（道路与铁道工程专业论文）工业废渣制备复合型混凝土掺合料的试验研究.pdf

中文摘要 摘要 随着建筑行业的飞速发展，高性能混凝土逐渐出现在人们的视野中，近几年 它也在我国有了较快的发展。高性能混凝土最显著的特征就是其耐久性是普通混 凝土的2 至1 0 倍。而混凝土达到高性能的最主要原因是因为在传统混凝土中使用 了掺和料来代替部分水泥，使混凝土在满足强度的条件下，同时提高了耐久性， 并降低了成本，其中粉煤灰、矿渣粉和灰渣是最常用、最经济的复合型掺和料。 粉煤灰能够提高混凝土的后期强度，但早期强度较低，而添加矿渣粉和灰渣就弥 补了粉煤灰这个缺陷。另外，粉煤灰、矿渣粉和灰渣的成本较水泥要低的多。本 课题研究的主要内容是通过实验研究掌握大连市几家电厂排放的粉煤灰以及矿渣 的特性，探讨利用粉煤灰、矿渣微粉和灰渣生产复合型混凝土掺和料的最佳配合 比，即复合型掺和料在混凝土中的应用对混凝土性能的影响和不同强度等级混凝 土可掺加的合适掺量，以有效地指导掺和料在混凝土搅拌站在实际中的应用。以 便使复合型掺和料在建筑工程中得到充分利用。 关键词：灰渣；粉煤灰；矿渣粉；复合型掺合料；碳化 英文摘要 a b s t r a c t a l o n g 诵mt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r y ，h p ci sa p p e a r i n gi nt h e p u b l i ce y e s i nr e c e n ty e a r s ，i th a sr a p i dd e v e l o p m e n ti nc h i n a h p cm o s tn o t a b l e f e a t u r ei si t sd u r a b i l i t yo r d i n a r yc o n c r e t e2 10t i m e s t h em a i nr e a s o nf o r t h ec o n c r e t e o fa c h i e v i n gh i g hp e r f o r m a n c ei sc o n c r e t ea d m i x t u r er e p l a c ep a r to fc e m e n ti n t r a d i t i o n a lc o n c r e t e t h ec o n c r e t es t r e n g t hi nm e e t i n gt h ec o n d i t i o n s ，w h i l ei m p r o v i n g t h ed u r a b i l i t y ，a n dl o w e rc o s t s ，w i t hf l ya s ha n ds l a gp o w d e ro ra s hi st h em o s t c o m m o n l yu s e d ，m o s te c o n o m i cc o m p o u n da d m i x t u r e f l ya s hc o n c r e t et oi m p r o v el a t e i nt h es t r e n g t h ，b u tl o w e ri n t e n s i t ye a r l y ，a n dt h ea d d i t i o no fs l a gp o w d e ro ra s ho nt h e f l ya s ht om a k eu pf o rt h i sd r a w b a c k i na d d i t i o n ，t h ec o s to ff l ya s ha n ds l a gc e m e n to r a s hi sm u c hl o w e rt h a nc e m e m t h em a i nc o n t e n to ft h es u b j e c ti sm a s t e r i n gs e v e r a l d a l i a np l a n te m i s s i o n so ff l ya s ha n ds l a gc h a r a c t e r i s t i c sa c c o r d i n go fe x p e r i m e n t a l s t u d y ，d i s c u s s i o no nt h eu s eo ff l ya s ha n ds l a gp o w d e ro ra s hp r o d u c t i o no fc o m p o s i t e c o n c r e t ea d m i x t u r ew i t ht h eb e s tr a t i o ，t h a tt h ec o m p o u n di nt h ec o n c r e t ea d m i x t u r eo f t h ep r o p e r t i e so fc o n c r e t ea n dc o n c r e t ew i t hd i f f e r e n ts t r e n g t hl e v e l sc a nb ea d d i n gt h e a p p r o p r i a t ea d d i t i o n t o e f f e c t i v e l yg u i d e a d m i x t u r e si nc o n c r e t em i x i n gp l a n t a p p l i c a t i o n s s ot h a tt h ec o m p l e xa d m i x t u r eo fc o n c r e t ei nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ef u l l u s eo f k e yw o r d s ：a s h ；f l ya s h ；s l a gp o w d e r ；c o m p o s i t ea d m i x t u r e ；c a r b o n a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 王些廛渣剑备复金型遏缝蒸金抖的达验硒塞= = 。除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意学校有权将本学位论文加入全国优秀 博硕士学位论文共建单位数据库。保密的论文在解密后遵守此规定。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密日( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：聊蟛 导师签名：趣铱季 日期： 厶 年7 月t 日 工业废渣制备复合型混凝土掺合料的试验研究 第1 章前言 1 1 粉煤灰综合利用的重要意义 电力工业是国民经济的基础产业，发展电力工业，保障能源供给，在经济建 设中具有十分重要的地位和作用。 我国有丰富的煤炭资源，近期电力工业的发展，仍然是以燃煤的火力发电为 主。由于燃煤机组的不断增加，电厂规模的不断扩大，导致了粉煤灰排放量的急 剧增长。1 9 8 5 年火电厂排灰渣总量为3 7 6 8 万t ，到1 9 9 5 年增加到9 9 3 6 万t ，平均 每年增加5 6 0 万t 。按目前的煤种，以全国平均计，每增加1 0 m w 装机容量每年约 增加近万吨粉煤灰的排放量。到2 0 0 0 年粉煤灰排放量已达到1 2 亿t 。按目前的排 灰状况和利用水平，冲灰用水量和贮灰场占地将要增加1 倍，分别达到1 0 多亿吨 和4 0 多万亩。对我们这个水资源缺乏，可耕地人均占有率很低的国家来说，如何 做好粉煤灰的利用和处置确实是一个十分重要的问题1 6 1 。 诚然，全部利用这样大量的粉煤灰目前还有困难，因此合理地进行贮灰场的 建设仍是必要的。但贮灰场的建设，在一定程度上己成为制约我国电力工业发展 的一个重要问题。因为在火电厂的建设中，特别是靠近大城市、沿海的地区，人 多耕地少，确实难以找到一个合适的贮灰场地，即使有了地，代价也是很大的。 根据早期的资料，一些电厂的大型灰场建设费用都在1 亿元左右，如陡河电厂、 石景山电厂、谏壁电厂等。事实证明，积极推动粉煤灰的综合利用，可以取得非 常巨大的社会效益和经济效益。 以上海市为例【4 】，按1 9 7 8 , - - - 2 0 0 1 年的统计，全市共排放粉煤灰5 5 1 2 2 万t ， 累计利用量为4 8 2 2 6 万t ，按每处置1 t 灰包括贮灰场基本建设和运行费用1 5 元计， 则为国家共节约资金7 2 3 亿元，而且减少贮灰场占地约l 万亩，其中有的利用途 径还具有明显的经济效益。如在混凝土中掺加磨细的粉煤灰，1 9 9 5 年前上海共利 用约1 2 0 万t 粉煤灰，节约水泥8 0 万t ，为国家创利约9 6 0 0 万元；用粉煤灰制作 水泥混合材共3 2 0 2 万t ，按1 t 粉煤灰替代1 t 矿渣节约9 2 元计，共节约资金2 9 4 5 8 万元。上海曾利用粉煤灰生产粉煤灰密实砌块4 0 0 多万m 3 ，建造多层住宅1 5 0 0 第1 章前言 多万m 2 ，处理粉煤灰等工业废渣5 0 0 多万t ，因少用粘土砖而节约土地3 0 0 0 多亩。 1 9 9 5 年全市在道路建设中共用灰1 7 9 9 万t ，节约土地约1 3 5 0 亩。再以全国粉煤 灰利用工作较先进的江苏省南通市为例，1 9 9 1 1 9 9 5 年共排放粉煤灰2 9 2 万t ，利 用量为3 0 1 万t ，利用率为大于1 0 0 ，取得了十分明显的社会、经济和环境效益： 首先电厂周围的环境得到了改善，原天生港电厂3 0 0 多亩灰场，严重影响附近地 区2 万余居民生活、工作环境，每逢刮风天气，居民衣服不能晒，窗户不能开， 现在环境已彻底改善。其次，节省了土地资源，利用粉煤灰可减少灰场占地1 8 0 0 亩，还替代制砖粘土节省耕地1 5 0 0 亩。再次，电厂降低了成本，延长了灰场储灰 年限，节约了运灰费用。最后，带动了一批建材企业，其中有8 家企业年产粉煤 灰长江淤泥烧结砖1 2 5 亿块，有2 家企业年产粉煤灰加气块1 9 万m 3 。又如全国 资源综合利用先进单位望亭电厂，按1 9 8 8 年统计，利用粉煤灰3 0 万t ，其中生产 粉煤灰密实砌块9 万m 3 ，产值3 4 4 万元，利润1 0 0 万元，每年相当于节约农田2 0 亩，粉煤灰利用后，贮灰场的大部分改为渔场，年成鱼1 0 万k g 多。利用粉煤灰 进行产品运输、装卸工作，每年为附近农村相应增加收入约5 0 万元。几年来还为 农村9 0 0 多人提供了就业机会。 粉煤灰在高速公路中应用，其社会效益、环境效益、经济效益更为可观。如 1 9 9 0 年浙江杭州钱江二桥北岸公路接线工程用粉煤灰填筑路堤1 7 k m ，路堤平均 高度4 2 m ，路面四车道宽2 6 m ，共计用灰2 l 万t ，节约建灰场用土地1 6 0 亩，节 约征地费3 0 0 万元。1 9 9 2 年完成的山东济南一青岛高速公路粉煤灰路堤试点工程， 采用纯粉煤灰筑路堤近4 k m ，填方平均高度2 7 m ，利用粉煤灰4 0 万t ，节省电厂 排污费3 2 5 万元，节省灰场和原筑路取土场面积3 3 8 亩。前几年组织施工的京深 高速公路石家庄到安阳段及石太高速公路石家庄到申后段。经河北省经贸委牵头 协调，在国家经贸委、电力工业部、交通部支持下，两条高速公路到1 9 9 6 年年底 用灰己达1 0 0 0 万t 。这两条高速公路利用粉煤灰做路堤，可用掉石家庄、邯郸等 地四个电厂1 0 0 0 万t 灰，其中两个电厂的四个灰场全部腾空，节省再建灰场投资 和筑路取土费用近1 0 亿元。 工业废渣制备复合型混凝土掺合料的试验研究 粉煤灰综合利用使许多老电厂摆脱了生产困境。武汉青山热电厂装机容量 6 7 4 m w ，在2 0 世纪8 0 年代末期是湖北电网的主力电厂，灰场地处市区且已贮满， 灰坝多次加高，已成空中灰场，虽几经加固，但灰堤倒塌和堤坝渗水等事故隐患 严重威胁着电厂和武钢的安全。电厂周围选址建设新灰场困难很多，甚至根本没 有条件。老灰场必须发挥作用，出路只有搞综合利用，挖灰外运、腾出库容、继 续贮灰。他们在当地政府的协调下，在环保、市政、交通、环卫等部门的大力支 持下，开拓了用灰渠道。几年来，不仅吃掉当年全部出灰，还利用以往存灰几十 万吨，使灰场平均高度下降了2 m 。洛阳热电厂是已运行了3 5 年的老厂，灰场已 贮灰5 2 0 万t ，有的地方已成为“灰山 。电厂从1 9 9 0 年开展综合利用以来，已 利用粉煤灰1 7 3 万t ，其中挖掉“灰山1 2 8 万t 。开封电厂年排灰近4 0 万t ，至 1 9 9 0 年，运行的两个灰场均已贮满。由于积极开展综合利用，灰场使用寿命延长 了两年。至今，修路已用灰近5 0 万t ；利用粉煤灰充填附近坑塘，造田8 0 多亩， 在新造地上盖起了小学，并开辟了住宅基地，翻修了附近农村的土路，为当地农 民行路提供了方便。 所以，在有条件的地方，千方百计抓好粉煤灰综合利用，可以充分利用资源， 减少贮灰场的建设或延长其使用年限，节约宝贵的土地资源和建设资金，大大减 少对环境的污染，这对电厂、对社会都具有十分重要的意义。 1 1 1 我国粉煤灰综合利用概况 我国粉煤灰的综合利用工作，长期以来一直受到国家的高度重视。早在2 0 世 纪5 0 年代已开始在建筑工程中用作混凝土、砂浆的掺合料，在建材工业中用来生 产砖，在道路工程中作路面基层材料等，尤其在水电建设大坝工程中使用最多； 但总的利用量较少。2 0 世纪6 0 年代开始粉煤狄利用重点转向墙体材料，研制生产 粉煤灰密实砌块、墙板、粉煤灰烧结陶粒和粉煤灰粘土烧结砖等，先后在上海、 北京、天津、吉林建成示范性工厂，同时引进前苏联、东欧国家利用粉煤灰生产 蒸养( 压) 建筑材料技术( 包括砖、砌块、墙板和加气混凝土) 。一直到2 0 世纪 7 0 年代，国家为建材工业中利用粉煤灰投资5 7 亿元，总设计用灰量为1 0 6 4 8 9 万 t ，设计生产线2 6 1 条。但由于种种原因，到1 9 8 2 年统计，投入正常生产的只有 第1 章前言 1 7 6 条，在建的还有2 l 条，已经关、停、并、转的6 4 条。而正在生产的1 7 6 条生 产线仅利用粉煤灰4 4 5 6 万t 。1 9 8 0 年粉煤灰利用率仅1 4 。投资不少，而灰的利 用问题没有解决好。针对这些问题，国家主管部门经研究后指出：电厂灰渣综合 利用，应当积极提倡，要因地制宜，广开门路，采用多种途径，讲究经济实效。 到2 0 世纪8 0 年代，随着我国改革开放政策的深入发展，国家把资源综合利 用作为经济建设中的一项重大经济技术政策。1 9 8 5 年9 月，国务院批转的原国家 经委关于开展资源综合利用若干问题的暂行规定中，对资源综合利用( 包括 粉煤灰在内) 提出了一系列鼓励措施和优惠政策。1 9 8 7 年9 月在芜湖召开的第二 次全国资源综合利用工作会议上，确定把粉煤灰作为全国资源综合利用突破口。 1 9 8 7 年1 1 月原水利电力部在江苏连云港市召开全国粉煤灰综合利用工作会议，在 电力系统动员各方面力量，总结经验，制定管理办法，积极推动粉煤灰综合利用。 粉煤灰的处置和利用在指导思想上不断发展深化，从“以储为主 改为“储用结 合，积极利用 ，再进一步明确为“以用为主”，使粉煤灰综合利用得到蓬勃的 发展。在利用途径上除继续在建材墙体和水泥、混凝土方面外，还积极开拓了多 种大用量的利用途径，如在道路工程中作基层材料和填筑路堤的利用、在工程回 填中的利用、在农业中的利用等等。同时也逐渐注意了粉煤灰利用向深度发展， 力求高附加值的技术开发，使粉煤灰综合利用进入一个新阶段。特别到“八五 期间，全国粉煤灰利用量每年以近4 0 0 万t 的速度增加，综合利用率己摆脱多年徘 徊在2 0 的局面，1 9 9 5 年已经达到4 1 7 ，2 0 0 0 年已达到5 8 。 1 1 2 世界各国粉煤灰综合利用动态 早在1 9 1 4 年，美国a n o n 发表粉煤灰火山灰特性的研究，他首先发现粉 煤灰中的氧化物具有火山灰的特性。而粉煤灰在混凝土中的应用比较系统的研究 工作是由美国伯克利加州理工学院的r e 戴维斯( d a v i s ) 在1 9 3 3 年后进行的。 从发现火山灰特性，到进行粉煤灰混凝土的应用研究，至今已经过半个多世纪的 科学研究和技术开发。后来不断扩展到各个利用领域，经历了一个相当漫长的发 展过程。但在2 0 世纪7 0 年代世界石油危机之后，粉煤灰的综合利用进一步引起 了更多人的重视和关注。当今在世界范围内，把粉煤灰看做是一种重要资源的认 工业废渣制备复合型混凝土掺合料的试验研究 识，越来越深化，也被更多人接受。而且粉煤灰已在土木工程建设和建材等工业 产品中比较广泛地得到了工业规模应用，在某些方面已不再是简单作为一种代用 材料而被应用。锅炉燃烧技术的进步和环境保护的严格要求，促进了收尘设备的 发展，使收集到的粉煤灰的利用质量得到了提高，甚至还使其具有一些特异的性 能，例如在混凝土中应用，可提高可泵性。粉煤灰利用技术得到了很快的发展， 粉煤灰利用数量有了一定的增长。当然各个国家利用量和利用率的发展水平是很 不平衡的。 ( 1 ) 几个排灰大国的利用情况 根据目前掌握的信息，年排灰量在5 0 0 0 万t 以上的大国，有前苏联、中国和 美国，分别是1 2 亿t 、1 2 亿t 和7 3 4 4 万t 。从总体看，在排放量较大的国家中我 国的利用量和利用率是最高的。 前苏联以湿排粉煤灰为主，最近期间才开始增加干排灰的设施，现每年干排 灰为1 0 0 0 万t ，约占1 0 ，年利用量为1 5 0 0 万t ，利用率为1 3 0 。主要用来制 作水泥、墙体制品( 如墙板、砌块等) 、混凝土、砂浆掺合料和道路填方材料。 如莫斯科市的2 2 # 电厂，是全市最大的中心热电厂，装机容量1 2 5 0 m w ，6 0 燃用 天然气，4 0 燃用石煤，年排灰量3 0 - 3 5 万t ，用三级静电除尘器，灰渣混排，泵 送至1 5 k m 处的储灰场，粉煤灰待风干至含水率小于4 0 时由卡车运出供用户使 用。湿灰掺加在无筋的低标号混凝土制品中应用，该制品广泛应用于各类建筑和 道路建设中，作基础砌块、空心砌块、隔墙、路边石、铺路材料及加固河岸的护 岸板等，都有较好的技术经济效果。在2 0 0 号 - - 3 0 0 号配筋混凝土中研究取得可喜 进展，并获得应用，可用于制造道路板、建筑内墙板、楼梯平台等。对湿灰用于 砂浆及混凝土中已制定技术规程，并将列入标准文件。前苏联在烧胀型粉煤灰陶 粒方面有较好的经验，采用回转窑在1 2 5 0 。c 温度下烧制膨胀的表观密度为3 2 0 - - 一 5 0 0 k g m 3 、筒压强度为1 2 1 3 m p a 的粉煤灰陶粒。最近还开发粉煤灰微珠的应用 项目。 美国是粉煤灰资源开发和综合利用比较先进的国家，他们重视国家立法的作 用。1 9 7 6 年国会立法资源保护和再利用法( r c r a ) ，1 9 7 9 年国家环保局( e p a ) 第1 章前言 组织起草了对于水泥和混凝土中掺有粉煤灰的联邦政府的指导原则，1 9 8 3 年 颁布执行，对粉煤灰利用是个推动。1 9 9 4 年排放灰渣7 3 4 4 万t ，其中1 4 已被利 用。在各种利用途径中，用在水泥、混凝土中是一个十分重要的方面，当年用量 为8 2 3 万t ，约占总利用量的3 9 o 。有关资料表明，优质粉煤灰的销售是近1 0 年美国粉煤灰销售中增长最快的部分。特别是预拌混凝土工业对粉煤灰的认可， 同时由于预拌混凝土工业的迅速发展，粉煤灰的销售量也随之不断增长。美国粉 煤灰质量标准中除f 级灰外尚包括c 级灰，在我国习惯称作高钙粉煤灰。由于c 级灰有白硬性，强度贡献大，因此，它的开发应用价值很高。自1 9 6 0 年利用褐煤 发电以来，1 9 7 5 年开始在西部、中北部各州大量推广应用。1 9 7 7 年c 级灰便被编 进该国国家材料试验标准a s t mc6 1 8 ，作为一种利用价值较高的粉煤灰资源。另 外，值得注意的方面，就是美国道路和工程填筑中的大用量利用，虽比英国、法 国起步较晚，但在近一二十年来也有了非常大的发展。美国电力研究院( e p r i ) 为此 做了大量工作，包括对典型示范工程的调查，组织编写粉煤灰结构填筑手册， 使粉煤灰在工程回填、筑路、灌浆、矿井回填和废料稳定等方面的利用于1 9 9 4 年 高达4 4 9 4 万t ，占总利用量的2 1 2 。 ( 2 ) 比较重视固体工业废渣利用的一些国家 这一类国家的灰渣排放量比上面所述国家少，但他们非常积极地致力于灰渣 利用事业的发展。因此，他们的利用率和利用技术水平较高，技术进步较快，在 经营管理方面都各具特色，因此使狄渣利用的直接经济效益十分明显。 英国 按1 9 8 9 年的统计，粉煤灰渣的排放量为1 2 5 4 0 万t ，利用量是6 1 2 0 万t ，利 用率为4 9 o ，是利用率比较高的国家。在优质粉煤灰用于混凝土、中央发电局的 灰渣销售经营和灰渣利用的经济效益等诸方面，不论在欧州共同体范围内，还是 就全世界而言，都是比较突出的。 2 0 世纪7 0 年代以来，英国积极发展了适用于钢筋混凝土的优质商品粉煤灾普 浊兰”，为保证粉煤灰混凝土的质量( 包括耐久性) ，专门修订和颁布了规定粉煤灰 品质要求的国家标准，即用于结构钢筋混凝土的规定b s 3 8 9 2 p a r t l ( 1 9 8 2 年) ，且系 工业废渣制备复合型混凝士掺合料的试验研究 统地研究和发展了粉煤灰混凝土的应用新技术，现年利用量达6 0 万t ，至今已浇 筑了粉煤灰混凝土1 亿多m 3 。其中包括著名的黑山核电站、泰晤士河拦河坝、北 海油田钻井台等。 中央发电局专门设有粉煤灰销售部，统管所属电厂的粉煤灰排放、储存和销 售，形成一个完整的销售管理网络。他们既负责监督电厂排灰、储存设施的建设、 维护保养和修理，又开展广告、咨询和销售服务，积极推销粉煤灰。在销售服务 中做到认真、热情、周到；负责检测粉煤灰的质量；并且为不断开拓粉煤灰利用 新途径，制定科研规划，确定研究课题，从粉煤灰销售收入中提供科研经费。 波兰 煤炭资源丰富，在欧州仅次于前苏联。1 9 8 9 年粉煤灰渣排放量达2 9 5 0 0 万t ， 利用率为1 5 。在粉煤灰利用中，研究开发的重点侧重于建材产品，如多年来投 入相当多的力量，致力于研究开发的粉煤灰加气混凝土，在材性、工艺和机械设 备工作配套方面都有较高的水平，每年利用灰约1 0 0 万t 。在烧胀型粉煤灰陶粒方 面的研究也很有特色和深度。经工业性试点生产得到的陶粒，筒压强度为1 5 2 0 m p a ，吸水率为7 1 0 。由于波兰缺少铝钒土矿，所以对从粉煤灰中提取氧 化铝非常重视，克拉科夫矿冶学院格拉兹索夫教授研究的烧结分解法已申请专利， 在1 9 6 6 年就建成年产氧化铝5 0 0 0 t 的实验工厂，同时还可生产6 万t 水泥。对于 粉煤灰和建筑材料中自然放射性元素问题的研究，像欧州的原联邦德国、挪威、 瑞典那样，在2 0 世纪7 0 年代都有了明确的结论，都规定了放射性元素含量的限 值，而且除某些磷石膏外，一般的粉煤灰和其他建筑材料都能符合要求。对灰渣 的管理、销售，在卡托维茨还由专门而统一的电厂废料利用经营公司负责。 法国 粉煤灰渣的排放量，从2 0 世纪5 0 年代算起，随着电力工业的发展是逐步上 升的，1 9 5 5 年为2 6 0 万t ，5 0 年代末为3 4 0 万t ，6 0 年代末为4 6 0 万t ，7 0 年代末 为5 2 0 万t 。但到了8 0 年代，由于核电的发展，粉煤灰排放量开始呈下降趋势。 1 9 8 9 年粉煤灰排放量为2 7 1 万t ，利用率达5 7 。法国在粉煤灰利用方面起步较早， 特别在水泥、混凝土方面的应用技术研究有较深的基础。他们至今生产的掺粉煤 第1 章前言 灰的水泥以及同时掺矿渣、粉煤灰的混合水泥比例很高，每年产量达9 0 0 万t ，约 占全国水泥总产量的1 3 。法国国有电力公司( e d f ) 矛i 煤炭公司( c d f ) 两个部门专门 经营粉煤灰的销售。 ( 3 ) 其他一些国家 这些国家的粉煤灰排放量更小，在利用率上也并不高，但在综合利用方面都 有各自的特色。 澳大利亚 据1 9 8 9 年的统计，年排粉煤灰7 9 0 万t ，利用率为1 0 。对粉煤灰混凝土的 研究工作，一直坚持了2 0 多年，在粉煤灰混凝土系统技术开发方面的水平是相当 出色的，应用技术的研究涉及粉煤灰的化学、物理性能，混凝土的配合比设计， 混凝土的强度发展和耐久性。有成效的研究工作，使应用范围继续扩大，特别是 一直被大家关注的长期和耐久性能，有5 年的系统试验资料。他们非常重视粉煤 灰混凝土工业质量控制体系，从制定技术标准和规范，以及对原材料和产品的质 量检测方面加强控制。他们有专门经营优质粉煤灰产品( 商品名“普浊兰”) 的澳大 利亚火山灰工业公司，公司在电厂投资搞干出灰、分选和储运装置，并形成分选、 运输、市场开发三位一体的经济实体。1 9 8 6 年公司在总部所在地昆士兰州销售“普 浊兰”2 5 万t ( 占该州排灰量的1 2 ) ，占全国粉煤灰掺合料总用量的4 5 5 ，昆士 兰州9 0 以上混凝土中掺加“普浊兰 。公司还经营粉煤灰干出灰、分选灰厂、 气力输送和商品混凝土搅拌车、配料站等设备的设计制造。 日本 从2 0 世纪7 0 年代世界石油危机以来，火力发电的比例逐步在增加，1 9 7 8 年 火力发电占发电量的3 7 ，1 9 8 5 年上升为5 6 ，1 9 9 0 年达到1 0 ，1 9 9 5 年达到 1 3 。1 9 8 7 年日本发电装机容量为1 8 亿k w ，其中以石油为主的占3 6 ，其次是 水力发电，占2 0 ，原子能发电占2 0 ，火力发电占9 。1 9 9 1 年粉煤灰年排放 量为4 5 0 万t ，其中有效利用的占3 0 ，其余7 0 作填海和回填处理。在有效利用 中常用作水泥原料和混合材料、混凝土掺合料、灌浆材料、人工轻骨料、烧土制 工业废渣制备复合型混凝土掺合料的试验研究 品的掺合料、加气混凝土制品、道路基层和人工渔礁等，还用漂珠作耐火保温材 料等。 1 2 工业废渣在混凝土中的应用 随着社会生产力和经济高速的发展，材料生产和使用过程中资源过度开发和 废弃及其造成的环境污染和生态破坏，对社会经济的可持续发展和人类自身的生 存构成严重的障碍和威胁。坚持可持续发展，混凝土能否长期作为最主要的建筑 结构材料，其关键在于能否成为绿色材料，绿色建材成为土木工程建设材料发展 的方向。因此绿色高性能混凝土( g h p c ) 也将成为今后的发展方向。绿色混凝土， 指既能减少对地球环境的负荷，又能与自然生态系统协调共生，为人类构造舒适 环境的混凝土材料，即可理解为：节约资源、能源，不破坏环境，更有利于环境。 一般说来，绿色混凝土应具有比传统混凝土更高的强度和耐久性，可以实现非再 生性资源的可循环使用和有害物质的最低排放，既能减少环境污染，又能与自然 生态系统协调共生。如利用天然轻骨料( 如浮石、凝灰岩等) 、工业废料轻骨料 ( 如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等) 、人造轻骨料( 页岩陶粒、粘土陶粒、 膨胀珍珠岩等) 制成的轻质混凝土具有密度较小、相对强度高以及保温、抗冻性 能好等优点利用工业废渣如废弃锅炉煤渣、煤矿的煤矸石、火力发电站的粉煤灰 等制备轻质混凝土，可降低混凝土的生产成本，并变废为用，减少城市或厂区的 污染，减少堆积废料占用的土地，对环境保护也是有利的【7 。 用于混凝土中的掺合料可分为活性矿物掺合料和非活性矿物掺合料两大类。 非活性矿物掺合料一般与水泥组分不起化学作用，或化学作用很小，如磨细石英 砂、石灰石、硬矿渣之类材料。活性矿物掺合料虽然本身不水化或水化速度很慢， 但能与水泥水化生成的c a ( o h ) ：反应，生成具有水硬性的胶凝材料。如粒化高炉 矿渣，火山灰质材料、粉煤灰、硅灰等【i 引。 活性矿物掺合料依其来源可分为天然类、人工类和工业废料类( 表1 1 ) 。 第1 章前言 表1 1 活性矿物掺合料的分类 t a b 1 1a c t i v em i n e r a la d m i x t u r e sc l a s s i f i c a t i o n 类别主要品种 天然类火山灰、凝灰岩、硅藻土、蛋白石质粘土、钙性粘土、粘土页岩 人工类煅烧页岩或粘土 工业废料粉煤灰、硅灰、沸石粉、水淬高炉矿渣粉、煅烧煤矸石 掺合料用于混凝土中不仅可以取代水泥，节约成本，而且可以改善混凝土拌 和物和硬化混凝土的各项性能。目前，在调配混凝土性能，制配大体积混凝土， 高强混凝土和高性能混凝土等方面，掺合料已成为不可缺少的组成材料。另外， 掺合料的应用，对改善环境，减少二次污染，推动可持续发展的绿色混凝土，具 有很重要的意义。 1 2 1 粉煤灰作为混凝土掺合料 粉煤灰是当前国内外用量最大、使用范围最广的混凝土掺合料。用其做掺合 料有两方面的效果。 ( 1 ) 节约水泥。一般可节约水泥1 0 1 5 ，有显著的经济效益。 ( 2 ) 改善和提高混凝土的下述技术性能：改善混凝土拌和物的和易性、可泵 性和抹面性；降低了混凝土水化热，是大体积混凝土的主要掺合料；提高混 凝土抗硫酸及硫酸盐侵蚀的性能；提高混凝土抗渗陛；抑制碱集料反应。 粉煤灰的主要技术指标包括细度、密度、颗粒形貌、需水量比、活性及烧失 县盘每 里哥。 粉煤灰的粒径一般为0 0 0 1 o 0 5 m m 。通常以通过0 0 4 5 m m 的方孔筛筛余量 来评定粉煤灰的细度，有时也用比表面积表示。一般普通粉煤灰的比表面积为 2 0 0 , 、, 3 0 0 m 2 k g ，而磨细后的粉煤灰一般为3 0 0 - 7 0 0m 2 & g 。 国家标准g b l 5 9 6 9 1 用于水泥和混凝土中的煤煤灰将粉煤灰分为三个等级， 各等级细度等指标要求见表1 2 。 工业废渣制备复合型混凝土掺合料的试验研究 表1 2 粉煤灰的技术指标和分级 t a b 1 2t h et e c h n i c a li n d e x e sa n df l ya s h 粉煤灰的细度一般愈小，其活性就愈大，对混凝土的作用效果愈好。 另一种作为掺合料的材料是矿渣微粉，矿渣微粉业是工业废渣，是当今急需 解决的污染问题。矿渣微粉作为混凝土掺合料，不仅能取代水泥，取得好的经济 效益，而且能显著改善和提高混凝土综合性能，如改善和易性，降低水化热，提 高抗腐蚀能力，提高后期强度等。矿渣微粉对混凝土具有良好的技术效果，所有 用于制配高强、高性能混凝土和中强混凝土、大体积混凝土，以及各类地下和水 下混凝土工程。 1 2 2 矿渣微粉作为混凝土掺合料 矿渣微粉作为混凝土掺合料，目前也得到了广泛的运用。矿渣微粉作为掺合 料在混凝土中的应用，起始于2 0 世纪5 0 年代末期，南非的工程技术人员将矿渣 磨细后作为一个组分材料掺入混凝土中，发现其具有良好的技术性能。而后英国、 美国、加拿大、日本和奥地利等国也先后单独用磨细的粒化高炉矿渣微粉取代一 定数量的水泥生产混凝土。进入2 0 世纪6 0 年代，随着预拌混凝土工业的兴起和 发展，矿渣微粉作为混凝土的独立组分得到了广泛的应用。2 0 世纪8 0 年代以来， 英国、美国、法国、加拿大、日本等国相继制定了国家标准，许多国外研究者对 矿渣微粉作为混凝土掺合料进行了研究，发现矿渣微粉具有明显的增强效果，从 而成为研究热点。例如1 9 8 7 年加拿大多伦多市的s c o t i a 广场大厦采用水泥用量为 3 1 5 k g m 3 、矿渣微粉为1 3 7 k g m 3 、硅灰为3 6 k g m 3 、水胶比为o 3 0 的混凝土，混 第l 章前言 凝土的2 d 抗压强度为8 3 m p a ，9 0 d 抗压强度为8 9 3 m p a 。2 0 世纪9 0 年代后，矿渣 微粉混凝土开始在东南亚及我国的台湾和香港地区得到大力推广，自此，高性能 混凝土的研究与应用进入了新的高潮2 0 2 3 1 。 近几年来，我国建筑工程对矿渣微粉的运用在迅速的发展。对混凝土中掺合 料的研究在进一步的加大，对不同掺合料的混凝土性能在研究讨论。复合型掺合 料混凝土的特性和机理和掺合料的最佳配合比还需要进一步的实验研究。因此， 复合型掺合料混凝土的研究还有一个更加广阔的发展。 1 3 本课题研究的内容 目前我国除上海等少数地区粉煤灰利用率较高外，绝大多数地区的粉煤灰利 用率还很低，2 0 0 7 年，大连市各电厂锅炉共排出粉煤灰2 0 0 多万吨，受季节制约， 大连的粉煤灰夏季供不应求、冬季大量积压，部分粉煤灰排海。从发展新材料和 环境保护的角度出发，急需研究开发新的粉煤灰应用领域。为了鼓励粉煤灰的综 合利用，国家出台了一系列优惠政策，鼓励引导支持粉煤灰综合利用的开发研究 和利用，高掺量粉煤灰建筑材料是国家粉煤灰综合利用重点研究课题之一。 为减少环境污染，大连市要求各个电厂进行脱硫处置。大量脱硫副产物脱硫 粉煤灰的处理和利用已经引起业内人士的关注。与普通的粉煤灰相比，脱硫粉煤 灰中含有一定量的硫酸钙( c a s 0 4 ) 和亚硫酸钙( c a s 0 3 ) ，改变了原有粉煤灰的 性质，使脱硫灰的综合利用受到了限制。由于国内脱硫起步较晚，加上对脱硫灰 的研究也投入不够，人们对脱硫灰的组分及理化性能并不十分了解，在脱硫灰综 合利用问题上还存在顾虑。 本课题的主要内容是采集大连几家电厂排放的粉煤灰以及矿渣，分析研究脱 硫粉煤灰的物理、化学、力学特性，讨论利用粉煤灰和矿渣制备复合型混凝土掺 合料的最佳配合比。通过实验得出粉煤灰和矿渣微粉利用到混凝土中的最佳强度 配合比和最佳经济效益比。在实验中得出复合型掺合料在混凝土中应用对混凝土 性能的影响和不同强度等级混凝土可掺加的合适掺量，检测掺加复合型掺和料混 凝土的力学性能的同时，也研究了其抗碳化性能，以有效的指导掺合料在混凝土 搅拌站的应用。 工业废渣制备复合型混凝土掺合料的试验研究 第2 章原材料性能实验 2 1 水泥性能试验 2 1 1 水泥胶砂强度试验 1 ) 试验仪器 行星式搅拌机、振实台、下料漏斗、试模、抗折试验机、抗压试验机及夹具。 2 ) 试验方法( i s 0 法) 本方法为4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 m m 棱柱试件的水泥抗压强度和抗折强度的测定。 试件是由按质量计的l 份水泥( 4 5 0 9 ) 、3 份中国i s o 标准砂( 1 3 5 0 9 ) ，用0 5 的水灰比拌制的一组塑性胶砂制成。中国i s o 标准砂的水泥抗压强度结果必须与 i s o 基准砂的相一致。 砂浆用行星搅拌机搅拌，在振实台上成型。 试件连模一起在湿气中养护2 4 h ，然后脱模在水中养护至强度试验的龄期。 到试验龄期时将试件从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗 压强度试验。 2 1 2 水泥标准稠度用水量试验 1 ) 试验仪器 标准稠度与凝结时间测定仪、净浆搅拌机。 2 ) 试验方法 称5 0 0 9 水泥倒入搅拌机中搅拌。拌和完毕后，立即将净浆一次倒入锥模中， 用小刀插捣后刮去多余净浆，抹平后，迅速放到测定仪试锥下面的固定位置上。 然后让试锥沉入净浆中，到停止下沉时，记录试锥下沉的深度。 用调整水量法测定时，以试锥下沉深度2 8 + 2 m m 时的拌和水量为标准稠度用水 量( p ) ，以水泥质量百分比计。 如超出范围，须另称试样，调整水量，重新试验，直到达n 2 8 士2 m m 时为止。 第2 章原材料性能实验 2 1 3 水泥细度试验 1 ) 试验方法 测定水泥细度的方法包括负压筛法、水筛法和干筛法，在这里使用的是负压 筛法。具体方法是分别称3 2 5 r 和4 2 5 r 的普通硅酸盐水泥各2 5 9 ，将其放在负压筛 析仪上的负压筛中，盖上筛盖，开动筛析仪连续筛析2 m i n ，负压调至4 0 0 0 - 6 0 0 0 p a ， 筛毕，用天平称量筛余物。 2 ) 试验结果 f = r s m 1 0 0 式中f 一水泥试样的筛余百分数 尺卜水泥筛余物的质量 m 一水泥试样的质量 计算精确至o 1 。 2 1 4 水泥安定性试验 1 ) 试验仪器 水泥净浆搅拌机、煮沸箱、雷氏夹、雷氏夹膨胀测量仪。 2 ) 试验方法 本试验是用来检验水泥硬化后体积变化是否均匀，是否因体积变化而引起膨 胀、裂缝或挠曲。检验安定性的方法有试饼法和雷氏夹法。本试验采用前者。从 水泥净浆中取出1 5 0 9 分成两等分，使之成球形，放在涂过油的玻璃板上，做成直 径7 0 8 0 m m 、中心厚约l o m m 、边缘渐薄、表面光滑的试饼。接着将试饼放入湿 气养护箱内，自成型时起，养护2 4 h + 2 h 。 养护2 4 d , 时之后，脱去玻璃板，检查试饼是否完整，在试件无缺陷的情况下 将试饼沸煮箱的水中煮沸3 h - 4 - 5 m i n 。煮沸结束后，放掉箱中热水，待冷却到室温， 取出试件目测，若未发现裂缝，再用直尺检查，也没有弯曲时，为安定性合格， 反之为不合格。 工业废渣制备复合型混凝土掺合料的试验研究 2 1 5 水泥凝结时间试验 1 ) 试验仪器 测定仪：与测定标准稠度用水量时的测定仪相同，只是将试锥换成试针，装 净浆的锥模换成圆模。净浆搅拌机。 2 ) 试验方法 按以上方法制成标准稠度水泥净浆，并将其立即一次装入圆模，振动数次后 刮平，然后放入养护箱内。测定时，将圆模取出放入试针下，将试针自由沉入净 浆，观察指针读数。当临近初凝时，每隔5 m i n ；汲t 定一次，临近终凝时，每隔1 5 分 钟测一次。自加水起，至试针沉入净浆中距底板2 - - 3 m m 时所需时间为初凝时间； 至试针沉入净浆中离净浆表面不超过1 o 5 m m 时，所需时间为终凝时间。 2 1 6 混凝土水泥碳化实验 1 ) 试验仪器 碳化箱：带有密封的密闭容器，容器的容积至少应为预定进行试验的试件体 积的俩倍。 气体分析仪：能分析箱内气体中的二氧化碳浓度，精确到1 。 二氧化碳供气装置：包括气瓶、压力表及流量表。 2 ) 试验方法 1 将经过处理的试件放入碳化箱内的铁架上，各试件的表面之间的间距至少应 不小于5 0 m 。 2 将碳化箱盖密封。 3 每隔一定时间对箱内的二氧化碳的浓度，温度作一次测定。 4 碳化到了3 、7 、1 4 、及2 8 d 时，各取出试件测定其碳化深度。 5 将切除所得的试件部分刮去断面上残余的粉末，随即喷上浓度为1 酚肽酒精 溶液，用钢板尺测量碳化深度。 本实验水泥采用小野田水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，其物理一力学 性能如表2 1 所示。原始数据见附表1 一附表4 。 第2 章原材料性能实验 2 2 掺和料性能试验 2 2 1 粉煤灰原灰性能试验 本试验取了大连四家电厂的粉煤灰作为研究对象。因粉煤灰的物理一力学性 能试验的原理方法及步骤与水泥的相同，故在这里不再详述。以下是粉煤灰的物 理力学性能，如表2 2 所示。原始数据见附表5 和附表6 。 表2 2 粉煤灰的物理力学性能 t a b 2 2t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff l ya s h 2 2 2 磨细粉煤灰性能试验 工业废渣制备复合型混凝士掺合料的试验研究 为了比较粉煤灰细度变化后对其各项物理一力学性能的影响，故用水泥粉磨 机将其中的五种粉煤灰磨细，并测磨细后的粉煤灰的各项物理一力学性能。粉煤 灰的细度如表2 3 所示。原始数据见附表5 和附表6 。 表2 3 磨细粉煤灰的物理一力学性能 t a b 2 3t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f g r i n d i n gf i n ea s h 2 2 3 灰渣性能试验 灰渣的各项物理一力学性能测试的原理、方法及步骤都与以上原材料相同， 故不再详述。以下是各类矿渣的物理一力学性能，如表2 4 所示。原始数据见附表 7 和附表8 。 表2 4 灰渣的技术指标 t a b 2 4t h et e c h n i c a li n d e x a s h 第2 章原材料性能实验 本试验通过对粉煤灰、灰渣的抗折、抗压强度及化学成分做了测定，试验数 据如表2 5 、表2 6 所示。原始数据见附表6 到附表9 。粉煤灰、矿粉的扫描电镜 照片见图2 1 所示。 表2 5 材料的抗折、抗压强度 t a b 2 5 b e n d i n gs t r e n g t h 、c o m p r e s s i v es t r e n g t ho f a d m i x t u r e 抗折强度( m p a )抗压强度( m p a ) 材料 3 d7 d2 8 d3 d 7 d 2 8 d 水泥 9 1