（林业工程专业论文）固化粉煤灰抗压强度试验及固化机理研究.pdf

s o r tn u m b e r ： s e c r e t ： m a s t e rt r e s e a r c ho nc o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s mo ft h e f l ya s hb l e n d e dw i t hs o l i d i f i e da g e n t s p e c i a l i t ys o n ： f o r e s te n g i n e e r i n g r e s e a r c hf i e l d ：h i g h w a ye n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：x i nf e n g - y u s u p e r v i s o r ：p r o f z h e n gj i a n r o n g s u b m i t t e dt i m e ： a p r i l ，2 0 11 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完成的研究成 果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谢的地方外，论 文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献的同志，都在论 文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有 的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 眺姗川6 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有权送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 指导教师亲笔签名 保密，在年后解密可适用本授权书 口 不保密，本论文属于不保密口 日期：驯上i 参日期：细川j ：纱 目 2 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 3 1 1 3 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 3 按排放方式分类 按品质标准分类 按化学成分分类 粉煤灰的基本性质分析 2 3 1 粉煤灰的物理性质 2 3 2 粉煤灰的化学性质 2 3 3 粉煤灰的工程性质 3 粉煤灰的商品化应用现状 3 1 粉煤灰的应用机理 3 2 粉煤灰在工程领域上的应用 3 3 粉煤灰在农业与环保上的应用。 3 4 粉煤灰的再开发应用方式。 4 固化粉煤灰的试验研究 试验目的 4 2 试验材料2 7 4 3 试验方案与试件制作2 8 4 4 试验结果分析2 8 4 4 1 抗压强度与固化剂掺入比的关系2 8 4 4 2 龄期对无侧限抗压强度的影响3 0 5 固化粉煤灰强度机理分析3 2 5 1 固化粉煤灰x r d 分析3 2 5 2 固化粉煤灰扫描电镜( s e m ) 分析3 4 5 3 固化粉煤灰固化机理分析。3 7 6 结论与展望3 9 6 1主要结论3 9 6 2 展望与探讨3 9 参考文献41 致诩 4 4 摘要 随着经济全球化的快速发展，各国不同程度地出现了资源短缺、环境污染日益严重 的问题，如何将资源合理地重复利用成为了人类需要共同面对的难题之一。而中国作为 一个发展中国家，作为一个能源消耗的大国，就更加有必要对资源再利用进行深入地研 究和探讨，坚持走可持续发展之路。进入2 l 世纪以来，随着社会经济的不断发展，对电 力的需求不断增加，燃烧煤炭量不断增加，从而导致了粉煤灰这种资源的快速增长。然 而，当前粉煤灰的利用和处理还存在着许多问题，例如，湿排粉煤灰的利用、粉煤灰的 露天堆放等等。因此，我们应该如何对粉煤灰资源进行合理地利用，如何研发出高效、 轻质的固化粉煤灰复合材料，使得粉煤灰的回收利用走上合理化、商品化的道路，是当 前我国面临最为紧迫的问题，也是未来粉煤灰的可持续发展方向。 本文将具有优越性能的固化剂作为外掺剂应用于粉煤灰的固化研究之中，采用了理 论分析与试验实测相结合的办法对其进行研究。通过室内无侧限抗压强度试验，探讨了 固化剂掺入比和龄期对固化粉煤灰强度的影响规律；通过固化粉煤灰x 射线衍射( x r d ) 试验，研究了固化粉煤灰各组分在强度形成过程中的变化规律；通过扫描电镜( s e m ) 测试，分析了固化粉煤灰的微结构特点及微结构形成过程：试验结果表明：( 1 ) 固化剂 掺入得越多，固化粉煤灰的抗压强度也相应地增加；( 2 ) 固化粉煤灰的龄期越长，其抗 压强度也越大；( 3 ) 固化粉煤灰中的固化剂掺量越高，固结材料的水化反应速度越快； ( 4 ) 水化产物的种类与固化剂的掺量关系不大，固化剂的掺量对水化产物的生成量有 影响。 本文将在分析粉煤灰石灰体系反应基本原理的基础上，通过试验研究提出了固化粉 煤灰的固化机理，通过理论分析以及试验研究，我们可以看出这种i n s 固化粉煤灰是一 种经济高效的材料，无论从技术上还是经济上都是可行的，造价低廉、施工适用性较强， 它充分体现了废物治理、资源再利用的社会效益、经济效益和环境效益的统一。该项研 究必将为固化粉煤灰在工程中的进一步应用奠定理论和试验基础，具有重大的社会现实 意义。 关键词：固化剂；粉煤灰；抗压强度；微结构；固化机理 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i cg l o b a l i z a t i o n ，c o u n t r i e sa p p e a r e dt ov a r y i n gd e g r e e s ，l a c ko f r e s o u r c e s ，t h eg r o w i n gp r o b l e mo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，h o wt o r e u s et h er e s o u r c e st ob e c o m ea r a t i o n a lh u m a nb e i n g sn e e dt of a c ead i f f i c u l tp r o b l e m a n dc h i n a 嬲ad e v e l o p i n gc o u n t r y , 雒al a r g e e n e r g yc o n s u m p t i o nc o u n t r y , t h em o r ei ti sn e c e s s a r yt or e u s er e s o u r c e sf o ri n d e p t hs t u d ya n de x p l o r a t i o n ， a n da d h e r et os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i nt h e21s tc e n t u r y , w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fs o c i a l e c o n o m y , i n c r e a s i n gd e m a n df o re l e c t r i c i t y , i n c r e a s i n gt h ea m o u n to fb u r n i n gc o a l ，w h i c hl e dt ot h er a p i d g r o w t ho ff l ya s hs u c hr e s o u r c e s h o w e v e r , t h ec u r r e n tu s ea n dd i s p o s a lo ff l ya s h ，t h e r ew e r es t i l lm a n y p r o b l e m s ，s u c h 笛t h eu s eo fw e tf l ya s ha n df l ya s hi no p e nd u m p sa n ds oo n t h e r e f o r e ，h o wd ow ef l y a s hr a t i o n a lu s eo fr e s o u r c e s ，h o wt od e v e l o pe f f i c i e n t , l i g h t w e i g h tc o m p o s i t em a t e r i a ls o l i d i f i e df l ya s h ， m a k i n gt h er e c y c l i n go ff l ya s ho n t ot h er a t i o n a l i z a t i o n ，c o m m e r c i a l i z a t i o no ft h er o a d ，i sc u r r e n t l yf a c i n g o u rc o u n t r yt h em o s tp r e s s i n gi s s u e ，b u ta l s ot h ef u t u r ed i r e c t i o no ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f f l y a s h t h es o l i d i f i e da g e n to nw i t hp a r t i c u l a rc h a r a c t e r i s t i c sw a su s e da san e wk i n do fa d d i t i v ef o r s o l i d i f y i n gf l ya s h w i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tm e t h o do fc o m b i n i n g s t u d yi t u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n g t ht e s t sw e r ec a r r i e do u tt oa n a l y z et h ee f f e c t so fs o l i d i f i e da g e n t c o n t e n ta n dc u r i n gp e r i o d t h ev a r i a t i o nl a wo ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h es o l i d i f i e df l ya s hd u r i n gt h e f o r m a t i o no fs t r e n g t hw a sd i s c u s s e do nt h eb a s i so fx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) t e s tso fs o l i d i f i e df l ya s h ； s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) w a su s e dt oa n a l y z et h em i c r o s t r u c t u r ef o r m a t i o np r o c e s sa n d m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o l i d i f i e df l ya s h ；t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) c u r i n ga g e n tm i x e d w i t ht h em o r ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs o l i d i f i e df l ya s hi sa l s oac o r r e s p o n d i n gi n c r e a s e ；( 2 ) c u r i n gt h e l o n g e rt h ea g eo ff l ya s h ，t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hg r e a t e r ；( 3 ) s o l i d i f i e df l ya s hc o n t e n ti nt h ec u r i n g a g e n tt h eh i g h e rt h eh y d r a t i o no fc e m e n t a t i o n sm a t e r i a l sf a s t e r ；( 4 ) t h et y p eo fh y d r a t i o np r o d u c t sa n d h a v el i t t l ec o n t e n to fc u r i n ga g e n tc u r i n ga g e n tc o n t e n to nt h ea m o u n to fi n f l u e n c et h ef o r m a t i o no f h y d r a t i o np r o d u c t s i nt h i sp a p e r ，r e s u l t so fa n a l y s i so nt h eb a s i cp r i n c i p l eo f r e a c t i o n sb e t w e e nt h ef l ya s ha n dl i m ew e r e t h eb a s i so ft h ep r o p o s e ds o l i d i f i e df l ya s hr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ，t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，w ec a n s e et h a t i n ss o l i d i f i e df l ya s hi sac o s te f f e c t i v em a t e r i a l ，b o t ha r e t e c h n i c a l l ya n de c o n o m i c a l l yf e a s i b l e ，l o wc o s t , t h ea p p l i c a b i l i t yo fs t r o n gc o n s t r u c t i o n ，w h i c hf u l l y r e f l e c t st h ew a s t em a n a g e m e n t , r e s o u r c er e u s es o c i a l ，e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t so fu n i t y w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o no f s o l i d i f i e df l ya s h k e yw o r d s ：s o l i d i f i e da g e n t ；f l ya s h ；c o m p r e s s i v es t r e n g t h ；m i c r o s t r u c t u r e ；r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ； 2 1 绪论 1 1 研究背景 资源与环境问题是当今人类所面临众多难题中的最大危机之一，例如全球气候变 暖、板块运动带来的地震、海啸，石油、煤炭资源的短缺等等。人类生存的地球环境正 在发生巨大的变化，环境开始恶化，常规能源与资源被消耗殆尽，人类正面临着前所未 有的巨大挑战。中国是一个人口大国，因此同时也是一个资源消耗大国。众所周知，中 国是一个人口过亿的泱泱大国，人口过量必然导致用电量需求很大，根据供求平衡的理 论，产生了对应的能源消耗，这就形成了我国长期以来的能源结构特点。 我国是一个煤炭资源丰富的国家，这就决定了大部分地区是以火力发电为主，这就 需要燃烧大量的煤，而粉煤灰也就是燃烧煤炭所产生的固体废物。大量的粉煤灰怎么处 理? 进行合理地开发和应用，变废为宝就显得特别重要。对粉煤灰如果采用不适当的处 理方式，将对环境以及人类产生极大地损害。例如，从粉煤灰的物理粒子结构来看，它 自身的粒径比较小，因此飘落在空气中时，不容易被发现，对人类的危害也就极大；此 外，如果粉煤灰溶于水后，其有害物质溶于水中，变成液态后更加容易流动，将对土壤 以及地下水资源造成严重的污染，通过污染土壤及地表，从而影响动物的生存和危害植 物的生长【。 在明白了粉煤灰的危害后，我们就更加迫切地发展出一条合理利用粉煤灰的道路。 众所周知，粉煤灰一直以来都被认为是有害元素，但是伴随着科技的进步，科学技术的 不断发展，人们逐渐开始将粉煤灰应用于更多领域。实践证明粉煤灰具有其他材料无法 比拟的优越性，只是没有对其进行合理有效地利用，才造成了环境的污染和破坏。从保 护环境和可持续发展的基本点出发，如何开展对粉煤灰的合理利用和开发，并不断提高 我国处理及其利用粉煤灰的技术水平，从而研发出新的粉煤灰品种，对于当前我国的可 持续发展以及经济建设都具有十分重要的现实意义。 1 2 研究目的和意义 粉煤灰是燃煤火力电厂所排放的一种工业废弃物，其中尤以我国的排放量最多，至 2 0 0 9 年底储存量已经达到了十几亿吨。因此，如何解决好粉煤灰的合理应用问题就显得 尤为重要。粉煤灰的不合理的利用，不仅会对环境造成极大破坏，危害动植物的生长， 还会占用大面积的耕地。粉煤灰如何应用的问题已经迫在眉睫。而要对粉煤灰进行合理 应用前，首先要明白其应用原理，即应用粉煤灰的哪些性质和特性。我们知道粉煤灰是 一种不可多得的资源，具有很高的经济价值。例如，粉煤灰的颗粒均匀细小，化学成分 相对比较稳定，其自身的比表面积大，有一定的活性，相对于水泥、石灰等传统材料其 自重较轻、但其强度并没有降低、压缩性能较好、防渗透性较强及其水稳性较好等优良 特性【5 】。粉煤灰具有许多材料没有的轻质且高强的特点，正符合现代工程结构发展方向， 这也正是其被广泛应用于工程领域的原因。例如，利用其渗透性能较好的优点，将其用 作沟渠衬砌材料，节约了大量的灌溉用水；将粉煤灰掺入混凝土中，制作成高强混凝土 被应用于建筑工程中；此外，以粉煤灰作为轻质材料填筑公路路堤已有了不少的研究成 果和工程实践经验。经过多年的应用实践与创新，学者们发现如果在粉煤灰中添加一定 剂量的固化剂，经充分搅拌并压实后，通过其与粉煤灰之间产生的物理化学作用，使粉 煤灰具有了较高的强度与整体性，稳定性也得以很大程度地提高和增强，这就打破了推 广应用的限制，则可以扩大粉煤灰在路基回填中乃至整个工程领域的推广应用。 但是，粉煤灰用作各种轻质填料和材料时也存在着一些问题：例如，粉煤灰为粉性 材料，渗透性大，即自身颗粒的结构间隙较大，非常容易受到雨水冲淋而导致破坏流失； 其次，当粉煤灰处于干燥状态或环境中时，粉煤灰的自身微粒结构结构容易遭到破坏， 物理以及化学性质处于不稳定状态之中，其自身的整体性能和稳定性都相对较差；再次， 粉煤灰的颗粒较小较细，粘聚力和结合力都较小，在一定程度上也影响了它的强度，从 而造成所填筑路堤、地基等的稳定性和承载能力有所降低，这些缺点使粉煤灰路堤的推 广应用受到了一定制约。事物具有两面性，粉煤灰就像是一把双刃剑，利用得当会产生 极大的社会和经济效益，利用不当将会变成污染环境的祸害。 总的来说，目前国内外对固化粉煤灰的应用研究已经取得了初步的成果，在创新中 取得了进一步地发展【6 12 1 ，然而对于固化粉煤灰的固化作用机理并没有作出进一步地、 深入地分析和研究。也就是对其固化剂与粉煤灰的工作原理，如何反应产生了何种物质 没有进行系统地研究探讨，大多是停留在应用的领域内。可以看出，固化粉煤灰的作用 机理研究不仅对于解释试验结果具有重要的作用，而且对于固化粉煤灰的进一步应用与 开发具有重要的现实意义。为了使固化粉煤灰这种新型的复合材料在我国得到大量的推 广及应用，本文从社会、经济与资源利用的多重角度出发，选取了当前比较常见的火电 厂低钙粉煤灰做为主要原料，并在粉煤灰中掺入了新型的州s 2 型粉煤灰增强固化剂， 通过对固化粉煤灰进行抗压强度试验研究，并结合微观测试，分析了粉煤灰和固化剂之间 。_ - 。_ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 的相互作用，初步探索固化粉煤灰的固化机理。本文的研究结果，将进一步推进固化粉 煤灰的应用，提高粉煤灰的利用率，并为其深入研究奠定坚实的理论基础，具有重要的 经济与社会意义。 1 3 固化粉煤灰的研究应用现状 进入2 l 世纪以来，世界性的能源危机问题已经波及到各个国家，伴随着经济发展带 来的环境受到严重污染、同时一些不可再生如煤炭、石油等原始资源的枯竭殆尽等问题 的突出，在一定程度上强烈地刺激和促进了对粉煤灰利用的研究和开发，世界各国专家 学者已经多次地专门召开有关粉煤灰利用和开发的全球性会议，目前各国的研究工作取 得了一定的进展，尤其是在应用研究方面不断深入，同时取得了长足的进步。粉煤灰越 来越受到人们的关注和青睐，主要是由于粉煤灰的储量丰富、造价低廉、具有一些特有 的优越的工程特性，越来越受到国际市场的关注，主要被用来当作建材材料以及一些化 工工业产品的原料进行使用。目前，国内外对粉煤灰的研究工作大都由理论研究逐渐转 向应用研究，特别是着重开展资源化研究和循环开发利用研究等方面，并取得了一定的 成果。当前世界各国在循环利用粉煤灰生产的产品品种在不断增加，在利用技术水平上 也在不断改进和提高。总的来说，国内外在粉煤灰综合利用方面与过去相比较，发生了 实质上的巨大变化，主要表现为：在粉煤灰治理与处置的指导思想上已从过去的单纯环 境角度转变为经济效益、综合利用、全面处理、资源化利用以及社会效益的多重角度为 出发点；粉煤灰综合利用的范围和涉及的领域逐渐开始延伸和扩大开来，已经从过去的 建筑材料、道路工程的填筑材料、混凝土掺和料、农业上的土壤改良等方面的应用，开 始扩宽到当前的耐高温、隔音以及隔热等高等级材料的制作、从其中提炼矿物成分、冶 金制造、大型水利工程建设、高速公路建设、体积混凝土制品、高级填料等高技术化的 利用方面上。 1 3 1 国外应用研究现状 国外对于粉煤灰的开发应用相对较早，其应用技术比较成熟且积累的经验较多，最 初开始应用是在1 9 世纪3 0 年代左右【1 3 】。但是，应用技术真正开始进入快速发展时期， 主要是在第二次世界大战以后。大量的国家开始发展工业，兴建大量的电厂，造成了粉 煤灰的储量大幅增加。因此，人们开始越来越关注粉煤灰资源如何利用，因为如果利用 或者管理的方法不合理，就会造成对环境极大的破坏和污染。由于各国的经济发展水平 有所不同，这就造成了粉煤灰的技术利用水平有高有低、参差不齐，其中以美国、日本 以及一些欧洲国家在利用技术上比较领先，应用的领域范围也比较广泛。 1 9 4 0 年，美国的学者最早开始对粉煤灰的利用进行了研究，最初是将粉煤灰利用在拌 制水泥以及混凝土的材料中【1 4 】。由于在水泥中加入了大量的粉煤灰，在减轻重量的同 时还大大地降低了工程造价，而且还提高了水泥的性能，具有很好的经济价值。此外， 日本以及一些欧洲国家由于土地利用比较紧张，没有足够的土地储存粉煤灰，因此他们 对粉煤灰的利用显得更为迫切，需要高效地利用。2 0 世纪5 0 年代，日本不仅仅将粉煤 灰当作工程材料来使用，还将其应用到了机械、冶金、高纤维材料等领域，例如，从粉 煤灰中提取一些矿物质，用于制作隔音玻璃以及耐高温材料。随着实际应用水平的不断 提高，研究学者不断深入研究粉煤灰的微粒结构，最终发现粉煤灰其自身的孔隙较多， 且含有二氧化硅、三氧化二铝等物质，故其活性较好，具有很强的吸附能力，可以吸取 杂质、重金属有机物等。因而，美国、加拿大等国还将粉煤灰作为吸附材料，并应用于 一些高新技术领域；还用其制作隔热、橡胶塑料等【1 5 】。 到了2 0 世纪6 0 年代，荷兰的学者通过研究还将其当作可再生资源来进行二次利用 和开发【16 1 。由于其十分良好的防渗透性能，利用其建立堤坝等水利设施项目，替代水 泥等传统材料，不能大大降低了工程成本，在加入其后性能还有所提高，随后不论在房 屋建筑还是道路、桥梁等领域粉煤灰都得到了大量的推广和应用。1 9 7 2 年，英国莱斯 特大学经过研究后还突破性地将粉煤灰应用于一些水中以及水下工程建设中，在提高性 能的同时，得到了良好的经济效益，值得我们思考和借鉴。此外，由于粉煤灰中含有大 量的稀有元素，比如嫁、硅、铝等，法国则利用粉煤灰提炼这些矿物质，用于生产耐高 温，高效隔音、防渗透等材料，取得了良好的效益。还有些西欧国家利用粉煤灰的多孔 间隙和超强的吸附能力，将其作为环保产品，用于吸附有机物杂质、金属离子、废气等 污染物质，具有十分良好的环境效益。 国外对在粉煤灰中添加固化剂的应用研究也开展得比较早，其技术水平也相对较 高。1 9 8 0 年，美国、加拿大的研究学者早期就开始对粉煤灰的物理化学性质进行了大 量的试验研究【l7 1 ，研究结果表明：由于粉煤灰极易溶于水，且其中的二氧化硅、三氧 化二铝与水中的氧化钙会发生反应，产生不溶于水的坚硬物质，这也就是粉煤灰的硬化 过程，也就是为什么时间越长其强度会增强的原因。利用这种特性，常在粉煤灰中加入 一些稳定的固化剂，以加快和增强粉煤灰的固化硬化作用，以达到增强强度的目的。固 化剂的选择十分重要，因为加入不同的固化剂有着不同的作用效果，对其强度也会产生 不同的影响，几 剂等等。近年来 性较强、施工成本较低、简便快捷，因此得到了许多国家的推广和利用【l8 1 。该方法中 搅拌桩按照网格方式布置，其整体加固效果较好。随后许多国家通过理论分析及大量的 工程实践经验，在进行固化粉煤灰回填地基中也采用了这种方法，实践证明其使用效果 比较良好【l 们。这些研究为固化粉煤灰的推广和应用，奠定了坚实的理论和试验基础。 2 0 世纪9 0 年代，德国、丹麦等国家的学者还对固化粉煤灰进行了大量的室内试验测试 分析，通过设置不同参数对其强度进行了影响分析【2 0 1 。室内试验的研究内容主要在于 参数条件，即不同影响因子的改变：比如固化剂的掺入量不同、养护条件环境的变化、 固化粉煤灰的不同参比等，从而研究各项指标对固化粉煤灰抗压强度的影响作用。研究 结果表明，加入固化剂的粉煤灰，其各项力学性能都得到大幅度地提高，特别是在强度 方面，强度随着时间稳定增强，这种固化粉煤灰具有较好的耐久性和稳定性。英国的研 究学者还通过室内的模拟试验，着重研究了潮湿环境下对固化粉煤灰抗压强度的影响芑。 【2 。试验研究结果表明在固化初期会有一定影响，但到后期其强度基本接近普通固化 粉煤灰，没有较大的影响。不同国家对固化粉煤灰进行的大量室内试验研究，采用了不 同的参数和试验条件环境，对固化粉煤灰的力学特性和物理化学性质进行了深入地、系 统地研究，得出了许多宝贵的工程实践经验，奠定了坚实的理论基础，对未来对固化粉 煤灰进行资源化推广应用，具有重大的现实意义。 。 目前，世界上有上百种关于粉煤灰的利用技术，已经涵盖了生产和生活的各个领域， 各国都在大力地发展和利用。总的来说，国外对粉煤灰的回收利用效率相对较高，技术 水平也较高。从粉煤灰的资源利用率来看，美国粉煤灰的排放量为八千万吨，其利用率 大约为7 0 ，其中大部分应用于建筑工程领域；德国、英国等欧洲国家的利用率也都 在5 0 以上，其除了应用于建材材料外，还应用在土壤改良、制作化肥等农业领域。 近年来，美国以及一些欧洲国家对粉煤灰经过不断地研究和试验，在其中加入了一些添 加剂或固化剂，使得改进后的复合材料具有吸附有害气体及离子的作用，这项研究对于 环境保护方面具有创造性和突破性的进展，具有重要的现实意义。 1 3 2 国内应用研究现状 我国是一个资源大国、人口大国，同时也是一个发展中国家，正处在经济快速发展 的阶段，因此对资源的需求和消耗较大。资源的有效利用，资源的回收以及污染的处理 对于我国具有重要的意义。资源的利用是一个不可忽视的问题，把环境问题放在首位， 坚持走可持续发展之路是我国现阶段坚持的基本国策。即使中国地大物博，但是资源是 有限的，有些资源是不可再生的，从代际公平的角度考虑，有效的利用资源是造福子孙 后代的壮举；与此同时，研究粉煤灰的循环利用，使粉煤灰的资源利用向高效化、商品 化发展，对改善我国的能源利用结构和改善三大产业的结构发展，具有促进作用。 我国对于粉煤灰的应用研究相对于欧洲国家起步晚，基础差，应用的范围和领域也 比较窄，大多是将其集中应用于一些建材材料、建筑工程、道路桥梁工程之中。2 0 世 纪5 0 年代，我国才真正开始对粉煤灰的利用，最初主要是作为水泥、混凝土的添加材 料，用于建筑工程建设领域【2 2 1 。例如，东北工业基地的建设、一些城市高层建筑的建 设以及一些水利设施的建设等等。到6 0 年代中期，还开始应用粉煤灰来填筑地基路基、 改良基础等；到了2 0 世纪8 0 年代，随着我国实行改革开放以来，电力行业得到了快速 发展，粉煤灰的排放量也大幅度增长。同时国家开始重视资源的合理有效利用，尤为重 视粉煤灰资源的合理利用问题，优先发展和解决粉煤灰资源的综合利用问题，并设立了 专门部门并做出了一系列政策举措。 2 0 世纪9 0 年代，我国把粉煤灰资源的有效利用作为资源综合利用试点，提出了要 合理、高效利用，逐步扩大利用范围，提高资源回收利用效率等【2 孙。在各级部门的共 同努力和配合下，我国的粉煤灰利用效率有了大幅度的提高，直到2 0 0 8 年统计，我国 的粉煤灰总的回收利用量为9 0 0 0 万吨左右，综合利用率从建国初的3 0 提高到6 0 左 右，虽然与一些发达国家还存在这差距，但是可以看到国家已经越来越重视粉煤灰的利 用。从综合利用的领域上来看也在逐渐扩大，从最初的建筑工程领域开始向农业、交通、 化工以及复合材料合成等多个领域扩展开来。在看到粉煤灰利用发展的同时，也要看到 粉煤灰的利用和处理还存在着的问题没有得到合理利用的粉煤灰，长期堆放，不仅侵占 了大量的耕地，还对环境产生了污染。进一步提高粉煤灰的利用技术水平，把粉煤灰利 用向高技术、高层次领域推广和利用，是我国未来努力的方向和目标。 由于我国长期以来，对粉煤灰资源的综合利用主要集中在工程领域之中，主要是用 在建材制品、建筑及道路工程以及填筑材料方面。粉煤灰用量的绝大部分是被用来掺入 水泥、混凝土中，粉煤灰水泥已经成为主要的水泥品种之一，因此学者们对其的应用研 究也主要集中在这个方面。学者们研究发现由于粉煤灰中含有一些特殊的矿物成分，如 碳、硅、铝等，因此将粉煤灰添加到普通水泥混凝土之中，不但可以大大降低材料成本， 而且还可以极大地提高材料的性能，具有很好的经济效应。由于粉煤灰孔隙较密、比较 透气、且自重较轻，因此近几年来将其应用于空心砌块上，极大地降低了生产成本。1 9 9 8 年，南京工业大学的胡明玉【2 4 j 等人对空心砌块中加入粉煤灰的各项力学性能进行了试 验研究，得出了掺入粉煤灰的砌砖可以满足结构的强度和承载力要求。2 0 0 1 年，昆明 冶金学院的黎诚【2 5 】又对掺入大量粉煤灰情况下砌块能否满足强度要求，进行了更加系 统和深入的研究，试验获得了成功，研究成果得到了很好的推广及应用，获得了良好的 经济效益。2 0 0 2 年，河北工业大学的赵全胜【3 0 】在随后对高掺入量的粉煤灰混凝土路面 进行了更加系统和深入地研究，研究粉煤灰与混凝土之间发生的反应作用，是如何提高 混凝土的稳定性和强度的。2 0 0 4 年，安徽路桥公司的张朝阳等人【2 9 】通过在水泥混凝土 路面中加入粉煤灰，并对其进行了力学试验的性能研究，并结合实际工程进行检验。试 验结果表明：用该种材料形成的水泥混凝土路面在使用初期强度并不是很高，随着时间 的增加，其强度也随之增强，后期甚至超过了普通混凝土的强度，具有良好的社会和经 济效益。2 0 0 8 年，武汉理工大学的余锋等学者【2 6 1 在等级标号较高的混凝土中掺入细小。 的粉煤灰，对其各项力学特性进行了测试，研究结果表明其抗压强度随着时间而加强， 且该种材料的耐久性较好，可以进行大量的推广和使用。李红辉则采用了相同的试验方 法，在粉煤灰的添加量上大幅度地增加，粉煤灰的加入量增加到了5 0 左右，研究结 果表明：在初期该种材料可以满足强度及承载力要求，随着时间的增加其强度将增强， ， 可以提高使用的耐久性，因为粉煤灰具有超强的吸附离子能力，还可以在一定程度上防 止钢筋腐蚀破坏，具有很好的耐磨性。随后，胡明玉等学者1 2 7 】又在以上研究的基础上， 提出了加入添加剂或采用特殊养护的方式，以增强高参比粉煤灰混凝土初期的强度，解 决了早期的强度问题，使高参比粉煤灰混凝土在工程界的广泛应用和推广成为了可能。 粉煤灰另一个应用的大领域是道路桥梁工程领域。在道路桥梁方面主要是将粉煤灰 用来路基路面的填料、堤坝、护坡的填筑以及桥台的回填等等方面。在填筑路基方面， 粉煤灰主要用于路基的底层和基层，由于其具有良好的稳定性和耐久性。近年来，粉煤 灰在交通建设领域的应用范围不断扩展，从最初的低等级公路开始应用到高速公路上， 还开始应用到大跨度桥梁、码头及机场建设等工程建设中【2 引。以上研究表明，利用粉 煤灰代替传统的水泥，不但可以大大降低生产成本，还可以提高强度，同时在保护环境 方面也有有益的作用。因此，粉煤灰可以在工程领域进行大量的推广和应用，具有十分 广阔的市场和应用前景。 1 4 粉煤灰综合利用中存在的问题 近几年以来，随着人们对环境、资源等问题越来越多的关注，国家也越来越重视资 源的循环再利用问题，制定了许多鼓励以及激励措施政策，加大了资源再利用方面资金 的投入力度，在利用效率方面取得了长足的进步。然而，我们并不是一味追求粉煤灰利 用数量上的增加，更要注重粉煤灰利用效率以及质量上的提高，当前，在粉煤灰的综合 利用中还存在着一些问题： ( 1 ) 粉煤灰的综合利用在我国呈现出季节性、阶段性的特征，由于地理位置的差 异各地的储存量也有较大差异，还由于经济发展水平的不同导致技术利用水平参差不 齐，导致在粉煤灰的资源利用效率上存在着地域性的差别，例如北京、上海、南京等大 城市的利用率可以达到8 0 以上，而郑州、太原等内陆城市的利用率仅为5 0 左右【3 卜3 2 1 。 粉煤灰的需求还呈现出明显阶段性特征，在旺季粉煤灰的需求量很大且供不应求；而有 的时候需求量则很少，造成供大于求，这样大量的粉煤灰不得不占用大量的土地堆放， 造成了资源极大的浪费，同时还对环境造成严重的污染。 ( 2 ) 尽管我国粉煤灰的利用率并不是很低，可是同时我国的粉煤灰的储存量是很 大的，即由于排放量这个基数很大，因此利用率乘以这个基数后，那么还未利用的粉煤 灰数量就依然很庞大。还未利用的粉煤灰大多利用土地进行堆放，这将造成土地资源的 大量流失，同时会对土壤造成污染，此外，通过研究测试表明：当风力等级达到五级时， 粉煤灰的表层将发生分离，就会被风吹起飘在空中，使得能见度将大大降低 3 3 1 。因此， 如果对粉煤灰处理不当，将不仅对环境造成严重破坏，造成大量的灰尘，对空气造成污 染，还会危及到人类的健康。 ( 3 ) 我国的大部分地方特别是沿海城市，排放粉煤灰的方式大多采取的是用水进 行排放。粉煤灰是极易溶于水的物质，因而如果处置不当，粉煤灰中的有害物质将溶于 水中且很易侵入地表及地下，进而污染地下的水体资源及地表的土壤，最终造成破坏生 态平衡，也将危害人类的健康。孙明湖等学者1 3 4 】通过对海水湿排的粉煤灰制成的建材 制品进行了试验研究，主要是测定其抗压强度及承载力是否会受到影响。研究表明，海 水并不会对粉煤灰的强度造成影响，其强度基本没有变化。但是，海水粉煤灰在制作成 品的过程中，会对生产制作设备产生较大影响，在一定程度上会对设备造成腐蚀、侵蚀； 另外在制作过程中反应产生的气体中含有一些微量的放射性物质，将在一定程度上危害 人体健康。因此，在利用海水粉煤灰进行制造和生产时，最好是要先除去海水中的盐分， 这样就没有一些后顾之忧。 ( 4 ) 许多沿海城市将大量的未利用的粉煤灰累积放置，放置的地点则在废弃的海 滩上。经过多年的积累堆放，形成了很大面积的粉煤灰地基场。由于粉煤灰的性质接近 于砂土类，因此稳定性相对较差，如果作为建筑工程中的地基使用，其强度和承载力并 不能满足要求，必须采取必要的加固措施，例如添加入一些固化剂使其强度增强。可以 看出，粉煤灰地基也是属于软土地基的【3 5 3 6 1 ，在对软土地基进行加固处理中，采取的对 地基加固的方法方式很多，l l - ! z n 改良地基土质、换填上强度较高的材料、配置钢筋等等。 王启钢等人【3 7 1 最初开始对粉煤灰地基的加固处理方式进行了研究，提出可以采用加入 固化剂再进行搅拌的方法，以达到提高地基承载力、减小地基沉降的目的。目前这种粉 煤灰地基的加固处理大多采用了搅拌法，已逐步应用于房屋建筑、道路、桥梁、码头及 港口建设等各个工程领域f 3 8 】。 总的来说，正是因为当前粉煤灰的利用存在的问题，才需要研究出一种经济、环保 的粉煤灰新型材料，这也是本文研究的主要目的所在。如何合理有效地利用这部分粉煤 灰地基资源，已经成为未来综合合理利用粉煤灰资源的重要发展方向之一。 1 5 本文的主要研究工作 一 本文主要采取了进行室内试验的方法，并从社会、经济、环境以及资源再利用的多 重角度出发，在试验中选取了当前比较常见的火电厂低钙粉煤灰做为主要原料，并在粉 煤灰中掺入了新型的j n s 2 型粉煤灰作为其增强固化剂，通过对固化粉煤灰进行抗压 强度试验研究，对其力学性能进行初探，并在分析粉煤灰与石灰体系反应基本原理的基 础上结合了微观测试试验，认识和了解了粉煤灰和固化剂之间的相互作用原理，并且通过 x 射线衍射( x r d ) 试验以及扫描电镜( s e m ) 测试研究提出了固化粉煤灰的固化机理，初 步探索固化粉煤灰的固化机理。总的来说归纳起来，可以分为以下几个主要部分： ( 1 ) 通过收集大量的有关固化粉煤灰的文献资料，了解粉煤灰国内外的应用现状， 特别是我国目前固化粉煤灰的应用现状及存在的问题，明白粉煤灰基本的物理化学性 质，粉煤灰的分类以及基本力学特性，了解和分析粉煤灰石灰体系反应基本原理，在 掌握其基本作用原理的基础上，为后面的固化粉煤灰扫描电镜( s e m ) 测试奠定好理论基 础。 ( 2 ) 通过对粉煤灰的基本特性有了初步认识后，进而开始选择试验所需的原材料， 其中最重要的是合理地选择各项性能都较好的固化剂，本试验研究所采用的固化剂为新 型的j n s 2 型粉煤灰增强固化剂，将这种具有优越性能的固化剂作为外掺剂应用于粉 煤灰的固化研究之中，初步制定出固化粉煤灰的抗压强度试验方案。 ( 3 ) 在理论分析的基础上，科学地确定出本论文固化粉煤灰的力学性能试验研究 方案，从而通过采用理论分析与试验实测相结合的办法对固化粉煤灰进行系统地研究。 通过室内无侧限抗压强度试验，初步探讨固化剂的掺入比和龄期对固化粉煤灰强度的影 响规律，对固化粉煤灰的力学性能取得初步认识。 ( 4 ) 进一步通过对固化粉煤灰进行x 射线衍射( x r d ) 试验，研究了固化粉煤灰各 个组成成分在其硬化强度形成过程中的变化规律；然后再通过扫描电镜( s e m ) 测试，分 析了固化粉煤灰的微结构特点及微结构形成过程和构成形态。通过上述两个试验，对固 化粉煤灰的结构特征和形成过程取得进一步的认识。 ( 5 ) 通过对上述三个试验数据的整理和对比分析，进而探索粉煤灰的固化作用机 理。也就是在分析粉煤灰一石灰体系反应基本原理的基础上并结合了微观试验测试，详细 地分析粉煤灰和固化剂之间的相互作用，并且通过试验研究提出了固化粉煤灰的固化机 理，初步探索固化粉煤灰的固化机理。 总的来说，本文将通过理论分析和试验研究相结合的方式，着重研究添加了j n s 固化剂粉煤灰的固化机理，并通过试验对这种添加了新型固化剂的粉煤灰材料的抗压强 度进行了测试，研究采用理论与试验相结合的方式。该项研究必将为固化粉煤灰在工程 中的进一步应用奠定理论和试验基础，具有重大的社会现实意义。本文所得出的研究成 果，必将进一步推进固化粉煤灰的应用和推广，大大地提高我国固化粉煤灰的技术利用 水平