粉煤灰在新型建筑材料领域中的应用研究

张凡

（贵州城市职业学院，贵州 贵阳 550025）

粉煤灰是指煤炭燃烧过程中产生的飞灰和灰渣，主要来自于火力发电厂发电过程中燃烧煤炭产生的工业废料，粉煤灰的化学性质跟火山灰相似，为固体粉末状态，粉煤灰燃烧后会产生玻璃珠状物质，表面张力的作用，冷却后一般呈球形。我国粉煤灰的综合利用技术距发达国家差距较大，累积下大量粉煤灰无法进行综合利用，造成很大环境问题，解决粉煤灰带来的环境污染问题已经迫在眉睫。

将粉煤灰应用在建筑材料中，既能够实现粉煤灰高附加值、大规模综合利用，又能解决粉煤灰带来的环境问题。目前我国推广成熟的技术有粉煤灰砖、混凝土添加剂、水泥熟料及用作混合材、墙体材料等，建筑材料生产已经成为粉煤灰综合利用的最佳途径之一。

一、粉煤灰的物理与化学性质

粉煤灰外观形态与水泥相似，均为粉末状微小固体物质。粉煤灰的颜色一般是乳白色至灰黑色变化，含碳量多少以及颗粒的细度水平是影响其颜色的主要因素。粉煤灰在高温环境下由于表面张力的作用外观呈球形。在SEM扫描电镜下观察到粉煤灰球形颗粒占总量的60%以上，主要由空心微珠、玻璃体、磁珠、漂珠构成，这些物质是粉煤灰活性的主要来源。

粉煤灰密度范围在1.77～2.43g/cm3，平均密度为2.1g/cm3。粉煤灰表面凹凸不平，内部有很多细小的孔径，粒径范围1μm～400μm，比表面积范围220～588m2/kg。粉煤灰细度主要是反映其粗细程度，细度越细，一般粉煤灰的活性越大，进行水泥或者混凝土拌合时需水量越低。粉煤灰主要化学成分包括SiO2、Al2O3、FeO 等，表面具有一定的Si、Al 活性位点，因此具有类似于火山灰的潜在化学活性。粉煤灰化学成分的不同，将会对建筑材料产生不同的效果。以CaO 为例，添加进混凝土能提高混凝土的早期强度。粉煤灰的矿物组成比较复杂，通过XRD 测得粉煤灰主要由石英、磁铁矿、莫来石等晶体构成。粉煤灰中玻璃体的主要成分是SiO2，其含量越高，活性就越大，然而高铝粉煤灰则会形成较多莫来石，使得粉煤灰中的玻璃相与晶体的比例降低，从而降低粉煤灰的化学活性。可以对粉煤灰进行不同成分添加或者酸碱改性，使粉煤灰中各种化学成分的含量不同，达到不同的活性效果。另外还可以对粉煤灰进行物理改性如机械摩细，改变粉煤灰的粗细程度，也可以影响粉煤灰的活性。经过改性后的粉煤灰活性更强，目前粉煤灰的改性也被广泛研究。

二、粉煤灰作为建筑材料的特点

粉煤灰火山灰活性是指将粉煤灰单独不具有水硬性，但是该种材料在常温下可以与碱性物质如氢氧化钙发生化学反应，生成可以具有空气、水中硬化的化合物，从而使建筑材料的凝胶性能显著提高。粉煤灰由于自身成分比较复杂，不能直接被利用，可以先用原子吸收光谱对粉煤灰进行成分分析，检测出各成分的含量，然后通过添加钙粉、酸碱改性、机械磨细等方法对其进行除杂深加工提高其活性。高钙粉煤灰燃烧过程中产生的钙盐，能够为建筑材料提供较强的凝胶性。另外粉煤灰的比表面积比水泥的大，添加到水泥中，使水泥有更好的颗粒级配，因此水泥基发泡材料生成的气泡更加均匀，从而使建筑材料具备良好的保温功能。另一方面粉煤灰能够填充水泥间空隙，增加建筑材料的体系密实度。建筑材料目前向着高性能、复合型、绿色环保等方向发展，而粉煤灰添加到建筑材料中有助于生成轻质、高强、高耐久性的新型建筑材料，同时又能够实现废物资源化利用。

三、粉煤灰在建筑材料中的应用

（一）粉煤灰在混凝土中的应用

粉煤灰加入混凝土中可以有效改善其和易性、粘聚性，降低泌水现象，也能增强后期强度。大量工程实例表明粉煤灰混凝土的耐久性由于普通混凝土。粉煤灰在混凝土中的作用机理主要表现在三个方面：形貌效应、填充效应以及火山灰效应。形貌效应：粉煤灰呈球形，其玻璃体表面光滑且质地致密，从而在制备混凝土时需水量降低，有效避免混凝土的早期收缩，提高混凝土密实性；填充效应：粉煤灰粒径范围1μm～400μm，粒径比水泥，可以和水泥颗粒形成较好的颗粒级配，填充水泥颗粒间的空隙，使混凝土具有较好的密实度；火山灰效应：粉煤灰表面含有大量的Si、Al 活性位点，与混凝土可以再次进行反应后生成难溶于水的水化硅酸钙凝胶，增强混凝土的强度及其抗渗性能。粉煤灰作为一种掺和料可取代部分水泥，节约水泥用量，可以提升混凝土耐腐蚀性以及散热性，水化热降低，能够让混凝土发生裂缝的可能性减少。尤其是针对大体积混凝土，掺入适量粉煤灰可有效降低混凝土内部的水化热，防止裂缝的产生。黄家绪等在混凝土中掺入粉煤灰以及适量的引气剂，发现混凝土的抗冻性得到提高，掺入适量的粉煤灰，在一定程度上提高混凝土内钢筋耐锈蚀性[1]。且有大量实验研究表明，掺入大量粉煤灰，在低水胶比的情况下，也能够制得高强和耐久性能好的混凝土。主要原因是粉煤灰能够抑制混凝土中活性集料的碱集料反应，减少混凝土的产生的膨胀、开裂现象，从而提高混凝土的耐久性。

（二）粉煤灰在墙体材料里面的使用

目前比较普及的节能环保的墙体材料有轻集料、空心砌块及蒸压粉煤灰砖。对于含碳量低于12%且含有二氧化硅、三氧化二铝的粉煤灰可以用来进行轻集料的烧制。将粉煤灰作为骨料添加外加剂及水可以制成轻质高强的空心砌块。粉煤灰和石灰为主要原材料制成的蒸压粉煤灰砖，重量较轻，同时有具有良好的隔热效果，可以实现建筑节能，由于粉煤灰的加入，可以获得强度高，渗透能强的材料，还可以节约黏土资源，相比普通砖粉煤灰砖具有密度小，隔热效果好，经济实用的特点。通过采用粉煤灰作为主要材料制成的轻质高强的墙体材料，一方面可以消耗大量的粉煤灰固体废弃物，另外一方面又能创造很好的经济效益。

（三）粉煤灰制作固化材料

建筑行业传统采用的固化材料主要有混凝土、水泥等。常存在造价较高，取材不便等问题。粉煤灰新型固化剂，材料来源广泛，加工成本低廉，且具有很好的抗压抗渗漏和抗冻等性能。目前在建造大坝水库和海堤的防护措施中以粉煤灰做固化材料的衬砌材料被广泛应用。

（四）粉煤灰制备玻璃微珠

粉煤灰结构主要组成部分为玻璃微珠，以玻璃微珠为原材料做成的建筑材料质量轻、强度高、且具有保温防火等功能，同时可以作为塑填物，提高建筑材料的耐高温性能。玻璃微珠近年来已发展成为一种具有特殊性能的新型材料。这种材料表面经处理后具有亲油憎水性能，可以用作精炼石油的催化剂，耐高压的潜艇外壳以及航天器的表面材料以及城市道路斑马线及交通标志的反光装置等。此外粉煤灰和一些化工原料进行混合后，还可以制成粉煤灰微晶玻璃。尚志标等人采用粉煤灰制备了一系列微晶玻璃，不仅具有玻璃的透光性能、耐磨、耐腐蚀以及结构致密的特点，还具有一些陶瓷的特点，是现代建筑业中一种较为重要的高级建材[2]。

（五）粉煤灰在公路建筑材料中的应用

粉煤灰由于自身的物理化学性质被广泛地应用在公路建筑材料中。粉煤灰粒径1μm～400μm 与粉砂粒径接近，另外由于自己的多孔性，液限能够达到60.0%，具有良好的持水性能。在道路地基施工过程中的路基填筑、软土地基处理等方面采用粉煤灰材料取材来源广泛且能够达到良好的效果，此外在道路路面施工过程中路面、基层等也可采用粉煤灰材料，相比普通路面有较好的耐久性。

粉煤灰来源广泛且价格低廉能够解决路基填料不充足的问题，同时粉煤灰颗粒较细压实性较好，含水率较低，路基填筑性能优良。粉煤灰内部化学组成使其具有较高的抗碱性能，能够适应各种自然条件。除了填筑材料外在路堤的填筑施工时，还需要控制好材料的摊铺厚度、压实遍数、数压实机具以及最佳含水量等因素，还要重视边坡防护设置工作，避免地下水等进入到路堤中，造成地下水污染。此外粉煤灰还能实现轻质路基填筑，防止地质灾害的发生。

（六）粉煤灰生产陶粒、地质聚合物

粉煤灰陶粒也是一种新型的人造建筑材料，目前，也被广泛地应用在建筑承重构件中。制作方法为：粉煤灰掺入适量黏结剂和固体燃料如石灰(或电石渣)、石膏、等，经混合、成球、高温焙烧而成。粉煤灰做建筑构件，由于质量较轻能够减少下部结构和基础荷载，降低施工成本，此外粉煤灰陶粒具有密度小、质轻，保温隔热，耐火性好，抗震性能好，吸水率低的特点。

粉煤灰目前也广泛地应用在地质聚合物中。地聚合物胶凝性质和水泥类似，主要结构是硅氧四面体和铝氧四面体，其原材料由碱性激活剂与活性物质组成，也可以称为一种水泥。由于地质聚合物和水泥相似具有早强快硬的特点，能够在施工过程中缩短运转周期，提高施工效率，主要应用在混凝土快修补材料方面，同时由于其结构致密，广泛地应用于防渗漏和防水材料方面。邢质冰等对粉煤灰基地质聚合物进行实验研究及中试，得出结论以粉煤灰为主要原料，通过添加碱激发剂制备粉煤灰基地聚合物，28 d 抗压强度最高为44.10 MPa，产生大量胶凝物质，有利于强度的提高[3]。在此基础上分别掺入砂、锰渣、锅炉渣进行中试实验，当粉煤灰与砂的质量比为4：1，激发剂掺量为23.5%，制成的地聚合物抗压强度可达到50.9MPa。

四、结论与展望

综上所述，粉煤灰在建筑材料方面应用较为广泛，工艺成熟，且消耗量较大，有良好的经济环境效益。在建筑材料制备及施工过程中粉煤灰可以替代部分水泥，降低生产成本，改善和提升各种建筑材料的耐久性等性能，可以实现建筑材料的轻质高强方向发展。粉煤灰还可以用来制备新型建筑材料：如粉煤灰陶粒、玻璃制品等，为建筑工业的发展提供较为高级环保的建筑材料。然而在我国粉煤灰的综合利用技术仍有待提高：

（一）粉煤灰成分复杂，除铺路、制砖外一般不会直接利用，需要采用一定的化学或者物理机械磨细等方法对粉煤灰进行除杂提纯，提高内部活化性能，改善粉煤灰的性能；

（二）粉煤灰目前的综合利用依然较低，应进一步研究扩展粉煤灰在其他行业如化工、废水处理等方面的应用技术，增强粉煤灰的高附加值利用，变废为宝。