魯永明 李之政 李 偉 張中玲 魏中華 王 宇

(1沈陽金鎧建筑科技股份有限公司，遼寧 沈陽 110179；2 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司工程總承包部，北京 100088；3江蘇省建工集團(tuán)有限公司，江蘇 南京210036)

1 引 言

泡沫混凝土是特種混凝土的一種，具有質(zhì)輕，保溫，隔音等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)對(duì)泡沫混凝土的研究和應(yīng)用已有40余年的歷史，隨著建筑業(yè)的發(fā)展，泡沫混凝土的研究開始重新重視[1，2]。目前沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的優(yōu)質(zhì)粉煤灰及水泥活性混合材料的市場(chǎng)需求遠(yuǎn)得不到滿足，并且泡沫混凝土在發(fā)展推廣過程中對(duì)粉煤灰的需求量也在加大，就更加凸顯了優(yōu)質(zhì)活性混合材料的緊缺。近年來，我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的粉煤灰綜合利用形勢(shì)很好，很多地方的干排粉煤灰甚至出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。然而在這些地區(qū)對(duì)占燃煤鍋爐所排灰渣20%左右的爐底渣的綜合利用仍然未受到應(yīng)有的重視。目前，國(guó)內(nèi)有少量的爐底渣作為建筑材料中的粗集料或細(xì)骨料使用，以取代部分河砂或碎石，國(guó)外則主要是將其作為道路的路堤和基層，這些利用方式的經(jīng)濟(jì)效益不高[3，4]。本文以熱電廠的爐底渣為例，對(duì)磨細(xì)爐底灰渣的物理化學(xué)性質(zhì)、火山灰活性進(jìn)行了測(cè)試分析，并按照不同的比例摻量加入到泡沫混凝土制品中研究探討其強(qiáng)度、耐久性等性能，對(duì)爐底渣的綜合利用進(jìn)行了可行性研究。

2 磨細(xì)灰渣物相及化學(xué)成分測(cè)試研究

某熱電廠的鍋爐屬亞臨界煤粉爐，燃燒溫度＞1200℃，爐底渣在高溫熔融狀態(tài)下經(jīng)過水淬處理后通過刮板撈渣機(jī)連續(xù)撈出，再經(jīng)碎渣機(jī)破碎，然后用輸渣皮帶機(jī)輸送至貯渣倉(cāng)，用卡車運(yùn)往灰渣場(chǎng)堆放。本次試驗(yàn)所用的樣品取自該熱電廠所排放的濕爐底渣樣，編號(hào)為1”，2”，烘干備用。

2.1 磨細(xì)灰渣礦物相分析

采用ARLX1TRA型旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀對(duì)磨細(xì)灰渣的礦物相進(jìn)行了分析，如圖1所示。X射線衍射峰較寬厚，說明其礦物相中玻璃體的含量占優(yōu)勢(shì)，結(jié)晶相物質(zhì)所占比例較低。在結(jié)晶相物質(zhì)中，晶體礦物相態(tài)也不是十分復(fù)雜，除了主要的晶體礦物相莫來石(3A1203·2SiO2)，α-石英(α-Si02)外，還含有少量的赤鐵礦，而且以α-石英較多，莫來石次之，赤鐵礦最少。

圖1 磨細(xì)灰渣的X射線衍射圖

2.2 磨細(xì)灰渣化學(xué)成分

采用ARL-9800型X射線熒光光譜儀(XRFS)對(duì)兩份磨細(xì)灰渣進(jìn)行常量化學(xué)成分分析，分析結(jié)果表明(見表1)，磨細(xì)灰渣的Si02，A1203，和Fe2O3的總和都超過了85%，而Ca0含量均＜5%，其化學(xué)成分與低鈣粉煤灰比較類似[5]。

2.3 微量元素含量

利用XRFS對(duì)磨細(xì)灰渣中的微量元素含量進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明(表2)，灰渣中所含可檢測(cè)到的微量元素種類較多，其中包括一些有毒、有害元素，但含量均不高，與國(guó)家農(nóng)用粉煤灰污染控制標(biāo)準(zhǔn)相比較，磨細(xì)灰渣中各種微量元素含量均不超標(biāo)，允許應(yīng)用到建材中。

表1 磨細(xì)灰渣的常量化學(xué)成分(%)

表 2 熱電廠磨細(xì)灰渣中的微量元素含量×10-6

2.4 放射性元素含量

磨細(xì)灰渣的放射性元素含量是采用低本底多道γ能譜議測(cè)定的，放射性比活度則是根據(jù)其放射性元素含量通過放射化學(xué)法[6]計(jì)算而得，并按國(guó)家環(huán)?？偩诸C布的《建筑材料放射性核素限量(GB6566-2001)》[7]規(guī)定計(jì)算了其外照射和內(nèi)照射兩個(gè)指標(biāo)。將檢驗(yàn)樣品破碎，磨細(xì)至粒徑不大于0.16mm。將其放入與標(biāo)準(zhǔn)樣品幾何形態(tài)一致的樣品盒中，稱重(精確至1g)、密封。當(dāng)檢驗(yàn)樣品中天然放射性衰變鏈基本達(dá)到平衡后，在與標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)量條件相同情況下，采用體本低多道γ能譜儀能對(duì)其進(jìn)行鐳－226、釷－232和鉀－40比活度測(cè)量，結(jié)果如表3所示，熱電廠磨細(xì)灰渣的放射性元素的比活度較小，將其摻入建筑材料中，符合國(guó)標(biāo)(GB6566-2001)要求，不會(huì)造成放射性污染。

3 爐底渣最佳粉磨工藝及磨細(xì)渣的特性研究

3.1 爐底渣最佳粉磨工藝研究

決定粉煤灰品質(zhì)的最重要的3個(gè)指標(biāo)為：細(xì)度、需水量比和燒失量。本實(shí)驗(yàn)采用的熱電廠爐底灰渣的燒失量較小，可通過粉磨達(dá)到II級(jí)粉煤灰的細(xì)度，顯然，對(duì)爐底渣進(jìn)行磨細(xì)，關(guān)鍵就是如何通過合適的粉磨工藝使磨細(xì)爐底渣的需水量比能盡量達(dá)到最小值。

試驗(yàn)所用磨機(jī)型號(hào)SM-500，規(guī)格Ф500mm×500mm，轉(zhuǎn)速50r/min，球配為磨水泥熟料的標(biāo)準(zhǔn)球配，電機(jī)功率為1.5kW。由于1和2樣品的化學(xué)成分、礦物相等諸多特征均較相似，故本次粉磨試驗(yàn)僅采用1樣品作為代表，每次入磨量為5kg，粉磨時(shí)間分別為10、20、30、40min等，到達(dá)預(yù)定粉磨時(shí)間后，對(duì)磨細(xì)灰渣進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，找出粉磨時(shí)間與出料的細(xì)度和需水量比之間的變化關(guān)系，當(dāng)磨細(xì)灰渣的需水量比達(dá)到最小時(shí)，以此確定為最佳粉磨時(shí)間。

表4為不同粉磨時(shí)間出料的細(xì)度(45μm篩余量)、比表面積和需水量比之間的關(guān)系，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，磨細(xì)灰渣的細(xì)度逐漸減小，其比表面積呈增加的趨勢(shì)。但是當(dāng)粉磨時(shí)間由30min增加到40min時(shí)(表4)，爐底渣的需水量比變化不明顯，都是103%。這是由于隨著灰渣由粗變細(xì)，其堆積變密實(shí)，空隙體積減小，需水量比也就減少；但隨著灰渣由細(xì)變得更細(xì)，其比表面積也將增大，在顆粒表面形成水膜所需的水量增多，導(dǎo)致灰渣磨細(xì)到一定程度后，其需水量比的變化就不明顯。因此，若以最小需水量比作為判別標(biāo)準(zhǔn)，那么將最佳的粉磨時(shí)間確定為30min，相應(yīng)的出料細(xì)度(45μm篩余量)控制在10%左右，這時(shí)出料的需水量比最低；能使磨細(xì)灰渣達(dá)到Ⅱ級(jí)粉煤灰的需水量比≤105%的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 磨細(xì)灰渣的顆粒特征及火山灰活性

3.2.1 磨細(xì)灰渣的顆粒級(jí)配特征

將4個(gè)經(jīng)不同粉磨時(shí)間的磨細(xì)灰渣采用美國(guó)S3500激光粒度分析儀進(jìn)行了分析測(cè)試，隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，出料的平均粒徑逐漸減小，如粉磨10min樣品的平均粒徑為29.012μm，而粉磨40min樣品的平均粒徑則降為10.105μm。

圖2顯示了在粉磨過程中出料顆粒級(jí)配的變化特征關(guān)系，隨著粉磨時(shí)間增加，磨細(xì)出料中＜ 20μm的顆粒逐步增加，而介于20～45μm的顆粒含量幾乎不變，磨細(xì)出料中＞ 45μm的顆粒的含量則逐漸降低，這表明粉磨工藝對(duì)進(jìn)料中＞45μm的顆粒較有效。實(shí)驗(yàn)表明，通過標(biāo)準(zhǔn)球磨機(jī)(如本次研究所采用的)粉磨物料，要將進(jìn)料中＜45μm的顆粒再磨細(xì)，效果將不會(huì)很明顯。由于粉磨初期進(jìn)料中含較多的＞45μm的顆粒，導(dǎo)致了粉磨初期磨細(xì)出料的細(xì)度下降較明顯，隨著粉磨時(shí)間增加，粉磨進(jìn)料中＞45μm的顆粒變少，粉磨出料的細(xì)度下降也就變得緩慢。也就是說，通過磨細(xì)工藝控制磨細(xì)出料的細(xì)度，受到一定的限制。因此，在實(shí)際工程中，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求，可按對(duì)應(yīng)的磨機(jī)型號(hào)選取最佳粉磨時(shí)間來控制磨細(xì)灰渣的細(xì)度。

從圖2中可以看出，磨細(xì)灰渣主要為不規(guī)則薄片狀顆粒。

表3 磨細(xì)灰渣中各放射性元素含量及放射性比活度 Bq／kg

表4 粉磨時(shí)間對(duì)1號(hào)樣品的細(xì)度、比表面積、需水量比的影響

表5 摻有磨細(xì)灰渣及粉煤灰的水泥膠砂不同齡期強(qiáng)度

3.2.2 磨細(xì)灰渣的火山灰活性

本次研究評(píng)定材料的火山灰活性采用強(qiáng)度法，以純水泥砂漿為基準(zhǔn)樣，依據(jù) (GB1596-2005)所規(guī)定的“抗折、抗壓強(qiáng)度”測(cè)定活性的方法，測(cè)定了磨細(xì)灰渣及粉煤灰的火山灰活性，這種方法能直接反映被測(cè)物對(duì)水泥基材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的較好方法。測(cè)定結(jié)果見表5。其中Ⅱ級(jí)粉煤灰與磨細(xì)灰渣同一熱電廠。

圖2 磨細(xì)灰渣不同粉磨時(shí)間出料的粒徑分布直方圖

試驗(yàn)結(jié)果表明(表5)，不同摻量的磨細(xì)灰渣的水泥膠砂3d的抗折、抗壓強(qiáng)度隨著灰渣細(xì)度的減小而增加；而不同細(xì)度爐底渣的28d抗折、抗壓強(qiáng)度的差異變小。磨細(xì)爐底渣的3d抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于級(jí)Ⅱ粉煤灰的強(qiáng)度，表明其早強(qiáng)效果較好；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，磨細(xì)灰渣與級(jí)粉Ⅱ煤灰強(qiáng)度的差距變小，但28d時(shí)磨細(xì)灰渣的抗折和抗壓強(qiáng)度均仍然略高于Ⅱ級(jí)粉煤灰(細(xì)度相近時(shí))。

4 磨細(xì)灰渣在泡沫混凝土中的應(yīng)用

泡沫混凝土的制備需要大量漿體，如果全部采用水泥膠凝材料，則成本較高，而且存在收縮過大等問題。因此在滿足基本性能需求的前提下大量采用活性或非活性摻合料成為泡沫混凝土制備過程不可或缺的部分。大量文獻(xiàn)研究中采用了不同摻合料制備泡沫混凝土，并研究了相關(guān)性能。喬歡歡、盧忠遠(yuǎn)等[8]研究了硅灰、粉煤灰兩種活性摻合料下的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、吸水率及抗凍性等性能，研究發(fā)現(xiàn)在泡沫混凝土中加入硅灰明顯提高早期強(qiáng)度，但會(huì)增加吸水率，且不利抗凍性能；粉煤灰的引入可提高抗凍性，摻入粉磨處理的粉煤灰可增加后期強(qiáng)度，降低吸水率，但對(duì)抗凍性的改善作用不大。

本次研究中采用相同的泡沫混凝土配合比，采用粉磨30分鐘的磨細(xì)灰渣與Ⅱ級(jí)粉煤灰同量摻加，為膠凝材料的20%，對(duì)7d和28d強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，具體數(shù)值見表6。

從表6可以看出，同樣20%摻量的磨細(xì)灰渣的7d和28d的抗壓強(qiáng)度都高于20%摻量的Ⅱ級(jí)粉煤灰配制的泡沫混凝土?？梢哉f明，經(jīng)過磨細(xì)的爐底渣在泡沫混凝土中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用是完全可以的。

5 結(jié) 語

1)磨細(xì)灰渣與Ⅱ級(jí)粉煤灰的火山灰性能對(duì)比試驗(yàn)表明，磨細(xì)爐底渣的早期強(qiáng)要明顯優(yōu)于磨細(xì)級(jí)粉煤灰，28d的強(qiáng)度也仍然略高于Ⅱ級(jí)粉煤灰的，即磨細(xì)爐底渣的火山灰活性要優(yōu)于Ⅱ級(jí)粉煤灰。

2)在水泥-磨細(xì)灰渣-泡沫-水原料體系泡沫混凝土中，摻加適量磨細(xì)灰渣將有助于提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，同時(shí)可降低生產(chǎn)成本。

3)將爐底渣通過磨細(xì)優(yōu)化其品質(zhì)，應(yīng)用于泡沫混凝土，這在技術(shù)上是可行的。

表6 20%摻量磨細(xì)灰渣和粉煤灰在泡沫混凝土中的性能對(duì)比

[1]王永滋.粉煤灰泡沫混凝土的生產(chǎn)與應(yīng)用[J].福建建設(shè)科技,2001,2:35-36.

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[8]喬歡歡,盧忠遠(yuǎn),嚴(yán)云,舒朗.摻合料粉體種類對(duì)泡沫混凝土性能的影響[J].中國(guó)粉體技術(shù),2008,14(6):38-41.