粉煤灰在干混砂漿中的應(yīng)用研究

方光旭 古再努爾·依明 楊 博 陳南希 張琰琦

（昌吉回族自治州產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所，新疆 昌吉 831100）

0 引言

粉煤灰是燃煤固體廢棄物，是一種火山灰質(zhì)比例不固定的混合物，屬于硅質(zhì)活性材料，顏色在白色到黑灰色之間變化，粉煤灰含碳量的多少也可以根據(jù)顏色反映出來，內(nèi)部由不同顆粒形態(tài)組成：玻璃珠、結(jié)晶體、海綿玻璃體、碳顆粒以及少量的未燃盡的炭粒；粉煤灰以蜂窩狀多孔型結(jié)構(gòu)組成，表面積越大，活性較強，組成活性的成分主要是SiO2和Al2O3，通過水化作用，它們會在水的作用下跟堿性物質(zhì)、硫酸鹽類發(fā)生某些化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝類型的穩(wěn)定化合物。粉煤灰作為干粉砂漿的摻和料來使用，其組成、結(jié)構(gòu)以及物理性能，對粉煤灰摻入干粉砂漿起到?jīng)Q定性影響。粉煤灰代替一定量水泥，不僅能實現(xiàn)利廢，還能節(jié)約水泥，節(jié)約能源[1]。本文將新疆昌吉州準(zhǔn)東開發(fā)區(qū)燃煤電廠產(chǎn)生的粉煤灰和普通硅酸鹽水泥、天然砂等為原材料配制干混砂漿，研究干混砂漿的性能變化。

1 粉煤灰干混砂漿性能研究

1.1 干混砂漿試驗用原材料

水泥：符合標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2020）P·O42.5MPa普通硅酸鹽水泥；

天然砂：Ⅱ類,細度模數(shù)2.5，含泥量2.1%；

粉煤灰：高鈣粉煤灰（簡稱“高鈣灰”）和高低鈣復(fù)合粉煤灰（簡稱“高低鈣復(fù)合灰”）、低鈣Ⅱ級粉煤灰（簡稱“低鈣Ⅱ級灰”）、低鈣Ⅲ級粉煤灰（簡稱“低鈣Ⅲ級灰”）；

稠化粉：安徽玉龍新材料科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗方法及試驗結(jié)果分析

試驗采用《預(yù)拌砂漿》（GB/T 25181-2019）中的試驗方法。

1.2.1 粉煤灰等量取代水泥對砂漿性能的影響

采取單因素方法，用Ⅱ級低鈣灰等量取代部分水泥，同時保持膠凝材料（水泥、粉煤灰）總量控制為400kg/m3，用水量以稠度控制，稠化粉用量為60kg/m3，同時測試7d和28d強度，試驗結(jié)果見表1。

表1 粉煤灰取代水泥對砂漿性能的影響

通過表1 可知，砂漿在相同等級稠度下，粉煤灰等量取代水泥，取代率以10%遞增，發(fā)現(xiàn)用水量保持穩(wěn)定，密度下降，收縮率變化不明顯，強度呈遞減趨勢，分層度下降。但粉煤灰取代水泥率在50%、60%時，干混砂漿7d和28d強度均大幅度減少，由此可知，粉煤灰替代水泥百分率不宜超過50%。

1.2.2 低鈣灰與高鈣灰的復(fù)合灰對砂漿性能的影響

試驗用復(fù)合灰摻加低鈣灰和高鈣灰，制定不同的摻合比例，石膏用稠化粉取代，試驗結(jié)果見表2。

表2 摻加低鈣灰與高鈣灰的復(fù)合灰對砂漿性能的影響

由表2 數(shù)據(jù)可知，基準(zhǔn)砂漿強度明顯低于復(fù)合砂漿強度。摻加一定比例的低鈣灰與高鈣灰的復(fù)合灰后，當(dāng)高鈣灰比例大于低鈣灰時，砂漿強度遞增，收縮值遞減。由此可見，復(fù)合灰中高鈣灰的活性可以有效提高砂漿強度，減少收縮。

1.2.3 不同燃煤電廠粉煤灰對砂漿性能的影響

以昌吉州準(zhǔn)東地區(qū)不同燃煤電廠粉煤灰，確定兩個固定摻量，結(jié)合低鈣灰與高鈣灰復(fù)合灰的不同比例進行試驗，其砂漿性能試驗結(jié)果見表3。

表3 不同品種粉煤灰對砂漿性能的影響

1.2.4 粉煤灰干混砂漿物理力學(xué)性能和抗?jié)B耐久性試驗

根據(jù)設(shè)計生產(chǎn)工藝及技術(shù)方案，主要原材料為粉煤灰、水泥、稠化粉、天然砂、添加劑等。通過試驗對粉煤灰干混砂漿（水泥∶稠化粉∶粉煤灰∶砂∶水=300∶40∶116∶1400∶279）和傳統(tǒng)式砂漿（水泥∶石灰膏∶砂∶水=320∶320∶1280∶180）的主要力學(xué)性能及耐久性進行測試，見表4。

表4 粉煤灰干混砂漿與傳統(tǒng)砂漿性能比較

從表4試驗結(jié)果對比可知，稠度、封層度、密度影響不明顯，干混砂漿強度穩(wěn)定，抗?jié)B性能、收縮率好，粘結(jié)強度高，耐久性優(yōu)良，干混砂漿各項目均優(yōu)于傳統(tǒng)砂漿。

1.2.5 粉煤灰干混砂漿砌體力學(xué)性能試驗

砌體試驗是國家強制性規(guī)范要求的必須試驗項目,主要指標(biāo)有：通縫抗剪強度、軸心抗壓強度。粉煤灰干混砂漿砌體力學(xué)性能試驗，砂漿實際強度為19.0MPa，燒結(jié)多孔磚MU20，粉煤灰干混砂漿M15，砌體為燒結(jié)多孔磚。

通過試驗研究，通縫抗剪強度、軸心抗壓強度均符合規(guī)范要求值，而且超出規(guī)范要求值1.5 倍，可得粉煤灰干混砂漿與砌體粘結(jié)牢固，按照《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50003-2011）的力學(xué)性能要求，粉煤灰制干混砂漿砌筑的燒結(jié)多孔磚砌體滿足該標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能。

1.3 掃描電鏡圖像

本實驗通過X 射線衍射儀進行研究，根據(jù)水泥與粉煤灰與脫硫石膏的質(zhì)量比為30∶50∶20 和粘結(jié)劑比0.3，對膠結(jié)材料進行掃描電鏡（SEM）。通過用X 射線衍射（XRD）分析，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 硬化凝膠材料的掃描電鏡圖像

圖1（a）為粉煤灰（Ⅱ類未受擾動的火山灰）的三維硬化體的掃描電鏡圖像。從圖1（a）可知，物質(zhì)顆粒間存在少量針狀水化產(chǎn)物，分子結(jié)構(gòu)非常松散，球形粉煤灰顆粒和塊狀石膏顆粒的輪角清晰可見；圖1（b）和圖1（c）為低鈣粉煤灰（Ⅱ級未擾動灰）28d硬化體的SEM圖像。從圖1（b）和圖1（c）可以看出，樣品顆粒不規(guī)則，結(jié)構(gòu)分子較大，從圖1（b）不難發(fā)現(xiàn)，球形粉煤灰顆粒表面沉積了大量板狀石膏產(chǎn)物或低硫水化硫[3]。通過圖1（c）鋁酸鈣產(chǎn)物在圖中進行能譜分析，其板狀物質(zhì)主要元素為鈣、硫、氧、少量硅、鋁；通過圖1（d）可以看出：圖1（d）為磨細粉煤灰（Ⅱ類）三維硬化圖像，結(jié)構(gòu)分子不緊密，顆粒之間有一定數(shù)量的針狀水化產(chǎn)物，但密度大于圖1（a），球形粉煤灰顆粒和塊石膏，顆粒的輪角不清楚。

2 粉煤灰用于干混砂漿的效益分析

2.1 經(jīng)濟效益

傳統(tǒng)砂漿由于添加了緩凝劑，原材料成本比干混砂漿提高3.2%～8.6%，合計各類工費及稅費，到施工場地價格均為300元/m3左右。粉煤灰干混砂漿從原材料進貨成本比傳統(tǒng)砂漿便宜，干混砂漿售價大約在220元/t 左右，同時減少材料在運輸和使用中的損耗，節(jié)約成本。該項目工藝技術(shù)方案符合當(dāng)?shù)貙嵡椋牧蟽r格低、供應(yīng)充足，產(chǎn)品經(jīng)檢驗質(zhì)量可靠，產(chǎn)品價格低于傳統(tǒng)砂漿，經(jīng)濟效益顯著，抗風(fēng)險能力強，可以形成一個新的產(chǎn)業(yè)。

2.2 社會效益

2.2.1 符合全面建設(shè)節(jié)約型社會的要求

2020 年新疆百旺鑫瑞建筑材料有限公司開始生產(chǎn),目前廠區(qū)已建了4 條干混砂漿生產(chǎn)線，全部采用標(biāo)準(zhǔn)計量進行配比，生產(chǎn)的干混砂漿產(chǎn)品均加入粉煤灰、脫硫石膏等硅鈣基固體廢棄物，產(chǎn)品應(yīng)用于昌吉州及新疆各地州建筑工程，效果良好。干混砂漿節(jié)約成本，質(zhì)量可靠，具有一定的穩(wěn)定性，杜絕了砂漿在砌塊上的一些質(zhì)量通病，提高了建筑工程質(zhì)量。有利于建筑新材料、新技術(shù)推廣研發(fā)。

2.2.2 節(jié)能減排效果顯著

在環(huán)境保護方面，按傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，現(xiàn)場拌制砂漿從原材料準(zhǔn)備到生產(chǎn)都用人工操作，人力成本高、效率低下，且有害氣體嚴(yán)重及大量粉塵導(dǎo)致作業(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)條件惡劣，嚴(yán)重影響人員身體健康，同時影響生態(tài)環(huán)境。使用預(yù)拌干混砂漿后，從下料、混合、生產(chǎn)到流通的過程都是在密閉容器中機械化完成，減少了人工成本且保護勞動者的健康。

在資源能耗方面，原材料稠化粉不存在石灰燒制過程，CO2排放量明顯減少。同時利用電廠產(chǎn)出的燃煤固廢粉煤灰，節(jié)約水泥，生產(chǎn)線均采取環(huán)保措施，有效減少了噪聲和浮塵，對城市環(huán)境的污染明顯減小，環(huán)境效益顯著[4]。干混砂漿的生產(chǎn)利用有效推動了自治區(qū)建筑節(jié)能和綠色建筑產(chǎn)業(yè)升級和高質(zhì)量發(fā)展。

3 結(jié)束語

（1）利用燃煤固體廢棄物——粉煤灰資源生產(chǎn)干混砂漿是火電廠燃煤固廢綜合利用的新途徑。

（2）粉煤灰對干混砂漿中稠度、封層度、密度影響不明顯，但粉煤灰中高鈣灰比例增加時，砂漿強度明顯增強，抗?jié)B性能、收縮率好，粘結(jié)強度高，耐久性優(yōu)良。完全可代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂漿，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

（3）新疆百旺鑫瑞建筑材料有限公司目前廠區(qū)已建了4 條干混砂漿生產(chǎn)線，全部采用標(biāo)準(zhǔn)計量進行配比，生產(chǎn)的干混砂漿在原材料中用低鈣Ⅱ級粉煤灰替代水泥，并在大量工程中使用，實際效果良好。