于受粉煤灰掺量和质量波动的影响很大，只能根据上述基本原则，通过具体试验确定各组份正确的掺加量。,