柳钢矿渣和粉煤灰的利用现状及水化机理研究

粉煤灰（fly ash）又称飞灰，是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出而被收尘器收集的粉状物质，由大部分直径以μm计的实心和（或）中空玻璃微珠以及少量的莫来石、石英等结晶物质所组成。通常所指的粉煤灰是一定细度的煤粉在锅炉里燃烧熔融后排出的粉末状固体废物，由吸尘器收集在一起排出，它是燃煤电厂的必然产物。粉煤灰是灰白色的粉状物，含炭量大的粉煤灰呈黑色。粉煤灰主要是由玻璃微珠、海绵状玻璃体、石英、氧化铁、碳粒、硫酸盐等矿物组成[3]。表面光滑的玻璃微珠有较高的化学内能，是粉煤灰具有活性的主要矿物相。我国粉煤灰中微珠含量不高，大部分是海绵状玻璃体，颗粒分布极不均匀，须通过研磨处理，才能达到粉煤灰资源化的要求。

通常，粉煤灰可分为原状灰和加工灰两种：原状灰是指从锅炉排出后未经加工的粉煤灰，根据排灰工艺又可分为湿灰和干灰两类；加工灰是指为便于粉煤灰资源化利用而采用某种工艺进行加工，使其达到使用要求的粉煤灰，加工灰目前有磨细灰、分选灰、调湿灰等3类。

粉煤灰的主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，占粉煤灰总量的80%左右，此外还有少量的Mg O、Na2O、K2O、SO3以及砷、铜、锌等微量元素。粉煤灰和矿渣一样均为铝硅酸盐玻璃体，因此其主要组成也属于CaO-Al2O3-SiO2矿物体系，一般呈球状铝硅玻璃珠状，粒径为1～50μm，比表面积可达300～600m2/kg，具有较大的吸附能力。根据粉煤灰中CaO含量的多少，将其分为高钙灰（CaO含量在20%以上）和低钙灰，高钙灰质量优于低钙灰。我国电厂大多燃用烟煤，粉煤灰中CaO含量偏低，属于低钙灰，Al2O3含量偏高，烧失量也较高。

我国有丰富的煤炭资源，目前电力工业的发展，仍然以火力发电为主，燃煤发电占总电量的70%。由于电厂规模的不断扩大，燃煤机组的增加，同时其他热力单位燃煤量的加大，导致了粉煤灰排放量的急剧增长。粉煤灰的产生量与燃煤中的灰分有直接关系，灰分越高粉煤灰的产生量越大，根据我国燃用煤的情况，燃用1t煤约产生0.25～0.3t粉煤灰。我国发电厂粉煤灰的年排放量逐年增加，1995年我国粉煤灰累计库存已达6.6亿t，占地2.27万hm2。1995年后粉煤灰的年排放量都在1亿t以上[4]，居世界之首。

粉煤灰对环境的污染是多方面的，如占用土地，污染土壤；微粒飘逸，污染大气；湿法排灰，污染水体。储存在灰场的粉煤灰，水分一旦蒸发，遇到四级以上的风力就可将表层灰粒剥离扬弃，扬灰高度可达40～50m[5]，不仅影响能见度，而且在潮湿环境中会对建筑物、露天雕塑品等表面造成腐蚀。粉煤灰对水体的污染主要是电厂直接向水域排灰。粉煤灰进入水体，形成沉淀物、悬浮物、可溶物等物质而使水浊度增加，恶化水质。另外，在粉煤灰利用过程中，也会对环境产生影响，例如生产建材制品时，如果粉煤灰中放射性元素含量过高，会危害人体健康。

由于粉煤灰中的无定形SiO2和Al2O3与Ca2+或Ca（OH）2及水在常温下反应生成水硬性材料，具有火山灰活性。所以粉煤灰混凝土的研究和开发是作为水泥节能的途径提出来的，后来研究粉煤灰的学者进行了许多有益的探索，逐步走上了一条资源化的道路。西方国家（欧盟、美国等）粉煤灰利用率已达到70%～80%，不少西方国家都将灰渣资源再生技术作为国策的第一环，美国已将粉煤灰列为12种重要固体原料之一，列为矿产资源的第7位，作为一种新资源来使用。在美国，用于水泥和混凝土工业使用的粉煤灰占整个粉煤灰销售的70%，该方面的销售也是美国粉煤灰销售中增长最快的部分。

我国对粉煤灰利用起步不晚，从20世纪50年代开始对粉煤灰的综合利用进行研究，在技术上也不亚于一些工业先进国家，发展了具有我国特色的粉煤灰利用技术，不过市场开发显著落后，以致影响了粉煤灰利用事业的迅速发展。2008年，我国粉煤灰利用率达67%。最近制定了粉煤灰水泥的国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005），将其列为正式产品。我国粉煤灰综合利用的历史应追溯到50年代的三门峡大坝工程，该工程在混凝土中共掺粉煤灰3.3万t，为我国粉煤灰的利用开创了先例。上海市的粉煤灰综合利用率达100%，南浦大桥、金茂大厦、东方明珠电视塔、地铁隧道等重点公益市政工程以及普通住宅工程中都广泛应用了粉煤灰。

（1）粉煤灰作为一种活性掺和料，主要作用有活性效应、形态效应和微集料填充效应。

1）活性效应：尽管粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性成分单独不具有水硬性，但在氢氧化钙和硫酸盐的激发作用下，可缓慢进行二次水化，在表面生成具有胶凝性能的水化铝酸钙、水化硅酸钙、钙矾石等物质，使强度增加，尤其使材料的后期强度明显增加。

2）形态效应：由于粉煤灰中含有70%以上的玻璃微珠，粒形完整，表面光滑，质地致密，填充在水泥颗粒之间起到一定的润滑作用，能够促进初期水泥水化的解絮作用，改变拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能。(www.xing528.com)

3）微集料填充效应：粉煤灰具有极小的粒径（大多小于0.045mm），在水化过程中，均匀分散于孔隙和凝胶体中，填充到毛细管及孔隙裂缝中，从而改善了孔结构，提高了胶凝体的密实度。

（2）目前，国内外粉煤灰的主要用途是用作建筑工程材料，主要包括以下5个方面：

1）作为水泥的原料，入窑煅烧成水泥熟料。

2）作为水泥的混合材料，与水泥熟料共磨，或与磨细后的水泥熟料混合，配制成粉煤灰硅酸盐水泥。

3）作为混凝土的掺和料，与水泥、集料、水、外加剂等一起制备成混凝土。

4）作为筑路材料。

5）作为环境工程材料。

在上述利用途径中粉煤灰多用做惰性充填材料，发挥粉煤灰活性的应用比例很小。