粉煤灰品质提升技术研究

王茂月

（大唐同舟科技有限公司，北京 100043）

0 引言

在当前我国“双碳”背景下，粉煤灰综合利用因具有显著的节能降碳效益而倍受重视。近年来，针对粉煤灰品质波动范围大，以及原状粉煤灰无法满足市场对高品质商品灰需求的状况，应不断加强电站锅炉的配煤掺烧、灵活调峰，以产出高品质粉煤灰。不仅如此，国内Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰的应用范围越来越广，尤其是在建材行业和混凝土工程建设中应用更为突出。粉煤灰对改善混凝土流变性能、降低水化温升、提高混凝土耐久性都具有显著的作用[1]。为了使混凝土能够满足大掺量、高泵程、高流态、高强、高耐久性等需求[2]，在大体积混凝土中掺入Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰，可减少水化热，在提高强度的同时还可代替水泥，变废为宝，降低成本，提高经济效益。

1 分选粉煤灰的品质特性

1.1 分选粉煤灰的微观形貌分析

采用扫描电镜可研究原状粉煤灰（图1）、分选细灰（图2）、分选粗灰（图3）的颗粒形貌特征，原状粉煤灰是由球形颗粒（玻璃微珠）、不规则玻璃体及少量未燃碳组成，其中不规则颗粒的占比例较高，影响其在混凝土中的流动性。经分选后，分选细灰的颗粒以球形颗粒为主，且不规则颗粒较少，球形颗粒外表致密、圆滑、玻璃微珠含量多、发育好。相比之下，粗灰中则富集了粗大多孔的玻璃体和疏松多孔的不规则玻璃体，玻璃微珠含量甚少。根据对粉煤灰内部结构的研究可知，粗粒粉煤灰往往由于内部气孔发育，以空心或子母珠存在的形式较多，而细粒粉煤灰多以实心微珠的形式存在。

图1 原状粉煤灰SEM 扫描电镜分析

图2 分选细灰SEM 扫描电镜分析

图3 分选粗灰SEM 扫描电镜分析

1.2 分选粉煤灰的物理特性分析

由于显微结构的差异，原状粉煤灰、分选细灰和分选粗灰作为混凝土掺合料使用时，所体现的物理化学特性各有不同。原灰SEM 扫描电镜分析如表1所示。

表1 分选粉煤灰的物理化学性能对比

由表1 可知，由于配煤掺烧与负荷调节，各电厂原状粉煤灰的细度普遍偏粗、需水量较大、流动性较差，一般达不到Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰的标准。经过分选加工后，其细度显著下降，可满足Ⅰ、Ⅱ级灰标准，由于且分选细灰玻璃微珠发育，需水量显著降低，流动性大幅提高。与原状粉煤灰相比，分选粗灰的各项指标大幅下降，需要进行磨细处理或作为轻质墙体材料的掺合料使用。

2 磨细粉煤灰的品质特性

2.1 磨细粉煤灰的微观形貌分析

采用SEM 扫描电镜对磨细粉煤灰（图4、图5）、原状粉煤灰（图6）的显微颗粒类型与显微结构特征进行研究，经过机械粉磨加工后的磨细粉煤灰玻璃微珠颗粒少于原状粉煤灰，且表面缺陷较多，较为粗糙，其球体结构被破坏。

图4 M1 磨细粉煤灰SEM 扫描电镜分析

图5 M2 磨细灰SEM 扫描电镜分析

图6 M 原状粉煤灰SEM 扫描电镜分析

2.2 磨细粉煤灰的物理特性分析

原状粉煤灰与磨细粉煤灰的物理化学特性不同，粉磨粉煤灰的物理化学性能对比如表2 所示。

表2 粉磨粉煤灰的物理化学性能对比

经过机械粉磨加工后，可将粉煤灰品质从Ⅲ级灰越级为Ⅰ、Ⅱ级灰，与原状粉煤灰相比，其需水量比增加、活性显著增强。磨细的作用不仅降低了细度，还改进了粉煤灰掺合料的颗粒级配、颗粒形状和结构。据SEM 扫描电镜观察，由于疏松的粗粒被分散，断裂面增多，且颗粒均有新生表面，改善了粉煤灰的性能，如降低细度、增强火山灰反应能力等。通过磨细处理，提高了粉煤灰总体的均匀性，这对于提高粉煤灰品质有着重要意义[3]。通过机械磨细，一方

面粉碎了粗大多孔的玻璃体，解除玻璃颗粒黏结，改善表面特性，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；另一方面，破坏了粗大玻璃体尤其是多孔和颗粒的粘连，也破坏了玻璃体表面坚固的保护膜，使内部可溶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，提高了粉煤灰早期的化学活性[4]。

3 分选细灰、 磨细粉煤灰作为掺合料用于混凝土中的性能研究

3.1 原材料及试验方法

选用等级都为Ⅱ级的分选细灰、磨细粉煤灰、符合GSB 14-1510 规定强度等级为42.5 的硅酸盐水泥（对比水泥）、中国ISO 标准砂、洁净的淡水，分别掺入30%分选细灰、磨细粉煤灰，用行星式砂浆搅拌机搅拌，振实台成型，制作尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的水泥胶砂试件，在标准养护条件下（湿气≥90%）成型，24 h 后脱模，于标准养护室中养护，到试验龄期时从水中取出，测定其 3 d、7 d、28 d 强度。

3.2 试验结果与分析

粉煤灰水泥胶砂抗压强度比是衡量粉煤灰活性的重要指标，其数值大小反映了粉煤灰活性的高低，同时也是掺30%粉煤灰硅酸盐水泥与不掺粉煤灰硅酸盐水泥按国标GB/T17671 测定水泥胶砂抗压强度的比值。

在相同条件、同等级的情况下分选细灰和磨细粉煤灰3 d、7 d、28 d 水泥胶砂强度活性对比如表3所示。

表3 分选细灰、磨细粉煤灰不同龄期水泥胶砂强度活性对比

由表3 可知，在相同水胶比条件下，分别掺入30%的分选细灰 F1和磨细粉煤灰 M13 d、7 d、28 d 水泥胶砂强度，首先掺入30%的分选细灰F13 d、7 d、28 d 强度活性指数均高于掺入30%的磨细粉煤灰M1，随着龄期的增长，二者之间差距逐渐减小，直至在28 d 时差距最小。其次在不同龄期其强度值都有一定程度的提高，随着龄期的增长，强度活性指数显著增加，在龄期3 d、7 d 时强度活性指数达不到指标标准，但在28 d 时强度明显提高。

鉴于分选细灰、磨细粉煤灰二者性能之间的差异性，分选细灰理化性能优于磨细粉煤灰，主要体现在流动性、需水量比、强度等性能，可见这种高性能物理特性赋予了分选细灰更高的利用价值，可有效改善混凝土的质量。粉煤灰用作混凝土的掺和料时，对混凝土性能的影响主要是通过3 个效应来体现，即形态效应、微集料效应和活性效应[5]；对水泥胶砂流动度的影响主要是通过颗粒的形态效应实现的。粉煤灰的活性以及表面光滑的玻璃微珠具有形态效应及微集料效应，能够广泛运用于建筑材料的生产与建设工程[6]，实现了高品质粉煤灰在水泥混凝土应用中的大掺量性能。

4 结语

（1）同一燃煤锅炉所产的粉煤灰经过分选、机械磨细加工后，分选有利于粉煤灰需水量比的降低、流动度的增大、分散性的增强、强度活性指数的提高；二者的共同之处均有利于细度的降低，但粉煤灰经分选、磨细加工后由Ⅲ级灰或不符合等级灰可提升至Ⅰ、Ⅱ级灰。

（2）在相同水胶比的实验条件下，进行粉煤灰水泥胶砂3 d、7 d、28 d 抗压强度试验，分选细灰强度活性指数均高于磨细粉煤灰，且分选、磨细粉煤灰28 d 强度活性指数不小于80%，而原状粉煤灰、分选粗灰水泥胶砂28 d 抗压强度相对较低。

（3）对于原状粉煤灰的加工处理，最佳的技术路径应该是先进行分级分选工艺，然后再将分选粗灰通过机械磨细设备激发其活性、降低其细度，加工成符合等级的粉煤灰标准产品，不仅减少了资源的浪费，同时也提升了粉煤灰的品质，满足了市场对高品质粉煤灰的需求。