低品质粉煤灰在混凝土中的研究进展

王䶮飞

(包头市第三热电厂 内蒙古包头 014060)

粉煤灰是燃煤电厂的工业废弃物，世界粉煤灰产量年均60～80亿t。大量粉煤灰的存放对生态环境、生物体安全造成了很大威胁。不同国家和地区对粉煤灰的利用情况不均，发达国家和地区利用率相对较高。我国是世界最大的排灰国，我国粉煤灰的利用率在75%左右，每年仍有未充分利用的粉煤灰大量堆存[1]。混凝土是粉煤灰利用的重要途径，《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）将用于水泥混凝土的粉煤灰分成了3 类，其中Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰在混凝土中的应用研究较为集中，Ⅲ级以下的粉煤灰低品质粉煤灰的研究应用还不成熟。近年来，随着房地产增速放缓，水泥产能下降，增加混凝土中粉煤灰的替代量是稳定我国粉煤灰利用的关键。该文对近年来低品质粉煤灰在混凝土中的应用进行分析，以期促进低品质粉煤灰在混凝土中的研究和应用。

1 我国低品质粉煤灰的特性

电厂的粉煤灰主要成分中均为SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO等。国家规范对用于水泥和混凝土中的粉煤灰主要按照细度、需水量和烧失量进行划分，并规定了SO3、活化系数等技术指标。细度上，Ⅲ级粉煤灰的细度要求在45 μm筛余小于45%。对不同电厂粉煤灰分析可知，江油、昆明等电厂粉煤灰75 μm以上颗粒占了45%以上。浙江检测的4座典型电厂中仅一家粉煤灰原灰达到了Ⅱ级灰标准，其余3 座电厂的45 μm 筛余率均超出Ⅱ级灰标准，内蒙古某电厂的Ⅲ级粉煤灰占了57%。另外，低品质粉煤灰中含有较多的未燃尽的碳，使得粉煤灰烧失量和吸水量大。

2 低品质粉煤灰的研究进展

2.1 改变粉煤灰混凝土设计方法

粉煤灰中粗细颗粒的反应特征不同，将大小不同的粉煤灰颗粒重新搭配，可以提高混凝土性能。

CUI Y P 等人[2]利用筛分工艺将粉煤灰制备成不同级配的颗粒。细颗粒的粉煤灰对混凝土早期强度有利，粗粉煤灰活性差，但可以提高抗硫酸盐性能。将小于20 μm 和大于20 μm 的颗粒按一定比例混合，混凝土的强度和耐久性最好。0～26 μm之间的粉煤灰有利于混凝土中水泥的水化，提高混凝土的水化热，61 μm以上粉煤灰可以显著降低混凝土的水化热。

KARADUMPA C S 等人[3]改变传统的混凝土的配合比设计方法，采用堆积密度法将粉煤灰、矿渣和普通硅酸盐水泥混合在一起做成复合水泥，根据抗压强度、堆积密度和胶凝材料的有效替代率，发现含有50%普通硅酸盐水泥、20%粉煤灰和30%矿渣的样品是复合水泥的最佳配合比。颗粒的合理级配可以减少孔隙，从而提高混凝土早期强度。大掺量粗粉煤灰和水泥混合制备的混合水泥比直接添加粗粉煤灰和水泥做混凝土力学及耐久性能都要高。

2.2 磨细粉煤灰做胶凝材料

由于粉煤灰颗粒多为坚固的玻璃体结构，因此反应较慢，颗粒较大的Ⅲ级及等外粉煤灰的活性更差，减小粉煤灰颗粒大小，能够增强活性，提高粉煤灰作为胶凝材料在混凝土中利用率。

在目前的研究中，采用球磨机改变粉煤灰粒径及形貌是常采用的方法。将大颗粒的粉煤灰磨细，减小粒径，能够提高粉煤灰活性。从图1中可以看出，球磨机粉磨的粉煤灰，圆球形颗粒明显减少。粉煤灰磨细后破坏了大的玻璃珠，释放生成了小的玻璃珠，三级粉煤灰磨细和超细的活性指数比二级粉煤灰高。磨细后的粉煤灰降低了需水量，提高了混凝土强度。将含有大颗粒的原状粉煤灰粉磨后，球形颗粒被破坏，颗粒减小，制备的混凝土致密度提高，抗碳化性能提高。将粉磨后的粉煤灰进一步改性，复合改性低品质粉煤灰28d活性指数提高了15%[4-5]。

图1 磨细前后粉煤灰形貌

2.3 化学激发粉煤灰活性

粉煤灰是具有潜在水硬性的材料，其中含有的SiO2、Al2O3等在激发剂的作用下可以生成水硬性的物质。硫酸盐和强碱是常用的活性激发剂，但强碱会形成潜在的碱骨料反应问题，硫酸盐会生成钙矾石，导致后期混凝土体积膨胀。

吴波波等人[6]采用石灰激发低品位粉煤灰混凝土，缩短了凝结时间，显著提高了早期强度，4%的石灰，混凝土3d 强度可达11.1 MPa，相对不掺粉煤灰的提高了46%。钙离子对粉煤灰地质聚合物的凝结硬化有影响，石灰比硅酸盐水泥有更好的促凝结硬化的效果。电石渣是主要成分氢氧化钙的固体废弃物，陈登等人[7]将电石渣高温煅烧改性Ⅲ级粉煤灰，改善了粉煤灰和水泥浆体的微界面，减少了界面区孔隙，提高了力学强度。

2.4 复合胶凝材料人

和化学激发不同，将两种以上的掺合料混合在一起，取长补短，添加在混凝土中，可以制备性能良好的混凝土。激发剂的用量较小，一般在粉煤灰用量的10%以下，然而复掺混合材料的比例多在20%以上[8]。

彭勇军[9]将石灰石粉和等外粉煤灰4∶1混合，加水搅拌均匀后在950 ℃煅烧后加入混凝土，会提高混凝土的强度，且增强减缩效果显著。杨泽政等人[10]研究表明，石灰石粉和等外粉煤灰的直接混合掺入混凝土中，会降低混凝土的强度，但强度比单纯掺入石灰石粉的强度高。

马俊[11]将原状粉煤灰磨细，和钢渣采用4∶6 的比例混合制作成复合微粉，替代胶凝材料30%～40%，可以改善浆体结构，减少混凝土的干燥收缩，提高长期强度。

2.5 粉煤灰用作骨料

粉煤灰除在混凝土中作为胶凝材料外，还可以作为混凝土的细骨料或粗骨料。采用的方法有直接添加或合成制作粉煤灰骨料等。

杨泽政等人[10]筛分和预湿处理粉煤灰渣，在砂浆中代替砂子，结果表明粉煤灰中的水分起到了内养护的作用，有利于粉煤灰周围水泥的水化，如果掺入干的粉煤灰渣，进入粉煤灰渣孔隙中的水泥能减少孔隙。

SHE W等人[12]研究了平均粒径91 μm的粗粉煤灰用作泡沫混凝土中，相对天然砂，表面积更大，颗粒更圆润，能提高混凝土的流动性能、机械性能和耐久性能，具有较大的经济效益。粗颗粒的粉煤灰加入泡沫混凝土中，因为火山灰效应的缓慢释放，强度是不断增长的。粗粉煤灰代替部分砂子，形成最佳级配，降低了蒸发率。

除降低粉煤灰的粒径外，还可以通过造粒或压实技术，将粉煤灰的粒径加大，做成粉煤灰骨料。GESOĞLU M等人[13]使用90%的粉煤灰和10%的水泥，采用冷粘工艺，制备粉煤灰轻骨料。制作的混凝土的强度28d 为43 MPa，小于天然骨料76 MPa，如图2所示。

图2 冷粘工艺制备的粉煤灰细骨料和粉煤灰粗骨料

MANIKANDAN R 等人[14]研究了不同表面积的粉煤灰做粗骨料的方法。表面积414 m2/kg 的粉煤灰不需要粘合剂，颗粒较粗的257 m2/kg的粉煤灰需要粘合剂方能提高成球效率。在制备骨料的粘合剂中，膨润土、高岭土、水泥和石灰等都可以作为粘合剂。尤其石灰和粉煤灰混合制备的强度更好。SHAHANE H A 等人[15]将粘合剂石灰压实，置于50 ℃的烘箱中养护（6±1）h后，再置于65 ℃的水中养护24 h，接着室温下养护24 h，然后被破碎成需要的骨料，建议大规模制备骨料时可以采用制备粉煤灰砖的压实设备。图3（a）即制备好的骨料。此方法制备的石灰和粉煤灰混合制备的骨料强度高于硅酸盐水泥和粉煤灰的骨料强度，设备制备成不规则骨料，强度达到道路和结构混凝土的要求，经过3次坚固性检测，骨料仍保持完整，如图3（b）。经过5 次坚固性循环检测，有少许破碎，如图3（c）所示。重金属析出等试验结果证明，骨料安全环保，可以大规模应用在建筑中。

图3 粉煤灰骨料的坚固性检测

3 低品质粉煤灰的应用展望

从研究成果可见，低品质粉煤灰用在混凝土中是可行的，其具有降低水化热、减小干燥收缩、增进后期强度的优良作用。存在的问题是将粉煤灰筛分重新设计及配用在混凝土中方法，能够充分发挥小颗粒和大颗粒的不同特性，但筛分过程无疑给工程增加了成本。堆积密度法设计混凝土，能够提高混凝土的强度，对于粉煤灰的利用有利，20%的胶凝材料的替代率对于粉煤灰而言，还需要进一步提升。粉煤灰骨料质轻、强度低，吸水性大，目前在轻骨料混凝土中有所应用，轻质的陶粒在混凝土配制过程中易于上浮，影响混凝土的制备。

混凝土是用量最大的无机材料，是消耗粉煤灰的重要渠道。要进一步增加低品质粉煤灰在混凝土中的用量，可以多吸收Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰已经具有的成果。针对低品质的粉煤灰，分析其性能，有些仅是颗粒超标，有些是烧失量大，不同的性能，用在混凝土中带来的效应不同。传统的粉煤灰的利用集中在作为胶凝材料上，在今后的发展上，应重视粉煤灰细骨料和粗骨料的研发和利用，寻求合理的生产工艺，降低成本，更大规模地开发低品质粉煤灰在混凝土中的利用率。