粉煤灰活化措施研究

活化粉煤灰水泥砌筑砂浆的实验研究摘要:本文通过对粉煤灰进行活化并进行性能检测,然后利用活化后的粉煤制备满足《砌体设计规范》中的粉煤灰砌筑砂浆。

实验结果表明:在粉煤灰掺量在30%时,粉煤灰水泥砂浆的分层度值、稠度值、抗折及抗压强度值达到各标准的最佳值。

在建筑工程中活化粉煤灰完全可以取代部分水泥作为胶凝材料,获得的粉煤灰砌筑砂浆性能完全满足《砌体设计规范》的标准。

同时,通过添加粉煤灰解决了砂浆泌水、分层度增大、和易性不好等问题;同时降低了建筑成本和提高工程质量。

关键词:粉煤灰活化砌筑砂浆由于我国燃煤电厂煤种来源多,煤质差异大,加上各电厂磨煤机类型各异,导致煤粉粗细不同,燃烧后煤灰颗粒度差异大,而且粉煤灰中优质灰较少,95%以上为III级灰或等外灰,活性较低,不能直接用作水泥混合材、高性能混凝土的矿物掺合料以及生产免烧高强新型墙体材料与地面材料,极大地限制了粉煤灰的开发利用。

就目前而言,如何对低等级灰进行活化技术处理,充分发挥其潜在活性,变废为宝,开发出新型建筑材料显得非常重要[1-4]。

本文通过对低品质的粉煤灰进行活化,并应用于砌筑砂浆,获得满足《砌体设计规范》中的粉煤灰砌筑砂浆[5]。

1 材料与方法1.1 材料与设备1.1.1 材料粉煤灰:四川江油火力发电厂的原状干排粉煤灰,含水率小于1%,45μm方孔筛筛余76%,为低钙粉煤灰,活性较低。

水泥:四川双马32.5强度等级普通硅酸盐水泥。

细骨料:ISO标准砂;石灰:有效CaO含量大于70%,80μm方孔筛筛余1.2%。

石膏:有效CaSO4•2H2O>90%,80μm方孔筛筛余2.5%。

减水剂:由绵阳三三科技有限公司提供。

1.2.2 设备烘箱(378.15K):DB-210型电热鼓风恒温干燥箱,中国成都电烘箱厂;水泥标准稠度与凝结时间测定仪(维卡仪):无锡建筑材料仪器机械厂;双转双速水泥净浆搅拌机:NJ-160B型,无锡建筑材料仪器机械厂;混凝土加速养护箱:HJ-84型,沈阳市北方试验仪器厂分厂;混凝土标准养护箱:HBY-40B型,温度为293.15±1K,相对湿度不低于90%,江苏无锡华南试验仪器有限公司制造;沸煮箱:FZ-31A型,无锡建筑材料仪器机械厂;行星式水泥胶砂搅拌机:JJ-5型,无锡建筑材料仪器机械厂;水泥胶砂试体振实台:ZT-96型,无锡建筑材料仪器机械厂;数显抗折实验机:SKZ-500A 型,无锡建筑材料仪器机械厂;液压式压力实验机:YE-30型,济南实验机厂制造。

粉煤灰的化学活性及激活方法摘要：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）。

粉煤灰活性的激发及其机理研究粉煤灰（flyash）是一种常见的可再生性再生资源，它是煤炭燃烧过程产生的最常见的副产物。

因为其碳、氧和硅含量较高，粉煤灰具有良好的活性性质，是各种建筑材料的重要原料和配料。

目前很多研究已经把粉煤灰用作混凝土的填料，以提高混凝土的抗压强度。

然而，为了更充分地利用粉煤灰中的活性成分，人们需要深入地了解其活性成分的激发机理，以及如何改良混凝土中对它的利用。

粉煤灰的活性是指它的碳、氧和硅元素在及时反应之后可以获得更高的功效，这通常伴随着碳氢键的断裂，氧官能团的变化，硅官能团的加强。

这种活性可以用高温或光化学反应来激发，也可以与其他化合物发生反应来激发，比如液体水，酸性溶剂等。

高温化学激发是指将粉煤灰放置于高温环境中，让碳氢键和氧官能团断裂，硅官能团活化，从而获得更高的功效。

光化学激发则指将粉煤灰暴露于光谱中间到短波段的可见光中，利用光的能量使其发生活性化学反应，并从而激发粉煤灰的活性成分。

原料中的液体水和酸性溶剂则可以催化碳氢键和氧官能团的断裂，活化硅官能团，从而提高粉煤灰的活性。

激发粉煤灰中活性成分后可以用来改善混凝土性能，比如增加抗压强度和抗折强度，增加抗水化性能，增加抗冻性能，提高抗冲击性能等。

类似的，改善的混凝土的某些物理及力学性质也可以用粉煤灰进行改善。

例如，当粉煤灰添加到混凝土中，其小孔结构可以改善混凝土的热性能，当增加粉煤灰的含量时，可以增加混凝土的强度，同时减少其密度，从而改善混凝土的机械性能。

目前，粉煤灰的激发及其机理研究已成为越来越受到重视的研究课题。

在激发机理研究方面，主要以微观结构和分子动力学理论为基础，通过原子力显微镜、傅立叶变换红外光谱、拉曼光谱等技术，研究粉煤灰激发机理，探究不同环境下粉煤灰激发的效应，以更好地利用粉煤灰的活性成分。

此外，对于改良粉煤灰利用研究，学者们也采用多种方法，以改进粉煤灰在混凝土中的利用效果。

其中最常用的方法之一是添加一定比例的矿物活性剂，以增强粉煤灰活性。

粉煤灰活性的激发及其机理研究粉煤灰（flyash）是由燃煤发电厂燃烧煤燃烧室内形成的碳灰渣，经过脱灰处理后经脱灰器分离，属于烟气除尘后产生的轻质灰粒体，也称为烟气灰，是一种绿色环保材料并具有非常重要的建筑应用价值。

近几年来，随着工业和建筑材料的发展，粉煤灰的应用范围也越来越广泛。

然而，粉煤灰的活性与其他材料相比较较低，难以达到更高的性能。

因此，如何提高粉煤灰的活性，充分发挥其余重要用途就成了一个棘手的问题。

首先，为了提高粉煤灰的活性，必须弄清楚粉煤灰活性提高的机理。

研究普遍认为，粉煤灰活性的提高与其内部微粒的结构有关。

内部结构决定了其热稳定性和表面性能。

通常，粉煤灰内部结构的主要部分是晶界、颗粒组分和毛细晶粒，其中晶界占粉煤灰中的主要比例，起到了关键作用。

当粉煤灰的晶界层渗透性较强时，粉煤灰的活性就会提高。

此外，粉煤灰活性提高的机理还包括表面特性和反应性，这两者都可以有效提高粉煤灰的性能。

粉煤灰表面特性包括形貌、表面界面张力、表面行为等，而反应性则与其物理化学性质有关，比如比表面积、表面结合能、热可溶性碱量等物理化学性质的改变。

这些物理化学性质的改变会带来粉煤灰性能的变化，从而提高粉煤灰的活性。

随着研究的深入，粉煤灰活性的提高也开始涉及其他因素。

实验发现，粉煤灰的活性受到添加剂（氢氧化钠、镁和氯化钠等）的影响，添加剂在粉煤灰中可以产生盐化作用，改善热稳定性，提高粉煤灰的可抗氧化性能，增加粉煤灰的表面活性，从而提高粉煤灰的活性。

另外，粉煤灰的活性还与它的烧制参数有关，包括燃烧温度、燃烧时间等。

提高粉煤灰的烧制温度可以促进热分解和衍生物的生成，以及改变粉煤灰内成分，改善表面形貌和内部结构，从而提高粉煤灰的活性。

此外，粉煤灰的活性提高还可以通过物理处理，如电离技术、磨粉技术和细化处理等，来达到预期的效果。

电离技术可以改变粉煤灰物质的结构，使其变得更活泼，从而提高粉煤灰的活性。

通过以上研究，我们可以发现，粉煤灰活性提高的机理复杂而多样化。

如何提高粉煤灰的活性随着电力工业的迅速发展，粉煤灰的排放量急剧增加，年排放量已接近2亿t，而被利用的粉煤灰仅占排放粉煤灰量的25%～30%，造成粉煤灰的大量堆积。

未被利用粉煤灰的堆放不仅占用大量土地，而且严重污染环境。

大量粉煤灰未被利用是由于粉煤灰的活性低，因此要提高粉煤灰的利用率，必须提高粉煤灰的活性。

以下介绍几种简易的活化方法，以拓宽粉煤灰的利用途径。

（1）磨细粉煤灰粉煤灰越细，火山灰反应能力越好。

表1为一组不同粉磨细度粉煤灰配制的水泥强度数据，可见，粉煤灰细度不同，活性有较大差异，这说明粉磨粉煤灰可提高其活性。

表1粉煤灰细度对其活性的影响注：未掺粉煤灰的水泥细度为0.08mm方孔筛筛余5.4%。

（2）化学物质活化利用化学物质活化粉煤灰，可采用：①碱性物质：NaOH、Ca(OH)2、水泥熟料等；②碱金属盐：Na2CO3、Na2O·n SiO2等；③硫酸盐：Na2SO4、CaSO4等；表2～4分别列出了添加Na2SO4、Na2CO3和Na2O·n SiO2激发剂对粉煤灰活性的影响。

表2 Na掺量对粉煤灰活性的影响表3 Na掺量对粉煤灰活性的影响掺量对粉煤灰活性的影响表4Na表2～4数据表明，掺入Na2SO4、Na2CO3和Na2O·n SiO2，都可不同程度地提高粉煤灰水泥的强度，但也不同程度地带入了一部分碱含量，按Na2O计约为1.0%～1.5%；当混凝土中含有活性集料时，有可能发生碱集料反应或混凝土表面冒碱等危害，因此使用时应注意。

这里特别要说明的是，用含Cl—的化学物质作激发剂，也可显著地提高粉煤灰水泥的强度，但这种物质会加速混凝土中钢筋的锈蚀，缩短混凝土的使用寿命，不能使用。

（3）改变粉煤灰组成与物相结构粉煤灰中的主要矿物相为玻璃体、莫来石、石英，水硬性矿物很少，粉煤灰的活性主要来自玻璃相。

为增加粉煤灰中的水硬性矿物以提高其活性，可采用加入石灰石、矿化剂，利用低温煅烧来改变粉煤灰的化学组成与矿物结构。

【科普】提高粉煤灰活性的方法粉煤灰的活性高低不是一成不变的，它可以通过人工手段激活。

常用的方法主要包括三个方面，即物理激发、化学激发和水热激发。

物理激发物理激发也就是机械磨细法。

机械磨细对提高粉煤灰（特别是颗粒粗大的粉煤灰）的活性非常有效。

由于在磨细过程中，一方面粉碎粗大多孔的玻璃体，解除玻璃颗粒粘结，原来粗颗粒变成了中细颗粒，原来的中颗粒变成了细颗粒，减少混合料在混合过程的摩擦，优化集料级配，提高物理活性（如颗粒效应、微集料效应）。

原来的多孔玻璃体、多孔碳粒及粘结的玻璃体和开放性空洞中可以贮存大量水分，磨细后蓄水孔腔减少了，标准稠度蓄水量有了明显的降低。

另一方面，通过磨细粗大玻璃体尤其是多孔和颗粒粘连的破坏，破坏了玻璃体表面坚固的保护膜；对于一些细小的微珠，虽然没有被破坏，但其表面惰性层被磨去，增加了表面活性点，使内部可溶性SiO2和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。

化学激发常用的粉煤灰的化学激发方法有酸激发、碱激发、硫酸盐激发、氯盐激发和晶种激发等。

粉煤灰和水泥相比，粉煤灰的化学成分中缺少钙元素，其中CaO含量一般小于10%，而水泥则超过60%，Ca2+是形成胶凝性水化物的必要条件，所以在所有的激发方法中，首先必须提供充足的Ca2+。

水热处理法低钙粉煤灰所含的SiO2通常高于50%，水热反应是采用低钙粉煤灰与CaO发生火山灰反应，生成产物主要为水化硅酸钙，这与硅酸盐水泥中硅酸钙的水化产物相近似，但火山灰反应很慢，因此强度发展也较慢。

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，就能提高粉煤灰的活性。