粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰,燃煤电厂排出的主要固体废物。热电厂为了提高煤炭的燃烧效率,不会将整块整块的煤直接燃烧。首先需要把煤炭研磨成粉状。煤粉在炉膛中呈悬浮状态燃烧,燃煤中的绝大部分可燃物都能在炉内烧尽,而煤粉中的不燃物(主要为灰分)大量混杂在高温烟气中。这些不燃物因受到高温作用而部分熔融,同时由于其表面张力的作用,形成大量细小的球形颗粒。在锅炉尾部引风机的抽气作用下,含有大量灰分的烟气流向炉尾。随着烟气温度的降低,一部分熔融的细颗粒急冷后呈玻璃体状态,这些玻璃体具有较高的潜在活性。在引风机将烟气排入大气之前,上述这些细小的球形颗粒,经过除尘器被分离收集起来,即为粉煤灰。
二、粉煤灰的三大效应
1.形态效应在显微镜下,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。这种形态对混凝土而言无疑能起到减水致密匀质作用,促进初期水泥水化的解絮作用,改变拌合物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能,对泵送混凝土而言能起到良好的润滑作用。
2.活性效应粉煤灰中的化学成分含有活性二氧化硅和三氧化二铝,在潮湿的环境中与氢氧化钙等碱性物质发生化学反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质,对混凝土起到增强作用和堵塞混凝土中的毛细组织,提高混凝土的抗腐蚀能力。
3.微集料效应粉煤灰中粒径很小的微珠和碎屑在混凝土中相当于未水化的水泥颗粒,极为细小的微珠相当于活泼的纳米材料,能显著改善和增强混凝土的结构强度提高匀质性。
在上述粉煤灰的三大效应中,邢台效应是物理效应,活性效应是化学效应,微集料效应既有物理又有化学效应。这三种效应相互关联互为补充。粉煤灰的品质越高效应越大。所以我们在应用粉煤灰时需要规定其数据。
三、粉煤灰对混凝土的作用
1.增加混凝土和易性掺加适量的粉煤灰可以改善混凝土的流动性、粘聚性、保水性使混凝土易于泵送浇筑,并减少坍落度的经时损失。
2.混凝土水化热降低粉煤灰水化放热很少,可以降低混凝土放热量,明显减少温度裂缝。对于大体积混凝土工程特别有利。
3.混凝土耐久性提高由于二次水化作用,混凝土的密实性提高,界面结构得到改善,同时由于二次反应使得易受腐蚀的氢氧化钙数量降低,因此掺加粉煤灰后可提高混凝土的抗渗性和抗硫酸盐腐蚀性。同时由于粉煤灰比表面积大吸附能力强,可以吸附水泥中的碱并与其反应降低碱含量。
4.成本降低同等强度下的混凝土,掺加粉煤灰可减少水泥10%左右用量。
四、粉煤灰的品种及性能指标
煤在锅炉中燃烧后会有两种形状的固态残留物-灰和渣。随着烟气排放收集的固体颗粒粉煤灰外,还有颗粒较大呈块状从炉膛底部收集出来的成为炉底渣,简称渣。我们通常讲粉煤灰综合利用也包括渣在内。
根据燃煤厂燃烧的煤种不同,排放收集的粉煤灰就有低钙煤灰和高钙煤灰之分,凡氧化钙含量大于8%或游离氧化钙含量大于1%的粉煤灰称为高钙粉煤灰,故一般情况下,高钙灰和低钙灰都是以测定粉煤灰中氧化钙含量或者游离氧化钙含量的数值来区分的,通常高钙灰颜色偏黄,低钙灰颜色偏灰。
1.细度和粒径一般收集的粉煤灰粒径变化为0.5-300μm,这一范围与水泥接近,但其中大部分的颗粒要比水泥细的多。国内沿用标准筛测定,现在的我国粉煤灰新标准把水泥和混凝土的粉煤灰试验方法和筛余量指标从用80μm标准筛人工筛分法改成用气流筛测定45μm的筛余量。如JGJ28-1986规定,以80μm标准筛测定细度,其筛余量Ⅰ级灰不大于5%,Ⅱ级灰不大于8%,Ⅲ级灰不大于25%。因为45μm以下粉煤灰颗粒对混凝土性质贡献较大,GB1596-2005粉煤灰新标准中,采用45μm筛余量(%)为细度指标,规定Ⅰ级灰不大于12%,Ⅱ级灰不大于20%,Ⅲ级灰不大于45%。细度是粉煤灰最重要的参量,有的专家认为可以用来作为评定混凝土中粉煤灰质量的基本参考值。
2.比表面积因为粉煤灰中密实颗粒和内部表面积很大的多孔颗粒混在一起,用比表面积方法不易准确测定颗粒的粗细。沿用标准水泥比表面积测定粉煤灰的变化范围一般为1500-5000cm2/g,仍可用作反应粉煤灰组合颗粒内外表面积的综合情况。
3.颗粒级配可分为细灰、粗灰、混灰三种。细灰用于混凝土应用。
4.密度普通粉煤灰密度为1.8-2.3g/cm3约等于硅酸盐水泥的三分之二。粉煤灰堆积密度变化范围为0.6-0.9g/cm3,振实后堆积密度为1.0-1.3g/cm3。高钙灰密度略大。
5.需水量比粉煤灰需水量比是按规定的水泥标准砂浆流动性试验方法,以30%的粉煤灰取代硅酸盐水泥时所需的水量与硅酸盐水泥标准砂浆需水量之比。这个性质指标能一定程度反映粉煤灰的物理性质的优劣。而且可以用来估计粉煤灰对混凝土的一些性质影响。最劣的粉煤灰需水量比可高达120%以上,优质粉煤灰可能只有90%一下。GBJ146-1990、GB1596-2005和JBJ28-1986都规定Ⅰ级粉煤灰需水量比不大于95%,Ⅱ级灰不大于105%,Ⅲ级灰不大于115%。
6.火山活性现在世界各国的混凝土用粉煤灰标准中,粉煤灰火山活性的评定都采用“抗压强度比”一类的试验方法,这类方法从传统水泥砂浆强度试验法改进而来。根据所掺粉煤灰对水泥砂浆强度的贡献来评定粉煤灰活性的高地。这类方法既不复杂又有一定可靠性,但是其试验结果却不能直接用于指导粉煤灰混凝土的配合比。
7.烧失量粉煤灰中的炭分一向被认定是有害物质,国家标准对于烧失量的规定越来越严格。不过也好理解,烧失量太大意味着电厂中煤粉燃烧不充分。对混凝土影响是一方面,热电厂的能源利用率也是重要指标。GBJ146-1990、GB/T1596-2005和JGJ28-1986都规定Ⅰ级粉煤灰不大于5%,Ⅱ级灰不大于8%,Ⅲ级灰不大于15%。值得注意的是,碳粒颗粒的粒径大部分在45μm以上,因其颗粒呈多孔状体对于外加剂吸附能力非常强。烧失量过大会是混凝土中外加剂掺量加大,提高混凝土成本。
8.含水率粉煤灰含水率影响卸料、贮藏等操作GB/T1596-2005和JGJ28-1986都规定不得超过1%。对Ⅲ级灰不做规定。
9.三氧化硫、氧化镁、有效碱含量通畅情况下粉煤灰中的三氧化硫、氧化镁、有效碱被认定是对混凝土有害的物质,一般含量是不打,故危害程度也不高。GBJ146-1990、GB/T1596-2005和JGJ28-1986都规定三氧化硫不大于3%。