粉煤灰在水泥工業中綜合利用

李賀軍 王小平 謝安琴 羅會鵬 張羽生

（貴州省建材產品質量檢驗檢測院，貴州 貴陽 550000）

在水泥生產過程中可以通過在生料或者混合料中添加一定比例的粉煤灰就可以提升水泥的性能以及降低生產過程中的能耗水平。在水泥生料中利用粉煤灰代替傳統的黏土可以降低水泥熟料制作的能耗水平以及水泥材料的性能。在未來的發展過程中需要通過粉煤灰細磨技術來不斷提高粉煤灰顆粒物的活性。

1 粉煤灰概述

火力發電廠在日常運行過程中需要燃燒大量的煤炭來為人類活動提供足夠的電力能源供應，在國內較大火力發電規模導致每年可產生數億噸的粉煤灰廢棄物且對其進行處理時還需要占用大量的土地資源。如果對粉煤灰進行填埋操作就會對周邊的植被、土壤、地表水等造成一定程度的影響或者污染。不過經過多年的研究之后科研人員逐漸將粉煤灰應用到水泥制造、建筑施工磚體制造、道路路基回填以及提升土壤肥力等多個方面。借助這種廢物利用的模式可以有效地減少粉煤灰造成的環境污染、資源浪費以及提升經濟效益。將粉煤灰應用于水泥的生產中可以在很大程度上提高其利用效率和經濟附加值，主要原因在于水泥材料的市場價格相對比較高且銷路也非常好。國內早在幾十年之前就開始將粉煤灰運用于水泥生產的配料或者水泥混合料之中，技術上已經非常成熟［1］。

1.1 化學構成

煤炭中或多或少的含有一些鐵元素、硅元素、鋁元素或者其他類型的元素，這些物質在高溫下燃燒就會形成氧化硅、氧化鐵以及氧化鋁等各種類型的金屬氧化物。燃煤構成元素方面的差異導致其在燃燒之后也會產生的粉煤灰在化學構成方面也出現一定程度的差異化。燃煤中混雜的頁巖和黏土在燃燒后會產生較多的二氧化硅和二氧化碳，而粉煤灰中的三氧化鐵主要來自混雜在煤炭中的黃鐵礦石顆粒物，而煤炭中的碳酸鹽或者硫酸鹽在高溫作用下會產生氧化鈣、氧化鎂等化合物。粉煤灰中的氧化鈣、三氧化鐵以及三氧化鋁等材料在水化作用之下可以形成具有一定凝膠特性的化合物，從而提升混凝土材料的力學性能［2］。

1.2 物理性能

從微觀上來看粉煤灰中主要含有燃燒不充分的有機炭、玻璃體或者少量的晶體等。磁鐵礦或者石英等是粉煤灰中比較常見的晶體結構；而粉煤灰中的玻璃體常常是形狀不規則的多孔結構或者體積小、空隙少的球形結構。燃燒不充分的有機炭通常也是形狀不規則的多孔疏松結構。

水泥中加水后會逐漸產生Ca（OH）2，而在其中加入粉煤灰之后還可以通過與氫氧化鈣的反應來進一步強化水泥漿液的硬化強度，加入粉煤灰的水泥配置成的混凝土材料往往在抗滲性能方面具有更好的表現。在水泥中加入粉煤灰之后可以借助其微集料方面的特性來提升某些方面的物理性能，粉煤灰顆粒物大多是0.5到300微米的球形微小顆粒物且其表面的光滑性也比較高，加入粉煤灰的水泥在配置混凝土的過程中可以有效地減少其對水分的消耗量，這種效應稱為形態效應。這些小的粉煤灰顆粒物可以對混凝土材料中的空隙進行有效地填充，并提升其整體的凝膠特性，進而憑借其優異的性能來提升混凝土材料的致密程度。

2 綜合利用方式

2.1 用于生料配料

生產水泥的過程中常常將鐵粉、石灰石以及黏土等材料作為生料中的重要配料，化學構成方面的相似性讓粉煤灰成為黏土的重要替代性材料，從水泥的生產過程來看加入粉煤灰之后可以更好更快的生成活性氧化鈣，其固相反應速度在一定的溫度范圍之內會有所提升。

采用黏土作為水泥熟料燒制的配料時需要消耗一定的能源來對其進行高溫煅燒，而粉煤灰本身就是煤炭經過高溫煅燒之后形成的產物且其中還含有一些燃燒不徹底的煤炭顆粒，因而粉煤灰對黏土材料的代替可以在一定程度上減少水泥熟料燒制時的煤炭資源消耗量。國內的企業最早在1997年時就利用粉煤灰來提高水泥熟料的產量以及減少其生產成本，而且最終生產出來的水泥熟料在質量方面也有所提升。早期的水泥生產過程中有時候會因為原料中含有較高比例的氧化鈉或者氧化鉀而產生較多的重量缺陷，主要表現在這些物質在水泥回轉窖內進行加熱之后會形成結球或者結皮等現象。將濕排粉煤灰添加到水泥熟料燒制的配料中可以有效地減少以上不良情況的出現。

黏土中的二氧化硅含量比粉煤灰中要高而三氧化二鋁的含量則相對比較低，因而采用粉煤灰來代替黏土時必然會造成水泥生料中的鋁含量偏高而硅含量偏低，通常在這種情況下通過添加礦用劑的措施來對部分元素的含量進行一定程度的校正。有研究人員對采用粉煤灰代替黏土之后的生料易磨性進行研究后得出的結論是其易磨性下降了，出現這種現象的主要原因在于生料中添加了礦用劑，與粉煤灰的使用沒有太大的關系。

2.2 用于水泥混合材料

國內的道路交通、房屋建筑、工業生產以及公共基礎設施建設等項目在過去的幾十年中得到了高速的發展，而國內的水泥生產企業和水泥產量在這種情況的帶動下也獲得了空前的發展，國內的水泥產量在很長一段時間內都維持在很高的水平且在全球產量中所占比重也很高，按照粉煤灰在水泥混合料中的參合比例來判斷，其每年的消耗量可以達到數億噸之多。

從粉煤灰的化學構成來看將其與水進行拌和時通常不會產生水泥材料所需的水硬性，但是對某些條件進行改變之后也可以利用火山灰中的氧化物來形成具有凝膠特性的化合物，進而促進水泥凝固后的硬度。因而在制造水泥的過程中粉末，可以大量利用粉煤灰來提高其凝固后的強度效果。在制造粉煤灰水泥時需要將其中的粉煤灰用量控制在混合材料總量的20%到40%之間，而這一數值在復合硅酸鹽水泥中可以占到20%到50%之間，因而將以上兩種水泥材料的制備情況綜合在一起后可知其混合料中粉煤灰含量的上限是50%。然而在實踐過程中常常因為生產工藝方面的因素將其實際的摻合量控制在不超過25%。

通過專門的研磨設備將粉煤灰破碎成更加細小的顆粒物可以有效地提高其反應活性，因而選用粉煤灰作為水泥混合料時一般需要對其進行研磨操作。因而不少企業長期致力于研發對粉煤灰進行超細研磨的機械設備和工藝技術?，F階段國內的超細粉煤灰可以將比表面積控制在每千克700到1000平方米的水平，進而大幅度提高其在水泥混合料中的摻和比例。

工程技術人員發現在粉煤灰中加入礦物激發劑之后可以提高其活性并通過配合使用石膏來增加水泥的強度。其方案是將礦物激發劑和粉煤灰混合在一起并制作成兩種重量和制造方法完全一致的對照組，第一組的測試方法是將混合成球狀并經過烘干的混合料研磨成一定粒度的粉末，第二組的測試方法是將相同狀態的混合料進行一定時長的高溫煅燒，然后對比這兩組混合料配置成的水泥強度后發現前者的比后者效果更好。

將粉煤灰磨成細小的顆粒物并將石灰作為激發劑來對其進行水化激發，經過這種處理的粉煤灰水泥材料在后期凝固的過程中可以表現出更好的活性，不同等級的粉煤灰水泥中需要添加不同比例的粉煤灰材料，例如，制造32.5級粉煤灰水泥時其混合料中的粉煤灰含量需要達到60%左右且采用石灰作為激發劑。

水泥材料的抗凍性能對極寒條件下的施工和建成后的運行都具有非常深遠的意義，研究人員經過分析后認為水泥材料的抗凍性能在添加粉煤灰之后會得到一定程度的提升，而且通過這種措施還可以降低工程難度、降低混凝土保溫的要求以及提升工程效益等。

3 粉煤灰水泥的特點

從粉煤灰的化學組成物可以判斷出其中的三氧化二鋁和二氧化硅在水化作用之下可以產生一定程度的凝膠效應，而其他構成成分幾乎不具備類似的性能。細磨粉煤灰、堿性氫氧化物或者Ca（OH）2在水的作用下可以發生化學反應并形成具有凝膠特性的化合物，而加入了粉煤灰的水泥材料在凝固之后可以表現出更好的耐久性以及更好的強度。

大體積混凝土結構的澆筑作業會因為水泥的水化生熱而產生比較顯著的熱脹冷縮效應，如果不對這一情況進行有效地處理就會導致大體積混凝土結構表面出現或多或少的裂紋。粉煤灰水泥在加水之后會產生更少的熱量，因而這種水泥制成的混凝土結構內部的熱脹冷縮效應更小、表面干縮性更小以及對裂縫的抵抗性也更好?，F代化的房屋建筑結構、港口工程以及工業建筑等都可以利用粉煤灰水泥材料來提升施工質量。

粉煤灰水泥的強度、抗水性、抗彎性能以及凝固時長等性能都與粉煤灰材料的活性具有密切的聯系，顆粒較大的粉煤灰材料在以上各個性能上都表現欠佳，因而現階段大多采用細磨粉煤灰技術對那些較大的粉煤灰顆粒物進行研磨破碎，應該說粉煤灰顆粒物的粒徑范圍越小其活性就越高，但是研磨細度的大幅度升高會導致其技術難度增大、管理成本升高以及生產效率低下。

國內的大學經過科研攻關之后研制出粉煤灰顆粒物的立磨粉磨系統并有效地解決了工程難點，這種超細研磨技術的特點是能源消耗水平低、生產效率高的優勢，因而這種技術已經在獲得了比較廣泛的應用。因而在未來的技術發展中需要不斷降低粉煤灰顆粒物的細度、提升工藝過程的研磨效率以及降低處理成本等。

4 結語

煤炭燃燒之后的粉煤灰可以在水泥生產工業中發揮出很大的作用。通常情況下在制造水泥熟料的過程中可以將原本的黏土材料替換為粒度比較小的粉煤灰顆粒，或者在水泥的混合料中添加一定比例的粉煤灰。粉煤灰的加入可以提升水泥的強度、抗彎性能、抗裂性能以及降低生產成本。