磨细炉底渣的性质及其在泡沫混凝土中的应用研究

鲁永明 李之政 李 伟 张中玲 魏中华 王 宇

(1沈阳金铠建筑科技股份有限公司，辽宁 沈阳 110179；2 北京城建集团有限责任公司工程总承包部，北京 100088；3江苏省建工集团有限公司，江苏 南京210036)

1 引 言

泡沫混凝土是特种混凝土的一种，具有质轻，保温，隔音等优点。我国对泡沫混凝土的研究和应用已有40余年的历史，随着建筑业的发展，泡沫混凝土的研究开始重新重视[1，2]。目前沿海经济发达地区的优质粉煤灰及水泥活性混合材料的市场需求远得不到满足，并且泡沫混凝土在发展推广过程中对粉煤灰的需求量也在加大，就更加凸显了优质活性混合材料的紧缺。近年来，我国沿海经济发达地区的粉煤灰综合利用形势很好，很多地方的干排粉煤灰甚至出现供不应求的局面。然而在这些地区对占燃煤锅炉所排灰渣20%左右的炉底渣的综合利用仍然未受到应有的重视。目前，国内有少量的炉底渣作为建筑材料中的粗集料或细骨料使用，以取代部分河砂或碎石，国外则主要是将其作为道路的路堤和基层，这些利用方式的经济效益不高[3，4]。本文以热电厂的炉底渣为例，对磨细炉底灰渣的物理化学性质、火山灰活性进行了测试分析，并按照不同的比例掺量加入到泡沫混凝土制品中研究探讨其强度、耐久性等性能，对炉底渣的综合利用进行了可行性研究。

2 磨细灰渣物相及化学成分测试研究

某热电厂的锅炉属亚临界煤粉炉，燃烧温度＞1200℃，炉底渣在高温熔融状态下经过水淬处理后通过刮板捞渣机连续捞出，再经碎渣机破碎，然后用输渣皮带机输送至贮渣仓，用卡车运往灰渣场堆放。本次试验所用的样品取自该热电厂所排放的湿炉底渣样，编号为1”，2”，烘干备用。

2.1 磨细灰渣矿物相分析

采用ARLX1TRA型旋转阳极X射线衍射仪对磨细灰渣的矿物相进行了分析，如图1所示。X射线衍射峰较宽厚，说明其矿物相中玻璃体的含量占优势，结晶相物质所占比例较低。在结晶相物质中，晶体矿物相态也不是十分复杂，除了主要的晶体矿物相莫来石(3A1203·2SiO2)，α-石英(α-Si02)外，还含有少量的赤铁矿，而且以α-石英较多，莫来石次之，赤铁矿最少。

图1 磨细灰渣的X射线衍射图

2.2 磨细灰渣化学成分

采用ARL-9800型X射线荧光光谱仪(XRFS)对两份磨细灰渣进行常量化学成分分析，分析结果表明(见表1)，磨细灰渣的Si02，A1203，和Fe2O3的总和都超过了85%，而Ca0含量均＜5%，其化学成分与低钙粉煤灰比较类似[5]。

2.3 微量元素含量

利用XRFS对磨细灰渣中的微量元素含量进行了分析，分析结果表明(表2)，灰渣中所含可检测到的微量元素种类较多，其中包括一些有毒、有害元素，但含量均不高，与国家农用粉煤灰污染控制标准相比较，磨细灰渣中各种微量元素含量均不超标，允许应用到建材中。

表1 磨细灰渣的常量化学成分(%)

表 2 热电厂磨细灰渣中的微量元素含量×10-6

2.4 放射性元素含量

磨细灰渣的放射性元素含量是采用低本底多道γ能谱议测定的，放射性比活度则是根据其放射性元素含量通过放射化学法[6]计算而得，并按国家环保总局颁布的《建筑材料放射性核素限量(GB6566-2001)》[7]规定计算了其外照射和内照射两个指标。将检验样品破碎，磨细至粒径不大于0.16mm。将其放入与标准样品几何形态一致的样品盒中，称重(精确至1g)、密封。当检验样品中天然放射性衰变链基本达到平衡后，在与标准样品测量条件相同情况下，采用体本低多道γ能谱仪能对其进行镭－226、钍－232和钾－40比活度测量，结果如表3所示，热电厂磨细灰渣的放射性元素的比活度较小，将其掺入建筑材料中，符合国标(GB6566-2001)要求，不会造成放射性污染。

3 炉底渣最佳粉磨工艺及磨细渣的特性研究

3.1 炉底渣最佳粉磨工艺研究

决定粉煤灰品质的最重要的3个指标为：细度、需水量比和烧失量。本实验采用的热电厂炉底灰渣的烧失量较小，可通过粉磨达到II级粉煤灰的细度，显然，对炉底渣进行磨细，关键就是如何通过合适的粉磨工艺使磨细炉底渣的需水量比能尽量达到最小值。

试验所用磨机型号SM-500，规格Ф500mm×500mm，转速50r/min，球配为磨水泥熟料的标准球配，电机功率为1.5kW。由于1和2样品的化学成分、矿物相等诸多特征均较相似，故本次粉磨试验仅采用1样品作为代表，每次入磨量为5kg，粉磨时间分别为10、20、30、40min等，到达预定粉磨时间后，对磨细灰渣进行相关测试，找出粉磨时间与出料的细度和需水量比之间的变化关系，当磨细灰渣的需水量比达到最小时，以此确定为最佳粉磨时间。

表4为不同粉磨时间出料的细度(45μm筛余量)、比表面积和需水量比之间的关系，随着粉磨时间的延长，磨细灰渣的细度逐渐减小，其比表面积呈增加的趋势。但是当粉磨时间由30min增加到40min时(表4)，炉底渣的需水量比变化不明显，都是103%。这是由于随着灰渣由粗变细，其堆积变密实，空隙体积减小，需水量比也就减少；但随着灰渣由细变得更细，其比表面积也将增大，在颗粒表面形成水膜所需的水量增多，导致灰渣磨细到一定程度后，其需水量比的变化就不明显。因此，若以最小需水量比作为判别标准，那么将最佳的粉磨时间确定为30min，相应的出料细度(45μm筛余量)控制在10%左右，这时出料的需水量比最低；能使磨细灰渣达到Ⅱ级粉煤灰的需水量比≤105%的质量标准。

3.2 磨细灰渣的颗粒特征及火山灰活性

3.2.1 磨细灰渣的颗粒级配特征

将4个经不同粉磨时间的磨细灰渣采用美国S3500激光粒度分析仪进行了分析测试，随着粉磨时间的延长，出料的平均粒径逐渐减小，如粉磨10min样品的平均粒径为29.012μm，而粉磨40min样品的平均粒径则降为10.105μm。

图2显示了在粉磨过程中出料颗粒级配的变化特征关系，随着粉磨时间增加，磨细出料中＜ 20μm的颗粒逐步增加，而介于20～45μm的颗粒含量几乎不变，磨细出料中＞ 45μm的颗粒的含量则逐渐降低，这表明粉磨工艺对进料中＞45μm的颗粒较有效。实验表明，通过标准球磨机(如本次研究所采用的)粉磨物料，要将进料中＜45μm的颗粒再磨细，效果将不会很明显。由于粉磨初期进料中含较多的＞45μm的颗粒，导致了粉磨初期磨细出料的细度下降较明显，随着粉磨时间增加，粉磨进料中＞45μm的颗粒变少，粉磨出料的细度下降也就变得缓慢。也就是说，通过磨细工艺控制磨细出料的细度，受到一定的限制。因此，在实际工程中，根据设计目标和要求，可按对应的磨机型号选取最佳粉磨时间来控制磨细灰渣的细度。

从图2中可以看出，磨细灰渣主要为不规则薄片状颗粒。

表3 磨细灰渣中各放射性元素含量及放射性比活度 Bq／kg

表4 粉磨时间对1号样品的细度、比表面积、需水量比的影响

表5 掺有磨细灰渣及粉煤灰的水泥胶砂不同龄期强度

3.2.2 磨细灰渣的火山灰活性

本次研究评定材料的火山灰活性采用强度法，以纯水泥砂浆为基准样，依据 (GB1596-2005)所规定的“抗折、抗压强度”测定活性的方法，测定了磨细灰渣及粉煤灰的火山灰活性，这种方法能直接反映被测物对水泥基材料强度的贡献，是目前国内外公认的较好方法。测定结果见表5。其中Ⅱ级粉煤灰与磨细灰渣同一热电厂。

图2 磨细灰渣不同粉磨时间出料的粒径分布直方图

试验结果表明(表5)，不同掺量的磨细灰渣的水泥胶砂3d的抗折、抗压强度随着灰渣细度的减小而增加；而不同细度炉底渣的28d抗折、抗压强度的差异变小。磨细炉底渣的3d抗压强度明显优于级Ⅱ粉煤灰的强度，表明其早强效果较好；随着养护龄期的增长，磨细灰渣与级粉Ⅱ煤灰强度的差距变小，但28d时磨细灰渣的抗折和抗压强度均仍然略高于Ⅱ级粉煤灰(细度相近时)。

4 磨细灰渣在泡沫混凝土中的应用

泡沫混凝土的制备需要大量浆体，如果全部采用水泥胶凝材料，则成本较高，而且存在收缩过大等问题。因此在满足基本性能需求的前提下大量采用活性或非活性掺合料成为泡沫混凝土制备过程不可或缺的部分。大量文献研究中采用了不同掺合料制备泡沫混凝土，并研究了相关性能。乔欢欢、卢忠远等[8]研究了硅灰、粉煤灰两种活性掺合料下的泡沫混凝土抗压强度、吸水率及抗冻性等性能，研究发现在泡沫混凝土中加入硅灰明显提高早期强度，但会增加吸水率，且不利抗冻性能；粉煤灰的引入可提高抗冻性，掺入粉磨处理的粉煤灰可增加后期强度，降低吸水率，但对抗冻性的改善作用不大。

本次研究中采用相同的泡沫混凝土配合比，采用粉磨30分钟的磨细灰渣与Ⅱ级粉煤灰同量掺加，为胶凝材料的20%，对7d和28d强度进行了测试，具体数值见表6。

从表6可以看出，同样20%掺量的磨细灰渣的7d和28d的抗压强度都高于20%掺量的Ⅱ级粉煤灰配制的泡沫混凝土。可以说明，经过磨细的炉底渣在泡沫混凝土中实现应用是完全可以的。

5 结 语

1)磨细灰渣与Ⅱ级粉煤灰的火山灰性能对比试验表明，磨细炉底渣的早期强要明显优于磨细级粉煤灰，28d的强度也仍然略高于Ⅱ级粉煤灰的，即磨细炉底渣的火山灰活性要优于Ⅱ级粉煤灰。

2)在水泥-磨细灰渣-泡沫-水原料体系泡沫混凝土中，掺加适量磨细灰渣将有助于提高泡沫混凝土抗压强度，同时可降低生产成本。

3)将炉底渣通过磨细优化其品质，应用于泡沫混凝土，这在技术上是可行的。

表6 20%掺量磨细灰渣和粉煤灰在泡沫混凝土中的性能对比

[1]王永滋.粉煤灰泡沫混凝土的生产与应用[J].福建建设科技,2001,2:35-36.

[2]高倩,王兆利,赵铁军.泡沫混凝土[J].青岛建筑工程学院学报,2002,23(3):113-115.

[3]王敏.炉底渣小型空心砌块[J].砖瓦,2003,6:46-47.

[4]刘刚，金炯光，连铁流.炉底渣在建筑砂浆中的应用研究[J].吉林电力,2002,4:27-30.

[5]王福元,吴正严.粉煤灰利用手册[M].北京:中国电力出版社,1997.

[6]杨福家,王炎森,陆福全.原子核物理[M].上海:复旦大学出版社,2002.

[7]马振珠,王南萍,杨钦元,任天山,王玉和.GB6566-2010建筑材料放射性核素限量[S].中国建筑材料工业协会，2010.

[8]乔欢欢,卢忠远,严云,舒朗.掺合料粉体种类对泡沫混凝土性能的影响[J].中国粉体技术,2008,14(6):38-41.