粉煤灰在干混砂浆中的应用研究

方光旭 古再努尔·依明 杨 博 陈南希 张琰琦

（昌吉回族自治州产品质量检验所，新疆 昌吉 831100）

0 引言

粉煤灰是燃煤固体废弃物，是一种火山灰质比例不固定的混合物，属于硅质活性材料，颜色在白色到黑灰色之间变化，粉煤灰含碳量的多少也可以根据颜色反映出来，内部由不同颗粒形态组成：玻璃珠、结晶体、海绵玻璃体、碳颗粒以及少量的未燃尽的炭粒；粉煤灰以蜂窝状多孔型结构组成，表面积越大，活性较强，组成活性的成分主要是SiO2和Al2O3，通过水化作用，它们会在水的作用下跟碱性物质、硫酸盐类发生某些化学反应，生成胶凝类型的稳定化合物。粉煤灰作为干粉砂浆的掺和料来使用，其组成、结构以及物理性能，对粉煤灰掺入干粉砂浆起到决定性影响。粉煤灰代替一定量水泥，不仅能实现利废，还能节约水泥，节约能源[1]。本文将新疆昌吉州准东开发区燃煤电厂产生的粉煤灰和普通硅酸盐水泥、天然砂等为原材料配制干混砂浆，研究干混砂浆的性能变化。

1 粉煤灰干混砂浆性能研究

1.1 干混砂浆试验用原材料

水泥：符合标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2020）P·O42.5MPa普通硅酸盐水泥；

天然砂：Ⅱ类,细度模数2.5，含泥量2.1%；

粉煤灰：高钙粉煤灰（简称“高钙灰”）和高低钙复合粉煤灰（简称“高低钙复合灰”）、低钙Ⅱ级粉煤灰（简称“低钙Ⅱ级灰”）、低钙Ⅲ级粉煤灰（简称“低钙Ⅲ级灰”）；

稠化粉：安徽玉龙新材料科技有限公司生产。

1.2 试验方法及试验结果分析

试验采用《预拌砂浆》（GB/T 25181-2019）中的试验方法。

1.2.1 粉煤灰等量取代水泥对砂浆性能的影响

采取单因素方法，用Ⅱ级低钙灰等量取代部分水泥，同时保持胶凝材料（水泥、粉煤灰）总量控制为400kg/m3，用水量以稠度控制，稠化粉用量为60kg/m3，同时测试7d和28d强度，试验结果见表1。

表1 粉煤灰取代水泥对砂浆性能的影响

通过表1 可知，砂浆在相同等级稠度下，粉煤灰等量取代水泥，取代率以10%递增，发现用水量保持稳定，密度下降，收缩率变化不明显，强度呈递减趋势，分层度下降。但粉煤灰取代水泥率在50%、60%时，干混砂浆7d和28d强度均大幅度减少，由此可知，粉煤灰替代水泥百分率不宜超过50%。

1.2.2 低钙灰与高钙灰的复合灰对砂浆性能的影响

试验用复合灰掺加低钙灰和高钙灰，制定不同的掺合比例，石膏用稠化粉取代，试验结果见表2。

表2 掺加低钙灰与高钙灰的复合灰对砂浆性能的影响

由表2 数据可知，基准砂浆强度明显低于复合砂浆强度。掺加一定比例的低钙灰与高钙灰的复合灰后，当高钙灰比例大于低钙灰时，砂浆强度递增，收缩值递减。由此可见，复合灰中高钙灰的活性可以有效提高砂浆强度，减少收缩。

1.2.3 不同燃煤电厂粉煤灰对砂浆性能的影响

以昌吉州准东地区不同燃煤电厂粉煤灰，确定两个固定掺量，结合低钙灰与高钙灰复合灰的不同比例进行试验，其砂浆性能试验结果见表3。

表3 不同品种粉煤灰对砂浆性能的影响

1.2.4 粉煤灰干混砂浆物理力学性能和抗渗耐久性试验

根据设计生产工艺及技术方案，主要原材料为粉煤灰、水泥、稠化粉、天然砂、添加剂等。通过试验对粉煤灰干混砂浆（水泥∶稠化粉∶粉煤灰∶砂∶水=300∶40∶116∶1400∶279）和传统式砂浆（水泥∶石灰膏∶砂∶水=320∶320∶1280∶180）的主要力学性能及耐久性进行测试，见表4。

表4 粉煤灰干混砂浆与传统砂浆性能比较

从表4试验结果对比可知，稠度、封层度、密度影响不明显，干混砂浆强度稳定，抗渗性能、收缩率好，粘结强度高，耐久性优良，干混砂浆各项目均优于传统砂浆。

1.2.5 粉煤灰干混砂浆砌体力学性能试验

砌体试验是国家强制性规范要求的必须试验项目,主要指标有：通缝抗剪强度、轴心抗压强度。粉煤灰干混砂浆砌体力学性能试验，砂浆实际强度为19.0MPa，烧结多孔砖MU20，粉煤灰干混砂浆M15，砌体为烧结多孔砖。

通过试验研究，通缝抗剪强度、轴心抗压强度均符合规范要求值，而且超出规范要求值1.5 倍，可得粉煤灰干混砂浆与砌体粘结牢固，按照《砌体结构设计规范》（GB 50003-2011）的力学性能要求，粉煤灰制干混砂浆砌筑的烧结多孔砖砌体满足该标准的力学性能。

1.3 扫描电镜图像

本实验通过X 射线衍射仪进行研究，根据水泥与粉煤灰与脱硫石膏的质量比为30∶50∶20 和粘结剂比0.3，对胶结材料进行扫描电镜（SEM）。通过用X 射线衍射（XRD）分析，测试结果如图1所示。

图1 硬化凝胶材料的扫描电镜图像

图1（a）为粉煤灰（Ⅱ类未受扰动的火山灰）的三维硬化体的扫描电镜图像。从图1（a）可知，物质颗粒间存在少量针状水化产物，分子结构非常松散，球形粉煤灰颗粒和块状石膏颗粒的轮角清晰可见；图1（b）和图1（c）为低钙粉煤灰（Ⅱ级未扰动灰）28d硬化体的SEM图像。从图1（b）和图1（c）可以看出，样品颗粒不规则，结构分子较大，从图1（b）不难发现，球形粉煤灰颗粒表面沉积了大量板状石膏产物或低硫水化硫[3]。通过图1（c）铝酸钙产物在图中进行能谱分析，其板状物质主要元素为钙、硫、氧、少量硅、铝；通过图1（d）可以看出：图1（d）为磨细粉煤灰（Ⅱ类）三维硬化图像，结构分子不紧密，颗粒之间有一定数量的针状水化产物，但密度大于图1（a），球形粉煤灰颗粒和块石膏，颗粒的轮角不清楚。

2 粉煤灰用于干混砂浆的效益分析

2.1 经济效益

传统砂浆由于添加了缓凝剂，原材料成本比干混砂浆提高3.2%～8.6%，合计各类工费及税费，到施工场地价格均为300元/m3左右。粉煤灰干混砂浆从原材料进货成本比传统砂浆便宜，干混砂浆售价大约在220元/t 左右，同时减少材料在运输和使用中的损耗，节约成本。该项目工艺技术方案符合当地实情，原材料价格低、供应充足，产品经检验质量可靠，产品价格低于传统砂浆，经济效益显著，抗风险能力强，可以形成一个新的产业。

2.2 社会效益

2.2.1 符合全面建设节约型社会的要求

2020 年新疆百旺鑫瑞建筑材料有限公司开始生产,目前厂区已建了4 条干混砂浆生产线，全部采用标准计量进行配比，生产的干混砂浆产品均加入粉煤灰、脱硫石膏等硅钙基固体废弃物，产品应用于昌吉州及新疆各地州建筑工程，效果良好。干混砂浆节约成本，质量可靠，具有一定的稳定性，杜绝了砂浆在砌块上的一些质量通病，提高了建筑工程质量。有利于建筑新材料、新技术推广研发。

2.2.2 节能减排效果显著

在环境保护方面，按传统生产工艺，现场拌制砂浆从原材料准备到生产都用人工操作，人力成本高、效率低下，且有害气体严重及大量粉尘导致作业现场生产条件恶劣，严重影响人员身体健康，同时影响生态环境。使用预拌干混砂浆后，从下料、混合、生产到流通的过程都是在密闭容器中机械化完成，减少了人工成本且保护劳动者的健康。

在资源能耗方面，原材料稠化粉不存在石灰烧制过程，CO2排放量明显减少。同时利用电厂产出的燃煤固废粉煤灰，节约水泥，生产线均采取环保措施，有效减少了噪声和浮尘，对城市环境的污染明显减小，环境效益显著[4]。干混砂浆的生产利用有效推动了自治区建筑节能和绿色建筑产业升级和高质量发展。

3 结束语

（1）利用燃煤固体废弃物——粉煤灰资源生产干混砂浆是火电厂燃煤固废综合利用的新途径。

（2）粉煤灰对干混砂浆中稠度、封层度、密度影响不明显，但粉煤灰中高钙灰比例增加时，砂浆强度明显增强，抗渗性能、收缩率好，粘结强度高，耐久性优良。完全可代替传统砂浆，具有良好的经济效益和社会效益。

（3）新疆百旺鑫瑞建筑材料有限公司目前厂区已建了4 条干混砂浆生产线，全部采用标准计量进行配比，生产的干混砂浆在原材料中用低钙Ⅱ级粉煤灰替代水泥，并在大量工程中使用，实际效果良好。