超細粉煤灰在水泥生產中的應用途徑

魏帥 梁向濤 晁愛福

(山東魯碧建材有限公司，山東 濟南 271100)

粉煤灰，即飛灰，是火力發電廠產生的一種固廢，同時也是一種類似于黏土的火山灰質物質。中國在2016、2017年分別完成6.55億t、6.86億t的超細粉煤灰生產，其綜合利用率達到74.20%、75.35%，其中，超細粉煤灰生產效率達到75.35%。通過灰色預測，中國在2020年和2024年分別將分別為7.81億t和9.25億t。中國粉煤灰生產規模龐大，但區域分配不均，這是一個突出的問題。在中國的東南和部分經濟較發達的地方，超細粉煤灰的使用量很大，有的地方還存在著供應不足的情況。而新疆、內蒙古、山西等中西部雖然有大量的煤和大量的粉煤灰，但是由于受到經濟發展水平及交通費用等因素的制約，其綜合利用效率僅為15%。超細粉煤灰不僅占用耕地，而且還會對生態環境產生嚴重影響。因此，對其進行全面的認知與合理的開發與應用，對于促進中國電力行業及其有關行業的可持續發展具有重要意義。中國早在50年代就已經重視粉煤灰的綜合利用，并于60年代設立相關部門進行綜合利用。當前，粉煤灰被廣泛用于建筑材料、化工、污水及煙氣治理等工業領域，同時也被用于土壤改良、化肥生產等農業領域。與國際上比較，中國對超細粉煤灰的資源化利用效率還不高，如何實現超細粉煤灰的規模化、高效率、高效率的資源化利用，是當前研究人員面臨的一個難題[1]。

1 粉煤灰概述

我國大型燃煤電廠為滿足社會經濟發展所需的電能需求，在我國大型燃煤電廠中，每年會產生上百萬噸的超細粉煤灰廢料，并且在處置時會占用大量的土地。粉煤灰的填埋將會對周圍的植被、土壤、地表水等產生一定的影響和污染。但隨著時間的推移，研究者們開始將粉煤灰用于水泥生產、建筑施工磚塊生產、道路路基回填、土地改良等領域。根據粉煤灰最大替代水泥限量，通過廢棄物利用模式，可以有效的降低對環境的污染和資源的浪費，提高經濟效益。粉煤灰用于水泥制備，由于其具有較高的成本和較好的市場前景，能夠極大地提升其使用效率和經濟效益[2]。在中國，粉煤灰作為水泥的原材料，在過去的十多年里，已經被廣泛地應用到水泥的生產中(見表1)。

表1 粉煤灰最大替代水泥限量(%)

1.1 化學構成

煤炭中或多或少都包含著一些鐵元素、硅元素、鋁元素等元素，在高溫下燃燒時，會生成SiO2、Fe2O3以及Al2O3等多種金屬氧化物。由于煤炭組成元素的不同，其燃燒后所生成的超細粉煤灰在化學組成上也有不同。煤中摻入的泥質、泥質，在燃燒過程中會生成大量的SiO2和CO2，超細粉煤灰中的FeO3主要來源于煤中摻入黃鐵礦微粒，而煤中的碳酸鹽類(硫酸鹽類)經高溫反應生成 CaO、 MgO等[3]。粉煤灰中的 CaO、FeO3、Al2O3等物質在水化過程中，能夠生成具有一定凝膠特征的化合物，提高混凝土的力學性能(見表2、表3)。

表2 原料的化學成分 WT%

表3 Ⅱ級粉煤灰的化學組成 WT%

1.2 物理性能

煤中多少含有Fe、Si、Al等元素，在高溫下燃燒時，會生成SiO2、Fe2O3、Al2O3等各種氧化物，煤的主要成分是煤中的各種成分，因此，煤中產生的煤粉在化學成分上也存在著很大的差異。含泥質、泥質的超細粉煤灰在燃燒時會產生較多的SiO2、CO2，超細粉煤灰中的FeO3組分主要來自含黃鐵礦的細顆粒，以及含 CaO、 MgO等與煤粉發生高溫化學反應形成的碳酸鹽組分(硫酸組分)，因此，對含 CaO、 MgO的超細粉煤灰進行研究。粉煤灰中的 CaO、TiO2、TiO2和TiO2等可形成具有特定膠凝特性的復合物，從而改善混凝土的力學性能(見表4、表5)[4]。

表4 水泥物理性能指標及礦物成分含量

表5 粉煤灰物理性能指標

2 粉煤灰綜合利用現狀

2.1 區域發展不平衡

當前，我國是一個沿海經濟比較發達的區域。如上海，南京，超細粉煤灰的使用率都很高。然而，如山西、內蒙古等粉煤灰資源富集的區域，因燃煤電廠集中，固廢量大，加之受價格、市場等因素制約，目前還沒有形成有效的資源化利用體系。

2.2 存量驚人，堆存量仍在繼續增加

數據表明，近幾年，隨著工業化的發展，超細粉煤灰儲量已達到25億t，“十四五”時期，城市發展速度將進一步加快，對電力和煤炭等資源的需求也將日益增長。山西省的粉煤灰資源在2025年前可達5400多萬t。此外，由于大量的固體廢棄物在短時間內不能完全消化，使其綜合利用的壓力更大。

2.3 技術支撐能力不足

我國是一個煤的主要消費國家，每年的平均消耗量超過1億t，據統計，2019年中國的消耗量將近9億t。目前，國內對粉煤灰的應用大多是在回填和建筑材料方面，而對高精度、高效率的應用技術還處在探索之中，可見，在實現粉煤灰的現代應用方面，國內還有很長的道路要走。為此，我們應主動吸取外國的科研成果，并在此基礎上，進一步提高自己的科研水平[5]。

2.4 利廢企業規模小

由于廢棄工業與生活垃圾的主要生產環節的相關性不大，因而也就沒有引起太多的關注。因此，廢舊企業以中小型企業為主，平均產值在2000萬元以下，缺少大型的區域和跨省專業企業集團，它們的市場競爭力很強，企業資源整合能力很差，而且沒有顯著的規模經濟。

2.5 現有政策體系有待完善

目前，國內雖然已經制定一系列的關于粉煤灰處理和利用的法律、法規，但其中的內容并沒有很好的與地方的實際情況相結合，在面臨著煤炭市場需求不斷下降的形勢下，對那些工作效率低下、煤炭質量不高的礦井來說，每噸煤的生產成本比較高，資金短缺問題更加嚴重。為此，提出相關部門應對超細粉煤灰的利用給予一定的優惠政策，適當地給予超細粉煤灰的企業一定的補助，拓寬超細粉煤灰的市場，從而達到資源與經濟的協調發展[6]。

3 超細粉煤灰在水泥生產中的綜合利用方式

3.1 用于生料配料

在水泥的制備中，鐵粉、石灰石、黏土等都是主要的原料，由于它們之間的相似，粉煤灰是黏土的一種重要的替代品，從水泥的制備來看，粉煤灰的添加能夠更好更快的形成活性CaO，其固相反應速度在一定的溫度范圍內會提高。

當將黏土用作水泥熟料的配料時，要對其進行高溫煅燒，需要耗費一定的能量，但由于粉煤灰是煤炭在高溫煅燒后所產生的產物，而且其中還存在著沒有完全燃燒的煤炭顆粒，所以，用粉煤灰替代黏土，能夠在一定程度上降低水泥熟料燒制時的煤炭資源消耗量。我國的企業從1997年開始使用粉煤灰來增加水泥熟料的產量，降低其生產成本，并提高水泥熟料的質量。在早期的水泥生產中，由于原材料中存在著高比例的Na2O、K2O，導致質量缺陷比較多，在水泥回轉窯中經過加熱后，會出現結球、結皮等情況。在燒成的水泥熟料中加入濕排灰，能較好地解決上述問題。

由于黏土中SiO2的含量高于粉煤灰，而Al2O3的含量卻相對較少，所以當用粉煤灰取代黏土時，會導致水泥生料中的 Al和 Si的含量都偏高，這時就需要加入一些礦用劑來彌補某些元素的含量。一些學者對用粉煤灰取代黏土后的生料的易磨性進行分析，認為其易磨性有所降低，造成這一情況的主要原因是生料中加入礦用劑，而與粉煤灰的用量關系不大[7]。

3.2 用于水泥混合材料

近十年來，我國道路交通、房屋建筑、工業生產、公共基礎設施等工程快速發展，在此背景下，我國的水泥生產企業與水泥生產規模也取得前所未有的增長，我國的水泥生產規模長期保持較高的增長速度，并在世界上占有較大的比重，按粉煤灰摻入水泥的比例計算，我國的年消費量已達上億噸。

根據粉煤灰的化學組成，當其與水進行拌和時，一般不會產生水泥材料所需的水硬性，但在一定的條件下，也可以利用火山灰中的氧化物，形成具有凝膠特征的化合物，從而提高水泥凝固后的硬度。因此，在生產粉狀水泥時，可大量使用粉煤灰，以改善其固化后的強度。在生產粉煤灰混凝土時，要將粉煤灰的用量控制在總混合材料的20%～40%，而這個數量在復合硅酸鹽混凝土中可以達到20%～50%，因此，結合上述兩種混凝土的配制情況，可以得出其混合料中的粉煤灰的最大摻量為50%。但是在實際操作中，由于生產工藝等原因，它的實際含量往往不會超過25%。

通過專用的粉碎裝置將其粉碎為更細的顆粒，能夠有效地增強其反應性，所以在選擇粉煤灰做水泥混合料時，通常都要進行粉碎作業。因此，許多公司都在研究和開發粉煤灰超細粉碎的機器裝備和技術。目前我國超細粉煤灰比表面能達到700～1000m2/kg，從而大幅增加其摻和量。

在此基礎上，作者提出一種新的方法，即將一種新的礦物激發劑與一種新的方法，即將一種新的激發劑摻入到一種新的粉煤灰中，并與一種新的石灰混合，從而提高它的性能。它的方案是將礦物激發劑和粉煤灰混合在一起，并制作出兩種重量和制造方法都完全一樣的對照組。第一組的測試方式是將已經混合成球狀并已經干燥的混合料碾壓成一定粒度的粉末，而第二組的測試方式是將同樣狀態的混合料進行一定時間的高溫煅燒，之后，將這兩組混合料配置成的水泥強度進行比較，結果表明，前者的效果要好于后者[8]。

將粉煤灰磨成細顆粒，以石灰為激發劑，使其水化激發，使其在后期凝結時具有較高的活性，不同級別的粉煤灰混凝土中，所加入的粉煤灰材料的比例也不一樣，比如，制作32.5級粉煤灰混凝土時，其混合料中的粉煤灰含量要求在60%以上，并采用石灰為激發劑。

水泥材料的抗凍性能對于在極端寒冷環境下的施工和竣工后的運營都有著十分重要的影響，經過研究人員的分析，他們認為，在加入粉煤灰后，水泥材料的抗凍性能將會有所提高，并且，還可以降低工程難度，降低混凝土保溫的要求，提高工程效益等[9]。

4 粉煤灰在水泥生產中的應用

4.1 粉煤灰水泥

粉煤灰可作為一種替代黏土成分的原料，用來制備水泥。在常規的硅酸鹽水泥熟料中，以粉煤灰為一種火山灰質物質，并與一定量的石膏進行混合，制成一種新型的粉煤灰水泥。粉煤灰的生成是一種熟化法，在水泥生產中使用粉煤灰替代黏土，可節約黏土在熟化法中的能耗。由于超細粉煤灰中存在著一定量的沒有完全燃盡的碳顆粒，因而可以用來鍛燒水泥熟料，從而節省燃料。在粉煤灰的粉磨中，加入粉煤灰，可以在一定程度上達到助磨效果，從而增加生產，減少單位能耗。很明顯，在水泥中使用粉煤灰，可以獲得非常明顯的經濟效益，可以減少生產成本。此外，粉煤灰還可以對水泥的一些特性進行改進，主要體現在：1)后期強度增長速度較快，大約是一般硅酸鹽水泥的2倍；2)干燥收縮較少，澆注后的塊體更加緊密，不容易出現裂紋，水泥土晶體結構完整，抗風化作用；3)水泥的水化熱較小，適合在炎熱的夏季和大體積的混凝土項目中進行；4)施工性能較好，與常規水泥相比，在同樣的坍落度下，施工所需的摻和水量較少，水灰比也較小。同時，本項目的研究成果也將為我國水泥工業提供一種新的技術途徑，并對我國水泥工業的發展起到積極的推動作用。

4.2 粉煤灰混凝土

將一定量的粉煤灰加入混凝土中，不僅可以節省大量的水泥，而且還可以提高混凝土的一些性能。根據粉煤灰在混凝土配制中的加入步驟，將其加入方法劃分為內外兩類。內摻法是將粉煤灰水泥直接加入到混凝土中，而外摻法是將粉煤灰直接加入到混凝土中。由于粉煤灰的低活性，水泥水化時會產生大量的Ca(OH)2，因此，通過與其發生二次化學反應，使其與水化產物發生二次化學反應，使其與水泥石晶格牢固地黏結在一起，進而改善混凝土的后期強度、抗滲性和耐久性。此外，粉煤灰在混凝土中還具有獨特的物理作用，例如：填補漿體空隙的作用，以及粉煤灰的減水作用等，這些都可以有效地提高混凝土的品質和性能。

混凝土的收縮與其所用的水及水泥石的體積有直接關系，且隨著水用量的降低而降低。高質量的粉煤灰所需水的比例不超過100%，其用量越少，28d后的干縮越小。隨著粉煤灰用量的增加，其干收縮減小。粉煤灰對混凝土的水化熱有較好的抑制效果，低鈣粉在初期的水化熱只有水泥的一半。將20%的水泥以粉煤灰代替，可將7d的水化熱降低11%左右。通過對水泥漿體中加入粉煤灰，可以將水泥漿體中最大水化熱的出現延遲到3d后，從而達到預防混凝土溫度開裂的目的。同時，對堿-集料反應也有較好的抑制作用。同時，在低水膠比 HPC中加入粉煤灰，對 HPC微結構的形成有一定的促進作用。由于粉煤灰混凝土具有良好的和易性、較低的水化熱、較小的膨脹收縮率、較高的后期強度、較強的水密性以及抗海水侵蝕性等優點，目前已經被廣泛地應用于現場澆制工業和民用建筑的柱、梁、板、基礎、地面等建筑工程中，以及大壩、道路和隧道等土木工程和水利工程中。粉煤灰混凝土是一種既能資源化又能產業化的新型混凝土，具有良好的社會和經濟價值[10]。

5 粉煤灰水泥的特點

從粉煤灰的化學組成來看，其中的Al2O3和SiO2在水化過程中會有一定的凝膠效應，而其它的組成成分則沒有相似的性質。細磨粉煤灰、堿性氫氧化物或 Ca (OH)2在水的作用下能夠產生化學反應，并形成具有凝膠特征的化合物，而添加粉煤灰的水泥在凝固后能夠展現出更好的耐久性和更好的強度。

在大體積混凝土的施工過程中，由于水泥的水化作用，在施工過程中會發生較為明顯的熱脹冷縮現象，若得不到有效的控制，將會使其在施工過程中產生不同程度的裂縫。由于摻入水后所產生的熱量較低，使其所制備的混凝土具有較低的熱脹冷縮效應，較低的表面干燥收縮，更好的抗開裂能力。現代房屋建筑結構，港口工程，工業建筑等，均可使用粉煤灰混凝土，提高其施工品質。

粉煤灰水泥的強度、抗水性、抗彎性能和凝固時長等性能都與粉煤灰材料的活性有著緊密的關系。顆粒較大的粉煤灰材料在上述各項性能方面都不夠理想。所以，目前大部分情況下，都是使用細磨粉煤灰技術來對那些較大的粉煤灰粒子進行研磨破碎，可以說，粉煤灰粒子的粒徑范圍越小，其活性就越高。然而，如果研磨細度的大幅增加，則會造成技術難度增加、管理成本增加和生產效率降低。

我國的大學通過科研攻關，研發出粉煤灰粒子的立磨粉磨系統，并有效地解決工程難題，該技術具有能耗低、生產效率高等優點，因此，該技術在我國得到較為廣泛的應用。因此，在今后的技術發展中，必須繼續減少超細粉煤灰微粒的細度，提高超細粉煤灰工藝的磨削效率，并降低處理費用[11]。

6 結語

煤燒成灰燼后，可用于水泥行業。在生產水泥熟料時，一般可以用相對超細粉煤灰代替原有的黏土，也可以在水泥的摻和料中加入一定比例的粉煤灰。在水泥中摻入粉煤灰，不僅可以提高水泥的強度，而且還可以提高水泥的耐折性和防裂性，還可以降低水泥的生產成本。

我國超細粉煤灰產量呈逐年上升趨勢，但超細粉煤灰的綜合利用效率較低，超細粉煤灰不但要占用大量的耕地，還會對當地的生態環境造成嚴重危害。利用粉煤灰制備水泥，既可節省水泥用量，又可提高混凝土的抗滲透、耐久等性能。粉煤灰混凝土是一種既能資源化又能產業化的新型混凝土，具有良好的社會和經濟價值。