粉煤灰综合利用的机械活化研究

时间：2024-08-31

文 _ 高春阳张鹏林德平王磊神华国能（神东电力）山西鲁晋王曲发电有限责任公司

1 前言

火电厂粉煤灰排放量大，综合利用价值高。制备胶凝材料、混凝土等大宗高附加值建材是粉煤灰利用的一条重要途径。粉煤灰烧失量越大，对混凝土的影响越不利。粉煤灰中残留的碳粒能使混凝土的需水量增加，密实度降低，并明显地影响引气剂、减水剂等外加剂的掺量以及混凝土外观的颜色和均匀性等。

本文采用机械活化的方法提高粉煤灰胶凝活性，分析了粉磨过程中粉煤灰胶凝活性变化与机械化学作用和碳颗粒结构变化的关系，并进一步揭示了粉煤灰机械活化机理。

2 实验过程

实验原料为王曲电厂锅炉满负荷运行时的飞灰。粉煤灰比表面积为615m2/kg，比重为2.3g/cm3。用X射线荧光分析仪分析原料化学组成，其主要化学组成见表1。

表1 粉煤灰化学组成（质量百分比）

将4组粉煤灰样品在振动球磨机中分别粉磨15 min、30 min、60 min和90 min，样品名为15min、30min、60min、90min，原状粉煤灰样品名为raw。

用欧美克LS603激光粒度分析仪测试粉煤灰样品粒度分布，并计算得到，原状粉煤灰中位径D50为8.28μm，粉煤灰磨细15 min、30 min和60 min后，其中位径D50分别是6.1μm、5.39μm、4.75μm。

胶凝活性的高低由其在相同条件下所制备胶凝材料水化28天的抗压强度高低来判断。采用静浆实验来测量胶凝材料力学性能，分别选用以上五组粉煤灰样品和矿渣为矿物掺合料，以1：1比例混合后加入少量激发剂制备而成胶凝材料样品，样品名分别为cem-15、cem-30、cem-60、cem-90和cem-raw。采用202020mm钢试件模具，分别将搅拌均匀的净浆注入模具中，放到振动台上振动捣实成型后送入标准养护室，隔24h脱模并继续（温度为203℃，湿度在90%以上）养护至龄期测定强度。

用X射线衍射仪分析样品的物相组成。采用扫描电镜研究样品的结构特征。采用PE生产的 FTIR Spectrum GX傅立叶变换红外光谱仪进行样品的红外分析。

3 实验结果

图1为不同细度粉煤灰制备净浆试块的抗压强度试验结果，其中水灰比为0.55。由图1可见，在水化7天和28天，样品cem-raw均具有最低的抗压强度；样品cem-30min在水化各龄期都具有最高的抗压强度；样品cem-90min的力学性能介于cem-raw和cem-30min之间。这说明，在相同水灰比的条件下，不同时间粉磨样品的胶凝活性高于原状粉煤灰，但并不是随着粉磨时间的增加而增加，而是在粉磨时间为30分钟时达到最优。

实验过程中发现，采用原状粉煤灰制备的胶凝材料加水搅拌后，流动性较差；采用磨细粉煤灰制备的胶凝材料加水搅拌后，流动性较好。因此，对力学性能最好的样品cem-30min进行实验，分析其需水量与水化性能的关系。

由图2可见，当水灰比为0.52时，样品cem-30min具有最高的强度；水灰比增加，强度降低，当水灰比为0.57时，其水化28天的抗压强度降低了6MPa；当水灰比减少到0.50时，其水化28天的抗压强度降低2MPa。

由图1和图2可见，当水灰比从0.56减少到0.52时，其抗压强度变化量大于在相同水灰比条件下，将样品粉磨30min后制备胶凝材料的强度值。这说明粉煤灰胶凝材料力学性能受需水量影响更大。

图1 胶凝材料样品不同龄期的抗压强度

图2 样品cem-30min在不同水灰比条件下的抗压强度

图3 不同粉煤灰样品的XRD图谱

图4 不同粉煤灰样品的FTIR分析

4 分析与讨论

由图3可知，不同粉煤灰样品的矿物相组成类似，主要是二氧化硅、氧化铁和硫酸钙；同时，25°左右的馒头峰表明粉煤灰中还存在玻璃相。随着粉磨时间的增加，矿物相衍射峰有减弱的趋势，但直到粉磨时间为60min时，矿物相衍射峰才明显降低。这表明，在粉磨过程中存在一定的机械化学作用，使得矿物相晶体结构缺陷增加，非晶态化增强，但作用并不明显。

由图4可知，不同粉煤灰样品在400cm-1～1400cm-1范围内的[SiO4]和[AlO4]基团振动峰没有明显变化。这就表明细碎过程中，粉煤灰中的大量硅铝质矿物结构没有发生大量改变。

由图5可见，从形貌上可以很容易区分碳颗粒和灰烬颗粒。原状粉煤灰，如图5(a)，其碳颗粒表面和内部有很多孔洞，表面积很大，而且碳颗粒的形状不规则，多棱角，有破裂的痕迹。经过粉磨的粉煤灰样品，如图5 (b)、(c)，其碳颗粒的形貌发生较大变化，表面变得光滑，孔洞消失，尤其是粉磨了60min的粉煤灰样品中碳颗粒尺寸变得很小，并与灰烬颗粒粉末混合均匀。

这表明，通过机械粉磨，碳颗粒的多孔、大表面积的结构被打破，变成密实的碎屑和粉末，吸附性能降低，分布更均匀。

由此，可进一步解释图1中样品的抗压强度不是随着粉磨时间增加而增长的原因。对于锅炉粉煤灰，在粉磨过程中有两个影响因素与其胶凝活性直接相关。一个是粉磨过程中的机械化学作用；在该因素作用下，粉磨时间越长，粉煤灰样品的胶凝活性越高。另一个是粉煤灰中碳颗粒的影响；残留的碳颗粒多孔结构具有较高的需水性，当细碎破坏其多孔结构后，需水性降低；当胶凝材料加水量超过其最佳需水量后，浆体变稀，力学性能下降。

由图1可见，粉磨后粉煤灰制备样品的抗压强度值高于原状粉煤灰制备样品对应龄期的抗压强度值，这表明粉磨过程中存在机械化学作用，并有利于粉煤灰活性的提高。粉磨90min的粉煤灰制备胶凝材料的抗压强度值低于粉磨30min的粉煤灰制备胶凝材料对应龄期的抗压强度值，这表明随着粉磨时间增加，粉煤灰中碳颗粒的多孔结构被破坏，需水量减少，此时不减少浆体的水灰比，则使其力学性能反而下降。

图2表明，水灰比的变化是影响胶凝材料性能的主要原因。原状粉煤灰最佳水灰比为0.55，粉磨30min后样品的最佳水灰比降为0.52，因此，粉磨过程中，碳颗粒多孔结构被破坏，胶凝材料最佳水灰比逐渐减少，水化浆体力学性能增强。