低品質粉煤灰基人造骨料技術研發與工程示范

李祝 李嘉 鐘靈毓 黃圳祥

深圳市能源電力服務有限公司，中國·廣東 深圳 518052

1 引言

中國粵港澳大灣區、深圳先行示范區等國家戰略推進，電力起著不可或缺的支撐性作用。目前，珠三角地區年用電量30%是由燃煤發電廠提供的。燃煤發電排放大量固體灰渣（粉煤灰），部分高品質粉煤灰代替水泥用于混凝土，實現良好的循環利用；而低品質粉煤灰由于對混凝土產生早熟劣化，影響結構耐久性，無法在混凝土中有效使用，主要以堆填方式存放，造成嚴重的環境污染和社會負擔。同時，由于全球城鎮化的大規模進程，建筑骨料在過去幾十年間成為世界上開采和交易量最大的自然資源之一。中國也不例外，僅2011年至2013年間的砂子的消耗量就是美國整個20世紀的消耗量，在全球中的占比為50%以上。

2 項目實施的目的與意義

針對目前中國基礎建設中砂石骨料嚴重短缺的問題，通過顆粒合成技術可將粉煤灰轉化為人造砂石骨料，拓展低品質粉煤灰的高附加值利用空間，緩解基建規模擴大導致的天然骨料匱乏問題；實現資源與環境的雙收益。

中國珠三角地區的原生低品質粉煤灰作為原材料，圍繞中國粵港澳大灣區綠色建造和資源環境的可持續發展需求，通過化學激發和顆粒合成技術，開發免燒結、高強度、低成本的粉煤灰基人造骨料，探明其化學形成機理，建立碳化養護制度，形成系統的評估方法，積極推進工程示范。本項目研發可實現低品質粉煤灰的高效利用，滿足土建工程建設對骨料的需求，為其他固廢資源增值利用提供重要的科學依據；綠色制備工藝亦有效緩解燃煤發電廠碳排放問題，有望實現燃煤發電廠碳中和的目標[1]。

3 中國發展現狀與趨勢

出于對生態環境的保護，各省市對天然骨料（石子和河砂）的使用出臺了相關的限采或禁采政策。目前使用的再生骨料是對現有拆除混凝土中提取的骨料進行再次利用，在使用之前需去除掉骨料表面附著的舊水泥漿體，以防止其二次利用時產生與新水泥漿體的粘結問題。然而，在實際混凝土應用中，由于其高成本和安全性問題，再生骨料僅可以少部分替代天然骨料（10%～20%替換量）。海砂和機制砂也分別由于海岸線生態保護和源頭山石禁采而無法大規模應用。

粉煤灰在混凝土中的使用具有嚴苛的技術規范，需符合國標GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。根據鈣含量，粉煤灰可分為低鈣和高鈣兩種，其中高品質低鈣粉煤灰獲得了廣泛的技術研究和工程應用；而低品質高鈣粉煤灰因游離鈣與硫超標，會在混凝土中產生氫氧化鈣和鈣礬石，引起混凝土膨脹開裂，導致其無法在混凝土中得到有效利用。開發以該類粉煤灰為原材料的人造骨料，可抑制游離鈣與硫相在混凝土中的化學活性，是實現其工程高附加值的有效途徑。

依據粉煤灰的化學激發原理，解析化學激發粉煤灰膠凝體系特征，克服低品質粉煤灰中游離鈣和硫相導致的膨脹開裂問題；利用顆粒合成技術，開發免燒結、高強度、低成本的粉煤灰人造骨料，闡明其微觀結構演化與宏觀性能的構效關系；構建碳化養護制度，實現人造骨料的性能提升和碳中和利用；形成粉煤灰骨料在混凝土中的安全使用評價體系，建立人造骨料混凝土設計方法；最終實現低品質粉煤灰基人造骨料技術研發與工程示范[2]。

4 研究內容與技術路線

以低品質粉煤灰的高附加值利用為目的，本項目擬研發粉煤灰人造骨料，并解析粉煤灰人造骨料形成工藝與合成機理，揭示其在混凝土環境中的安定性，形成如下四個主要研究內容。

4.1 化學激發粉煤灰膠凝體系解析

遴選珠三角地區某燃煤發電廠不同批次粉煤灰，分析其有害離子、化學成分、活性指數等；依據酸/堿膠凝材料元素配合比設計理論，設計粉煤灰的化學激發劑，并分析化學激發粉煤灰膠凝產物的類型、晶相結構、鋁硅等化學配位環境等，解析配合中各關鍵材料要素添加順序對最終膠凝產物的影響規律。

4.2 粉煤灰人造骨料材料設計與合成技術

依據酸/堿激發劑和人造骨料配合比，利用顆粒合成技術，研究用水量和噴水方式等工藝參數；以粉煤灰骨料強度結果，反向研究工藝參數對成粒效果的影響，如粒度分布、骨料外觀、圓球度等信息；以骨料產出最終強度為目標，逆向優化調整配合比和制備工藝參數；研究碳化養護對骨料強度和pH的影響規律；分析優化成粒后的人造骨料化學變化及內部空間結構，建立骨料強度和內部孔結構的作用關系[3]。

4.3 粉煤灰人造骨料混凝土優化設計與性能表征

設計粉煤灰人造骨料混凝土；研究人造骨料和水泥漿的界面過渡區，探明界面過渡區的二次水化反應，并探明界面黏結機理及化學穩定性；建立粉煤灰人造骨料混凝土的本構關系，并通過實驗和模擬手段進行推演和驗證；研究粉煤灰人造骨料混凝土的極限荷載下的損傷模型，為其后續工程應用奠定基礎。

4.4 粉煤灰人造骨料及其混凝土的工程性能評價體系

構建材料配合比與基體密度和強度的相關關系函數，建立粉煤灰人造骨料的評價體系，探索工藝參數、配合比及骨料性能的構效關系；揭示燃煤發電廠二氧化碳排放與利用的碳中和評價機制；最終形成粉煤灰人造骨料混凝土的工程服役性能的關鍵評價指標[4]。

5 項目實現的主要技術指標

①粉煤灰人造骨料環境安全指標，符合危險廢物鑒別標準（GB/T5083.3—2007）和危險廢物填埋標準（GB16889—2008）中有害物質的浸出指標；

②解析化學激發粉煤灰膠凝體系的產物結構；

③研制粉煤灰人造骨料，其堆積密度低于1900kg/m3，單顆強度大于2MPa；

④研制出輕質高強的聚物混凝土，性能優于《JGT266—2011》泡沫混凝土國家標準；

⑤建立膠凝材料、人造骨料及混凝土的工程性能評價體系[5]。

6 結語

圍繞中國珠三角地區綠色建造和資源環境的可持續發展需求，以低品質粉煤灰的高附加值利用為目的，本項目擬研發粉煤灰人造骨料，構建粉煤灰人造骨料混凝土設計方法及應用規范，最終實現粉煤灰作為人造骨料的高附加值技術應用。