陈积粉煤灰在建筑垃圾砌块中应用的技术路径

　　前 言

　　贵州省的煤炭储藏量高达 510 亿 t，利用原煤燃烧发电已成为我省的核心支柱产业，由于西电东送，贵州用煤企业发展迅猛，截止 2010 年底，贵州省有火力发电厂 15 座( 不含企业自备电厂) ，装机容量 17 140 MW，是 2000 年火电装机容量的4. 72 倍，2010 年15 座火电厂共排放粉煤灰2245 × 104t，比 2007 年的排放量 453 × 104t 增长了 25. 3% ，粉煤灰作为传统的工业废渣，近两年在国家政策的引导下，资源化利用取得了明显的效果，各大电厂新排放的粉煤灰目前处于供不应求的态势，导致其价格持续上涨，给以粉煤灰作为活性掺加料之一新型墙体材料企业带来了原料供应的困难和较大的成本压力。而另一方面，在粉煤灰资源化利用取得成效前，粉煤灰的常规处理方式是集中堆存，几十年时间造成了每个电厂均配备了若干个堆场( 灰坝) ，由于陈积粉煤灰活性较低，大部分已板结成块，在粉煤灰得到充分利用的今天，仍不能有效得到利用，不但占据了大量的土地，部分堆场( 灰坝) 还存在一定的安全隐患。调研结果显示，目前贵州省黔西电厂存灰约 50 万 t，占地约 150亩; 清镇电厂存灰约 300 万 t，占地约 300 亩; 贵州铝厂存灰约 100 万 t，占地约 150 亩; 贵阳电厂存灰约 50 万 t，占地约 100 亩。

　　1 陈积粉煤灰化学成分与性能分析

　　1. 1 陈积粉煤灰化学成分
　　陈积粉煤灰应用到建筑垃圾砌块中，首先应明确其成分与相关性能。我国粉煤灰的堆积密度在 550 ～ 1 000 kg/m3，粒径波动于 0. 5 ～300 μm，其中玻璃微珠为 0. 5 ～ 100 μm，大部分在 45 μm 以下，平均粒径为 10 ～ 30 μm; 空心微珠粒径大于 45 μm，含碳粒的多空玻璃体粒径为 10 ～300 μm，大部分在 45 μm 以上。粉煤灰与砂子黏土相比，粒径分布范围窄，是一种均质级配材料。笔者所在课题组对贵州区域 5 个火电厂陈积粉煤灰取样分析，陈积粉煤灰化学成分见表 1。其化学成分取决于原煤灰粉的化学组成以及燃烧程度。
　　
　　1. 2 陈积粉煤灰活性
　　粉煤灰的活性主要来自玻璃体 SiO2和玻璃体 Al2O3，在一定碱性条件下的水化作用，因此，粉煤灰中活性 SiO2、活性 Al2O3和 f － CaO 都是活性的有利成分，但由于陈积粉煤灰中的 SiO2、Al2O3和 f － CaO 等均在水存在的情况下进行了程度不一致的化学反应，生成了水硬胶凝性能的化合物，这类化合物在建筑垃圾生产中降低了 SiO2、Al2O3和 f－ CaO 等的有效成分，使砌块的水热处理未能起到应有的效果，没能形成完整的人造石结构，所生产的产品性能很难达到国家的相关产品标准。

　　粉煤灰是一种活性混合材料，它本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温，特别是在水热处理 ( 蒸汽养护) 条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，这个性能在使用新产出的粉煤灰时可有效地降低建筑垃圾砌块生产的水泥耗用量，但在自然存放条件下，这个性能就是导致陈积粉煤灰活性降低的主要原因之一。陈积粉煤灰应用到建筑垃圾砌块中的关键是增大陈积粉煤灰的比表面积与其与石灰反应的接触面，通过物理或化学的方式激发与提升其活性。

　　2 陈积粉煤灰在建筑垃圾砌块中应用的技术路径

　　针对陈积粉煤灰成分复杂，性能不稳定的特殊性，应用中应检测分析不同堆积年份及各堆积部位陈积粉煤灰化学成分及微观结构，探明陈积粉煤灰失活原因，通过采用物理与化学方法激发提高其活性，并研究相应的陈积粉煤灰添加剂与活化技术。

　　研究时根据堆积年限及堆积体部位进行采样，分析各样品的粒度分布、颗粒形貌、疏松组分的微观内部形貌、吸水性能等特性; 同时研究各样品的元素组成、化学结构、晶态结构、表面活性等化学性能。

　　2. 1 陈积粉煤灰微观结构分析
　　通过 IR 图谱分析、XRD 谱线对比分析、SEM 局部放大图片对比分析，对陈积粉煤灰的组分进行微观分析，通过陈积与新出炉粉煤灰的 IR 图谱中高频区、低频区及中频区处的吸收峰，分析 Si － O 键、Al － O 键、Si － O － Si 键和Al － O － Si 键，结合陈积与新出炉粉煤灰 XRD 谱线分析，推断陈积粉煤灰活性组分含量，对比陈积与新出炉粉煤灰SEM 局部放大图，分析其不同内部结构，根据未水化的球形粉煤灰颗粒，及陈积粉煤灰发生一定程度水化反应而生成的较疏松的片状结构凝胶产物，分析陈积粉煤灰组分构成。

　　2. 2 物理方法提高陈积粉煤灰活性
　　分析陈积粉煤灰的理化性能，研究粉煤灰中晶体、玻璃体、未燃炭组分及其组成的复合结构，分析陈积粉煤灰各组分之间的物理及化学吸附作用。研究陈积粉煤灰湿式破碎工艺，通过物理方法对板结的陈积粉煤灰进行破碎，破坏陈积粉煤灰的结构，使其产生新的断面，形成新的断裂的化学键，从而提高其活性。将块体及大颗粒进行破碎，使粒径小于 80 μm; 打破颗粒内疏松结构，增加陈积粉煤灰比表面积，提高其活性。

　　2. 3 化学方法进一步激发陈积粉煤灰活性
　　陈积粉煤灰中由于发生不同程度反应，其不同堆积时间及不同堆积位置的组分都有差异。因此其失活原因及失活程度也不一样，需要研究出相应的活化技术。

　　石灰与粉煤灰中的 SiO2和 Al2O3进行水热合成反应，生成水化硅酸钙等水化产物，同时，石灰水化时放出大量的热量，不仅为提高加气混凝土料浆的温度提供了有效的热源，且可以促进坯体中胶凝材料的凝结硬化。因此，石灰的均匀分散与水热合成反应过程有较为密切的关系。实验采用以石灰( CaO) 为主的复合碱性激发剂作为陈积粉煤灰的活性激发剂，通过强化反应的碱性环境，激发粉煤灰中SiO2、Al2O3等成分的反应活性。使水热反应中钙硅反应速度加快，从化学方法角度提高陈积粉煤灰活性。

　　3 小 结

　　每生产50 000 m3建筑垃圾砌块，折合成0. 75 亿块实心黏土标砖，可减少取土 5. 47 万 m3，节约耕地 41. 02 亩，消纳建筑垃圾 9 多万 t，消纳粉煤灰 0. 34 万 t，节约用地 36. 7亩，节约标准煤 1. 5 万 t，减少烧砖排放二氧化硫 82. 04 t。

　　本论文为陈积粉煤灰的资源化利用提供了一条新的途径，工业废渣的减量化、无害化、资源化排放与综合利用，可减少黏土砖生产取土破坏生态，消纳工业废渣，节约耕地，推广后将逐步消化掉原有的粉煤灰堆场( 灰坝) 。具备较大的经济及社会效益。

　　参 考 文 献:

　　［1］ 江嘉运． 高掺量粉煤灰烧结砖的原料制备工艺［J］． 新型建筑材料，2007，34( 1)： 12 － 15．