粉煤灰应用研究现状
第2卷第2期采矿技术2002年6月
Vol. 2 N o. 2M ining T echnolog y June 2002
粉煤灰应用研究现状
古德生, 胡家国
(中南大学资源与安全工程学院, 湖南长沙 410083)
摘 要:目前, 粉煤灰已在水泥生产、建筑工程、农业及矿山充填等方面得到广泛应用, 提高粉煤灰利用率的关键是提高粉煤灰的品质, 改善粉煤灰工程性质以及开展大用量的工
程应用研究等。
关键词:粉煤灰; 矿山充填; 水泥; 混凝土; 环境保护
粉煤灰是燃煤火力发电厂煤粉燃烧熔融后排出的粉末状固体废物。目前我国发电机装机容量已达1. 1亿kW 以上, 其中燃煤火电站装机容量占80%, 年排放粉煤灰量上亿吨, 且呈现不断上升的趋势。据不完全统计, 六五 和 七五 期间, 粉煤灰综合利用仅为20%和30%, 1995年也只有45%, 多年来未被利用的粉煤灰量累计达5亿t 以上, 且每年新增5~7千万t 。如此多的垃圾堆放在大中城市周边地区不仅占用大量的耕地, 耗费大量处理费用, 而且还将造成水源和大气的污染。
(OH) 2等碱性物质反应, 其生成物不但能在空气中硬化, 而且能在水中继续硬化的特性。
基于粉煤灰的上述特性, 国外对粉煤灰的开发利用较早, 在20世纪30年代就探索利用粉煤灰配制粉煤灰混凝土, 并且取得了巨大成功和显著的经济效益。如美国1938年完工的玻尼维尔坝以及40年代中期美国垦务局等工程部门在建造蒙大拿州俄马坝工程中, 大规模地应用了粉煤灰; 日本国内从1953~1968年共建筑了27座粉煤灰混凝土水坝。
实践证明, 合理利用粉煤灰资源可以节约大量能源, 所以许多国家的能源部门鼓励和支持粉煤灰资源循环再利用, 从而对粉煤灰的研究和应用起到了有力的推动作用。特别是近年来, 随着人们环境意识的增强, 粉煤灰的处理和利用已与环境保护休戚相关。根据环境保护科学新理论, 只有将污染防治、废物处理与资源开发紧密结合起来, 才能使排灰的电力工业摆脱面临环保法越来越严、粉煤灰处置费用越来越高的困境。
1 国内外粉煤灰应用研究现状
我国粉煤灰研究开发利用始于20世纪50年
代, 主要集中在水泥和混凝土应用开发试验研究, 并已在工程建设中广为应用, 如50年代中期东北地区冶金基地建设, 稍晚些时候的三门峡水利枢纽工程和广西大化水电站的建设及近年来的城市高层建筑如上海东方明珠塔等。近年来在我国高等级公路建设中, 粉煤灰也被大规模地用来处理软弱土层, 充分利用粉煤灰的火山灰特性改良地基。表1为近10年来我国火电厂粉煤灰排灰量及综合利用情况。
表1 我国火电厂粉煤灰排放量及综合利用情况
总利
总排量年份用量
(万t)
(万t) [**************]5
[**************]0
[**************]
总利不同行业利用量(万t) 用率
(%) 建材建工筑路回填农业回收其它20. 727. 731. 932. 0
[1**********]0
[1**********]
[1**********]
[1**********]
[1**********]
[1**********]
3432124150
2 粉煤灰应用研究的主要领域
粉煤灰的主要化学成分为SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、
CaO 、MgO 、SO 3及未燃尽的碳, 其中游离的SiO 2、Al 2O 3、CaO 对粉煤灰工程性质有益, 而未燃尽的碳对工程性质有害。针对粉煤灰的工程性质和环保要求, 目前已进行了多种利用途径的研究。2. 1 水泥生产中的应用
(1) 代替粘土作水泥原料。粉煤灰的主要化学成分同粘土类似, 所以可用它代替粘土配制水泥生料, 生产实践表明, 粉煤灰水泥的强度(尤其是早期强度) 随粉煤灰掺加量的增加而降低, 当粉煤灰加入小 粉煤灰是具有火山灰特性的微细灰, 其粒径范围为0. 5~200 m, 平均粒径20 m 。所谓火山灰特
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30%时, 强度下降幅度增大, 如表2所示, 但后期强度却有较大增长, 6个月后可以超过硅酸盐水泥的强度。
表2 粉煤灰水泥的强度
粉煤灰掺0. 08mm 筛入量(%) 筛余(%)
0453530
2. 95. 14. 85. 2
抗压强度(M Pa)
3d 29. 811. 612. 812. 5
7d 38. 118. 120. 222. 6
28d 46. 531. 137. 840. 4
52. 3
65. 7
66. 5
90d 53. 8
180d 57. 0
1a 55. 2
泵送混凝土、高低标号混凝土及灌浆材料等。
粉煤灰用于大体积混凝土方面的研究较多, 孙家顺等在三峡建设工程中对不同品质的粉煤灰优选和应用展开了研究; 归树茂在河南国际经贸大厦箱基、河南保险大厦桩基乘台等工程实践的基础上, 研究了粉煤灰对大体积混凝土基础内部温度的影响变化规律, 其规律为:升速快, 降速慢; 混凝土入模后温度呈上下跳跃状态, 其持续时间为3. 5~5d, 在这段时间内往往反复多次才趋于稳定, 达到稳定期后温度不再是上下跳跃, 而是缓慢下降, 直至散失。但是此温升与单纯水泥混凝土相比, 温升要小得多, 预计混凝土温升将大于50! , 而实测却在39~40! , 降低了10%~20%。
用粉煤灰配制高强混凝土方面的研究也较多。杨静、覃维祖等人系统地研究了粉煤灰对高性能混凝土强度的影响。研究表明:(1) 在水胶比较低的条件下, 掺入粉煤灰对水泥胶砂强度的影响不明显, 当水胶比为0. 35以下时, 掺30%粉煤灰的胶砂试件强度比(与同等条件下不掺粉煤灰时的强度相比) 可达0. 95以上, 而且能大大改善混凝土的工作性能和结构密实程度, 降低水化热; (2) 不同种类、级别的粉煤灰, 对高性能混凝土强度的影响程度不同, 但优质灰和一级灰相比, 没有太大差别; (3) 粉煤灰掺量在30%~50%的范围时, 随着掺入量的增加, 混凝土的强度有所下降, 但水胶比的影响更明显, 在保证流动性的前提下适当降低水胶比, 即使是二级灰, 掺入量在50%时, 混凝土的60d 强度也能达到60MPa 以上; (4) 掺粉煤灰的高性能混凝土随龄期的延长呈增长趋势。
而Read 和Malhotra 等人通过对温度和强度之间关系的研究得出了如下结论:(1) 掺粉煤灰混凝土湿养护试件强度需1年龄期才能赶上纯水泥混凝土, 而从构件中钻取的芯样因断面尺寸较大, 而受温升影响强度发展加快, 至91d 龄期已超过后者, 与其相对照, 从纯水泥混凝土构件中钻取的芯样受温度影响, 其早期强度发展未显示加速(可能温升不够显著) 但后期强度比湿养护有所降低, 表明温度变化对两种混凝土存在不同影响, 差异十分显著; (2) 掺粉煤灰混凝土的试件在空气中养护与湿养护相比, 各龄期强度均有所下降, 下降幅度比纯水泥混凝土大, 说明在空气中养护对这种混凝土影响较大; (3) 大掺量粉煤灰、低水胶比混凝土的强度发展较慢, 但后期, 水泥采用粉煤灰配料可以利用其中的未燃尽碳, 经验表明, 采用粉煤灰代替粘土做原料可以增加水泥窑的产量, 同时可降低16%~17%的燃料消耗。此外, 粉煤灰水泥具有如下特性:缩率比掺其它类型火山质混合材料的水泥要小; 具有较好的抗裂性能; 抗淡水和硫酸盐的腐蚀能力较强。
(2) 用作水泥混合材。粉煤灰本身加水后虽不硬化, 但在水热条件下能与石灰、水泥熟料等碱性激发剂发生化学反应, 生成具有水硬胶凝性能的化合物, 故可用作水泥的活性混合材。
法国从1955年就开始用粉煤灰作水泥混合材, 至1975年共在水泥中掺入了1300~1500万t 粉煤灰。据统计, 在水泥工业中每掺入100万t 粉煤灰便可节约12万t 燃料。
(3) 用于生产特种水泥。部分粉煤灰的化学成分和矿物组成适宜于生产特种水泥, 如氧化钙含量较高的页岩灰就属这种类型。前苏联在水泥熟料中掺入30%页岩灰共同粉磨, 生产出500#页岩水泥, 性能类似矿渣硅酸盐水泥, 这种水泥很适合于配制装配式钢筋混凝土及其构件。
巴西用50%粉煤灰和50%优质石灰石配料, 烧出熟料, 再掺入50%~60%粉煤灰和2%~3%氢氧化钠作碱性激发剂。这种新型粉煤灰水泥3d 抗压强度达250, 28d 强度达400以上, 水化热仅为波特兰的一半, 抗硫酸盐性能也提高了许多。2. 2 建筑工程方面的应用
粉煤灰用作建筑工程的基本材料能节约水泥, 降低生产成本和工程造价; 提高混凝土后期强度及抗渗性和抗化学侵蚀能力; 改善混凝土的和易性, 便于泵送、浇筑和振捣; 抑制碱骨料反应的不良影响; 降低水泥水化热, 抑制温度裂缝的发生与发展; 与水泥中的游离氧化钙相化合提高水泥的安定性。
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期强度和耐久性要求很高的各种结构物。2. 3 道路工程中的应用
在路用混凝土工程中, 加入粉煤灰和专用减水剂, 配制成粉煤灰水泥混凝土, 不但可以节约水泥, 而且可以提高混凝土的强度和耐磨性。对软弱地基和膨胀土, 可将粉煤灰和石灰等加入路基土中, 可有效地改善路基的工程性质。
在道路工程中, 粉煤灰主要用于稳定路面基层, 制成粉煤灰沥青混凝土, 另外, 还用于护坡、护堤工程和修筑水库大坝等。杨应信结合甘肃省中川高速公路路面基层的研究表明:(1) 粉煤灰、石灰二合灰土的强度随龄期的增长而增长, 且后期强度增长很快, 在配比为石灰8%、粉煤灰24%、压实度93%的情况下, 其7d 的抗压强度为0. 685MPa, 而28d 的为7d 的5. 75倍, 180d 的为7d 的9. 32倍; (2) 二灰土强度随石灰、粉煤灰剂量的增加而增加, 并且随龄期而增长; (3) 不同压实度对二灰土的强度有较大的影响, 其强度随着压实度的增减而增减; (4) 路基整体强度高, 水稳性好, 压缩性小, 分散荷载能力强, 且早期出现的干缩和温缩裂缝有一定的自愈合能力。上海的沪嘉、莘松高速公路及河北省石安高速公路等也都大量地使用了粉煤灰修筑路堤。而侯浩波在对粉煤灰的力学性能(包括击实性、抗剪强度、渗流特性、抗冻性等) 研究之后, 提出用固化剂固化粉煤灰作为灰坝筑坝材料, 其性能优于粘性土料, 达到并超过用10%水泥固化粉煤灰的性能。美国在纽约机场的扩建工程中推广应用粉煤灰, 研究出一种硝石灰、水泥、粉煤灰和砂的混合材料, 用来铺筑飞机跑道的底层, 这种材料的后期抗压强度达到140~170kg/cm 2。据报告, 76cm 厚的硝石灰、水泥、粉煤灰和砂的混合材料铺筑的跑道地层, 其承重能力相当于40cm 厚波特兰水泥混凝土层或150cm 厚以上的沥青混凝土层的承重能力, 在承重能力相等的条件下, 沥青混凝土层成本为14. 5美元/m 3, 而粉煤灰混合料的成本仅为8. 5~9美元/m 。2. 4 农业上的应用
粉煤灰在农业上的应用主要为:直接用粉煤灰作肥料来改良土壤; 用粉煤灰制成磁性肥料、复合肥料及磁性复合肥料。
粉煤灰含有对农作物生长有益的元素, 具有改善土壤物理性质的结构特性, 可直接用作肥料。纽约州立大学Malanchuk 教授的研究表明:在温室条, 3
由于粉煤灰富含硼, 是油料作物的良好肥源, 生长在粉煤灰改良的土壤上, 花生、大豆的产量及品质均有明显提高。另外粉煤灰同腐植酸结合施用, 可以提高土壤中有效硅的含量, 吉林农科所在三种土壤上种植水稻, 每公顷施粉煤灰22. 5~30t, 土壤有效硅含量由1. 07, 0. 52, 1. 4mg /kg , 分别提高到1. 9, 2. 0, 7. 4mg/kg 。针对粉煤灰中有害成分(Cd 、Hg 、As 、Cr 、Pb) 对农作物的影响, 徐红的研究表明:有害成分的含量与农田土壤背景值相关不大, 施灰土壤中的有害成分与粉煤灰用量不存在线性关系, 即适量施用粉煤灰不会造成土壤的污染, 施灰田作物的有害成分含量与对照田的在相近范围内波动, 没有明显富集, 且远远低于国家标准的限定值。2. 5 污水处理中的应用
粉煤灰在酸性条件下, 其中的铝、铁离解成为无机混凝剂, 它与污水混合时, 铝离子和铁离子将污水中的悬浮物粒子絮凝、相互捕获而共同沉降下来, 完成污染物、悬浮物与水的分离, 使得水质清澈透明。同时由于粉煤灰是高温燃烧的产物, 具有活性, 形成过程与活性碳的制作过程相似, 同样具有较大的比表面积, 其比表面积达2700~3500cm /g , 因此, 它与活性碳一样具有吸附污水中悬浮物、脱去污水中的有色物质、降低色度、吸附并能除去污水中的耗氧物质的作用。郑礼胜、王士龙等人研究了用粉煤灰处理含铬废水, 可以除去废水中99%以上的三价铬离子, 若对六价铬离子还原成三价则效果同样很好。与此同时, 有关专家在研究用粉煤灰处理生活污水、造纸厂和制革厂的污水以及用粉煤灰吸附酸性艳绿GS 等方面, 都取得了较好的效果, 说明用粉煤灰处理污水可以以废治废, 实现资源综合利用, 处理工艺简单, 成本低, 是粉煤灰利用的有效途径。
2. 6 矿山充填方面的应用
粉煤灰用于矿山充填始于20世纪20年代, 首先是把粉煤灰单独作为充填料用于充填煤矿采空区, 以预防或隔离井下火灾。当干粉煤灰充填到井下采空区后, 开始时硬度很小, 几周之后, 在潮湿的井下环境下, 粉煤灰依靠自身的活性而发生水化反应逐渐变硬, 16个月以后, 即使在相邻采场爆破的震动下, 充填体也几乎没有什么收缩率, 对采空区的顶板已有相当的支撑作用。后来发展为用粉煤灰和石子混合来浇注采空区, 这种充填体不仅具有一定的强度, 而且隔水、隔声效果都很好。随着人们对粉2
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的作用下, 在充填体中不仅充当着 微集料 的效应, 而且在行为上表现为 低标号水泥 , 共同优化充填体结构。因此, 现在粉煤灰在胶结充填中, 用来替代部分水泥作为胶凝剂。如南非矿业协会研究中心的I. H. Clark 先生研究了尾砂、普通硅酸盐水泥和粉煤灰分别按干重比例90∀3∀7的一种充填混合料, 测试了在22! 的水中养护条件下, 其抗压强度、断裂强度、杨氏模数、空隙率和水砂比等数据。试验结果表明, 最佳水砂比为0. 28, 充填体强度是充填养护时间和充填水砂比两者的函数, 最后推荐了一组设计曲线。而加拿大费林费伦哈得孙湾矿业公司的纳缪湖镍矿采用了含5%(水泥3%、飞灰2%) 胶结剂的碎石充填料, 水泥浆液的水灰比为0. 73, 充填效果极好。鹰桥有限公司的萨德里各矿山及兰德方舟集团黄金开采公司的库克矿区等国外矿山都有用粉煤灰作充填的胶凝剂的报道, 这说明粉煤灰具有 低标号水泥 的性能, 且能增强充填体后期强度, 其充填成本也普遍下降。
在我国, 粉煤灰实际应用的矿山只有金川公司。从20世纪80年代中后期开始, 金川公司就先后进行了湿排灰和干灰的应用探索, 并总结出了如下经验:(1) 粉煤灰的掺用方式及掺量主要取决于所要达到的目的和要求, 在充填料浆中掺加粉煤灰既可取代部分水泥, 也可取代部分细骨科, 还可以既不取代水泥也不取代细骨科; (2) 在保证充填体强度不变的条件下, 采用超量取代法, 取代系数取2. 0; (3) 充填料浆粉煤灰最大掺量为基准料浆水泥用量的50%。自1987年7月~1994年4月累计使用粉煤灰32427t, 代替水泥16425t, 节约费用达394万元, 取得了较好的经济效益和社会效益。
此外, 粉煤灰还用来制取分子筛、提取其中的铁、铝等有用成份, 以及在塑料制品中作填充剂等, 其应用范围越来越广, 也越来越引起人们的重视。
充分利用, 具有重要地现实意义。
针对粉煤灰当前应用研究的现状和存在的问题, 今后的研究应主要集中在以下几个方面:
(1) 提高粉煤灰的利用率, 改造火电厂锅炉燃烧系统和自动化水平, 生产质量稳定的粉煤灰, 在燃烧过程中加入石灰, 提高粉煤灰的钙含量;
(2) 改变集灰和排灰系统, 采用多级静电除尘器集灰, 并保持粉煤灰原有活性;
(3) 开展磨细粉煤灰研究, 提供标准品质的粉煤灰产品;
(4) 开展粉煤灰形态、成分及物理特性研究, 从无序中找出有序化的规律, 使粉煤灰的质量和性质有序化;
(5) 开展粉煤灰活性剂的研究, 改善粉煤灰工程性质;
(6) 开展粉煤灰的工程应用研究, 特别是矿山充填等大用量的工程应用研究, 以减少粉煤灰排放对环境的污染。
参考文献:
[1][2][3][4][5][6][7][8][9]
王立刚, 朱曦光. 我国粉煤灰资源的综合利用现状及今后发展重点[J]. 矿业研究与开发, 1999(5) .
覃维祖. 利用粉煤灰开发高性能混凝土若干问题的探讨[J]. 建筑材料学报, 1996(2) .
杨 静, 覃维祖. 粉煤灰对高性能混凝土强度的影响[J ]. 建筑材料学报, 1999(3) .
孙家顺. 三峡工程粉煤灰优选[J]. 粉煤灰综合利用, 1998(3) . J. L. M alanchuketal. Water, Air, Soil Pollution, 1995. 81(3/4) :349-361.
邵 华. 现代土壤科学研究[M ]. 北京:中国农业科技出版社, 1994, 405-406.
徐 红. 施粉煤灰农田和作物的有害元素含量及影响评价[J]. 矿物岩石地球化学通报, 1999(1) .
郑礼胜, 王士龙, 陆文武, 陈曙东, 高亮. 用粉煤灰处理含铬废水的试验研究[J]. 粉煤灰综合利用, 1997(2) .
Read P, Carette G G, M alhotra V M . Strength development characteris tics of high -strength concrete incorporating supple mentary cementi ng materials, 1990, SP121-26:527~547. [10]Berry E E, Hemm i ngs R T, Corneli us of hydration in high vol
um e fly as h pastes and mortar . Cement and Concrete Compos ites, 1990-12:253.
3 结束语
粉煤灰是一种弃之为害、用之为宝的二次资源, 人们正在探索、分析、研究粉煤灰各方面的利用, 并且已取得了巨大的成功, 实践证明粉煤灰具有广泛的开发利用前景。但我国粉煤灰的利用率还很低,
应用研究与发达国家相比还很落后, 真正大规模应用很少。因此, 科学地分析粉煤灰的特性, 正确认识不同条件下粉煤灰的作用, 并努力探索使之能得到
(收稿日期:2002-04-24)
作者简介:古德生, 男, 中南大学教授、博士生导师, 中国工程院院士, 主要从事振动放矿、地下矿连续开采及矿业经济等方面的研究。