（材料学专业论文）高活性粉煤灰评价与应用研究.pdf

摘要 粉煤灰是目前火力发电厂排放的主要废弃物之一，近年来随着公路建设的迅猛发 展，对粉煤灰的需求量也越来越大。而现今对于粉煤灰的研究大多偏重于粉煤灰活性激 发以及在混凝土中的应用，专门针对粉煤灰尤其是高活性粉煤狄在公路工程中的应用研 究较少，导致粉煤灰在道路工程中的应用不够规范，直接影响到工程质量。因此，建立 合理有效的粉煤灰品质评价体系对于粉煤灰在公路工程中的规范正确应用具有重要意 义。 论文首先系统分析了山东济宁地区粉煤灰使用现状及存在问题，选取了该地区储量 较大且具有代表性的四种粉煤灰，对其物理性能、化学组成以及力学性能进行了关联性 分析，探索了粉煤灰理化性能对路用性能的影响规律。在粉煤灰性状分析的基础上，利 用不同测试方法对粉煤灰的活性进行了试验研究，建立了高活性粉煤灰物理性能、化学 组成及活性参数评价体系，提出用活性指数来进行粉煤灰品质的准确评判，为济宁地区 高活性粉煤灰的优选提供了依据。 基于高活性粉煤灰评价参数体系，开展了高活性粉煤灰在二灰碎石基层材料以及水 泥粉煤灰稳定碎石基层材料中的应用关键技术研究，结合济宁地区原材料特点，深入分 析了高活性粉煤灰强度形成机理，推荐出适合于该地区的半刚性基层材料最佳配比，并 应用于实体工程。 关键词：高活性粉煤灰、活性指数、评价体系、活性测试方法、关联性、二灰碎石、水 泥粉煤灰碎石、强度机理、关键技术 a b s t r a c t t h ef l y a s hi so n eo ft h em a i nt h e r m a lp o w e re m i s s i o n s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f h i g h w a yc o n s t r u c t i o n si nr e c e n ty e a r s ，t h ed e m a n do ff l y a s hi sb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r t h ef o r m e rr e s e a r c ho ff l y a s hm o s t l ys t r e s s e di nt h ef l y a s ha c t i v e n e s sa c t i v a t e d ，a sw e l la si n c o n c r e t ea s p e c t sa n ds oo na p p l i c a t i o n t h e r ei sr a r es t u d yo ff l y a s hs p e c i a l l yu s e di nt h e h i g h w a ye n g i n e e r i n g ，w h i c hl e a d st ot h er e s u l to ft h ei r r e g u l a r i t i e si nt h eu s i n go fh i g h w a y f l y a s ha n di n f l u e n c e sf i r s t h a n dt h eq u a l i t yo ft h eh i g h w a y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt of o u n d ar e a s o n a b l ea n de f f e c t i v es y s t e mt oe v a l u a t et h e q u a l i t yo ht h ef l y a s hu s i n gi nt h eh i g h w a y e n g i n e e r i n g f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ep r o b l e m so ft h ef l y a s hu s e di nt h e j i n i n ga r e a s e c o n d l yf o u rk i n d so fr e p r e s e n t a t i v ef l y a s hi ss e l e c t e di nj i n i n ga r e at oa n a l y s e s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e sa n d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， i n c l u d i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so nt h eq u a l i t yo ft h eh i g h w a y 0 1 1t h eb a s eo ff o r e c i t e dw o r k s ，t h ep a p e rr e s e a r c h e sa c t i v i t yp r o p e r t i e so ft h ef l y a s hb y m u l t i f a r i o u sm e a n sa n df o u n d sa ne v a l u a t i n gs y s t e mh i g h a c t i v i t yf l y a s h ，w h i c hi si n c l u d i n g t h ep h y s i c a l ，c h e m i c a la n da c t i v i t yp r o p e r t i e so ft h ef l y a s h f i n a l l y , t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r d a c t i v i t yi n d e xt oe v a l u a t et h eg r a d i n go fh i g h a c t i v i t yf l y a s h ，p r o v i d i n gt h eg i s to fc h o s i n gt h e k i n do fh i g h a c t i v i t yf l y a s hi nt h ej i n i n ga r e a f i n a l l y , b a s e do nt h ee v a l u a t es y s t e mo fh i g h a c t i v i t yf l y a s h ，s o m ef u r t h e rr e s e a r c h e sa r e d o n eo na p p l i c a t i o no ft h eh i g h a c t i v i t yf l y a s hu s e di nt h es e m i r i g i dc o u r s ea n dt h er o a d b a s e a tt h es a m et i m e ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h ec a u s a t i o no fi n t e n s i t ya n dr e c o m m e n d st h e b e s tm i xi nt h ej i n i n ga r e a k e yw o r d s ：h i g h a c t i v i t y f l y a s h ；a c t i v i t yi n d e x ；e v a l u a t i o ns y s t e m ；m e a s u r ea c t i v i t y p e c u l i a r i t y ；r e l e v a n c e ；l i m e f l ya s hc o n c r e t e ；c e m e n tf a b o u n dh o g g i n ；s t r e n g t h m e c h a n i s m ；k e yt e c h n o l o g y 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。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的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名鸟堤7 训缉多月，弓日论文作者签名鸡乡凯易腑多月，乡日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 矿钐年如，多日 矽秘西乒日 移弓鼍 幺瑶 z 乡 夕 驺呷 名 孔 獬 名 者 签 作 市 划 师 泛 导 k 安大学硕j 二学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 为适应和促进国民经济发展，我国近二十年开展了大规模的交通基础设施建设，产 生了巨大的经济和社会效益，截至2 0 0 7 年底i ，全国公路总里程达到3 5 7 3 万公里，高 速公路总历程达到5 3 6 万公里，公路通达深度明显提高。总长约3 5 万公里的“五纵七 横”国道主干线，将在2 0 0 8 年初基本完成，提前1 3 年完成规划目标。 在大规模建设初期，由于采用的基层材料不合适，加之其它原因，许多路面发生了 严重的早期损坏现象，严重影响了道路的使用质量和使用寿命。例如，山东济宁地区自 八十年代以来己经陆续修建了多条应用各种类型半刚性材料基层的路面，经过一段时间 的使用后，实际使用状态评价已分化，呈现“差 、“中 、“较好 和“好”这四个层次， 各类型路面损坏形式也不尽相同，出现了不规则的纵向裂缝、规则或不规则的横向裂缝、 卿浆等几种损坏形式。这些损坏及状态差异有的起因与结构类型和配比有关；有的与基 层的强度有关；有的与半刚性基层的温度收缩、干缩、水稳定性或冲刷性能有关。从中 可以看出，耐久的路面结构，不仅与结构设计有关，而且与所使用的材料性能有密切的 关系。 为提高路面质量，克服早期损坏现象，改善路面的使用性能及延长使用寿命，结合 国内外的施工经验，我国在不同地区铺筑了以半刚性材料为基层主体的道不同路面结 构。这种半刚性材料包括水泥稳定土、石灰稳定土、石灰稳定工业废渣和综合稳定土等。 据统计，除水泥混凝土路面外，采用半刚性材料的沥青路面己成为了我国公路建设中最 典型的路面结构形式。而且世界上的其他国家也较多地采用半刚性材料作沥青路面的基 层或底基层。 半刚性基层的大规模应用，对工程建筑材料的需求量同趋加大，作为良好路基填料 和无机结合料的粉煤灰，在近十年内得到了很好的开发和利用，广泛应用于各种等级公 路的路基、路面中，基本解决了火力发电厂粉煤灰排放难，费用逐年增加的问题。 粉煤灰是一种良好的路面基层材料和垫层材料，特别是采用粉煤灰为主铺筑的道路 基层具有整体强度高，板体性强，后期强度发展潜力大，水稳性和冻稳性好的优点，因 而在道路尤其是在高等级公路的修筑过程中已成为一种非常重要的材料。 但粉煤灰毕竟是一种工业副产品，性能波动很大，影响其品质的因素也非常多，如 果不充分了解粉煤灰的特性，在公路工程应用中很可能会对它提出过高或不必要的要 第一章绪论 求，这样不仅有可能限制粉煤灰的应用，同时也将增加工程造价：反之如果提出的要求 偏低，也将会影响到整体的道路品质，甚至造成安全隐患。 山东济宁地区电厂多，粉煤灰产量丰富，但其活性评价问题严重影响了该地区粉煤 灰的合理利用。本研究将选取山东济宁地区的几种典型粉煤灰材料进行系统研究，旨在 通过理论分析及室内试验，提出高活性粉煤灰的合理评价指标，探索合理的粉煤灰稳定 基层结构以及优化该类材料的配合比设计，为济宁地区粉煤灰在道路工程中的广泛应用 提供技术支持，并为高活性粉煤灰性能评价指标的完善积累数据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 粉煤灰活性研究 关于粉煤灰的应用技术研究，国外早在2 0 世纪2 0 年代就已经开始【引，随着社会经 济技术的发展，对粉煤灰的认识进一步加深，经过加工、分离等技术处理后的粉煤灰成 为多功能再循环资源，并带来一定的社会、环境和经济效益。有很多国家对粉煤灰的形 成、收集到输送、加工、出售都有一套方法和设施，将粉煤灰分门别类，按性能、等级、 质量来提供给各种工程与工业领域应用。例如英国中央发电局直接为用户提供各种规格 的灰渣，于1 9 8 0 年获利5 0 0 万英镑，使粉煤灰成为“终端产品 ，美国则把粉煤灰列入 矿物资源的第7 位，排在矿渣、石灰与石膏之后。 国内粉煤灰利用研究起步于六十年代后期，到八十年代，开始引进消化国外先进的 粉煤灰利用技术，从8 0 年代初开始，国务院领导多次指示要加强和重视资源的利用工 作，陆续颁布了许多有关资源利用的规定，在国家主管部门的积极支持下，近几十年来， 我国粉煤灰利用工作蓬勃发展，已经从被动的堆放、简单处理发展到在建材、建工、市 政、交通、农业环保等领域大规模的应用，并逐步扩展到轻工、化工、冶金、煤炭等新 的领域。 m a n z n ( 1 9 9 5 ) 对世界上4 2 个国家粉煤灰及炉底灰、渣的不同利用方式的比例进 行分析，结果得到粉煤灰的利用主要用于作为土木建筑材料，所有的利用方式中，用于 混凝土、水泥的粉煤灰占相当大比例。我国处于发展中国家，由于大规模的基础设施建 设，粉煤灰的利用比发达国家高，但是利用率却低于发达国家。合理科学的评价粉煤灰 品质才能为粉煤灰在公路工程中的应用打好基础，这样不仅可提高粉煤灰的利用率，也 为优质的工程质量提供了保证。对于粉煤灰在公路工程中的应用研究主要集中在粉煤灰 2 k 安大学硕上学位论文 活性激发以及粉煤灰在混凝土中的应用方面，国内外一些学者在这些方面做了深入的研 究，也有直接应用情况，兹介绍如下： 长安大学张超教授 4 1 对于低活性粉煤灰路用可行性进行了评价，得出低活性粉煤灰 需要在碱性外掺的激发条件下才可用作道路基层材料，并且从材料的含水量、压实度、 碾压成型时间以及低温影响等几个方面论证了低活性粉煤灰的应用无需考虑特殊措施， 与普通粉煤灰一样具有路用性能。 h e m m i n g s l 3 1( 1 9 8 9 ) 对粉煤灰提炼a 1 、f e 、t i 等金属后的残留物的火山灰活性 进行了系统研究，研究结果表明，所有类型的粉煤灰残留物的氧化硅含量都增加，高级 别的粉煤灰残留物具有球状的假晶物质；低级别粉煤灰含有凝胶状物质，所有残留物都 有火山灰活性：低级别煤的粉煤灰需水量明显增加，且火山灰活性有所降低；但高级别 煤的火山灰活性有非常大的提高。 曹红红【3 】等研究了不同激发剂对粉煤灰活性激发的效果，还进一步研究了不同激发 剂作用下粉煤灰吸收c a o 的特征。研究结果显示，n a 2 s 0 4 效果最为明显，而n a c l 、 c a c h 对粉煤灰火山灰活性激发程度较差。钱觉时等认为，粉煤灰石灰硫酸盐系统为 激发粉煤灰活性的基本系统，这种激发系统可以直接用来制备粉煤灰建材，也可以作为 掺合料生产矿渣硅酸盐水泥。而s h i 的研究结果显示，对于低钙粉煤灰，n a 2 s 0 4 对于粉 煤灰活性的激发效果明显低于c a c l 2 2 h 2 0 ，而对于高钙粉煤灰，n a 2 s 0 4 对粉煤灰的活 性激发则比c a c l 2 2 h 2 0 显著。 前苏联通路科学研究所哈萨克分所的技术副博士b a 阿斯马图拉耶夫1 6j 等人利用 低活性粉煤灰修筑路面基层，他们就低活性粉煤灰的施工工艺方面进行研究，并提出了 两阶段方法( 即预先将粉煤灰和混合科的矿物部分搅拌，然后往拌合机中送石灰搅拌) 效 果最好。同时他们也进行了添加外掺剂活化结合料的水解作用和水化作用，提高混合料 强度的研究。他们的研究指出，添加氯化物和其他盐，能提高混合料的强度，还指出， 利用某化工厂的碱液可减少1 0 - - , 1 5 的搅拌时间，使新预制好的混合科减少刚度 2 0 2 2 ，龄期3 个月的混合科强度指标提高了3 8 4 0 。 中国建材科学研究院水泥所肖忠明1 7 j 对唐山陡河店的粉煤灰进行预处理后掺入水 泥混凝土中，提高粉煤灰的活性，提高了混凝土的早期强度。 济南市墙体材料革新公办室王德广1 8 j 等人对济南黄台火电厂干排灰的研究指出，由 3 第一章绪论 于原状灰活性较差，不能直接利用。他们采用对原灰进行粉磨处理；采用生石灰进行活 性激发，使制得的粉煤狄混凝土力学性能得到提高，通过比较试验，经粉磨和化学激发 的粉煤灰混凝土2 8 天龄期强度可提高5 0 。 以上研究主要在于提高粉煤灰的活性以及粉煤灰在混凝土中的应用，针对公路工程 的应用研究较少，粉煤灰应用仍然存在优劣同级、应用不规范的问题。本课题将总结借 鉴相关研究成果，紧紧围绕粉煤灰的理化性能并且联系其路用性能展开研究，填补高活 性粉煤灰性能评价的空白，具有重要的理论意义及实用价值。 1 2 2 粉煤灰用于半刚陛基层研究现状 伴随公路交通事业迅速发展，粉煤灰在公路建设中得到广泛应用，粉煤灰掺配石灰 用作结合料，可以用来稳定碎石、砂砾以及其他种类的集料形成二灰碎石、二灰砂砾和 二灰土等结构，用作公路路面基层或者底基层，具有强度高，水稳定性好和耐久性好等 优点，能够满足公路路面的使用要求。 目前，国内外常见的用粉煤灰作为半刚性基层( 底基层) 材料的类型有：( 1 ) 水泥 稳定类水泥粉煤灰稳定碎石等( 2 ) 石灰工业废渣类主要有石灰粉煤灰( 简称二灰) 土，二灰砂、二灰砂砾、二灰碎石等( 3 ) 综合稳定类主要有水泥石灰粉煤狄综合稳 定土、碎石( 或砂砾) 等。 半刚性材料作为路用材料的历史由来己久，但大量采用多种类型的水硬性结合料处 治粒料和处治土用于不同等级道路的基层或底基层还是近三四十年来的行为。像美国、 日本、法国、德国、意大利、瑞典、前苏联等许多公路交通极为发达的国家，在设计和 建设高速公路时都较多地采用了半刚性材料作为路面结构的基层或结构层之一。所不同 的是，不同的国家因其交通组成不同、地理气候条件不同、材料资源不同、设计经验或 方法不同等因素，使其使用的半刚性基层的类型与厚度也不大相同。 总结起来，目前国外干线道路上使用的基层类型、结构有以下特点： 1 、主要采用结合料稳定的粒料( 包括各种粗粒土和中粒土) 做基层，稳定细粒土 ( 如水泥土、石灰土等) 做底基层，有的国家只用作路基改善层。 2 、使用最广泛的结合料是水泥和沥青，石灰使用得较少。当地有条件时还使用当 地的低活性慢凝材料和工业废渣，如粉煤灰、矿渣等。例如，法国采用矿渣稳定砂砾、 石灰粉煤灰稳定砂砾和火山灰稳定砂砾等材料。 3 、基层材料的横向温度缝应尽量少，一般采用强度不大于1 5 m p a - - 6 m p a ( 2 8 d 龄期) 4 k 安大学硕上学位论文 的水泥混凝土、贫混凝土、碾压混凝土或4 - - - 6 的水泥稳定粒料。 4 、一些国家在高等级公路上因诸多因素的差异所采用的路面结构形式和厚度差别 较大。 我国从1 9 5 4 年开始在公路上应用石灰土( 半刚性材料的一种) 做基层材料。在约 3 0 年期间石灰土基层是我国等级公路上的主要基层类型。粉煤灰作为基层材料由于有 较低的温缩和干缩系数、较好的整体性、较高的后期强度而被普及利用，但由于粉煤灰 性能波动较大，不同品质粉煤灰应用于半刚性基层差别较大，加之此类材料的强度形成 主要是依靠石灰粉煤灰之间缓慢的火山灰反应生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙的胶凝 作用，而这种反应在常温和通常的碱度条件下进行很慢，这就决定了其早期强度较低、 施工对于气温和气候的依赖性大，基层修筑后养生期太长，致使其应用受到一定的限制。 本课题的研究针对济宁地区粉煤灰性质提出高活性粉煤灰评价参数的同时，结合济 宁地区气候环境因素，对高活性粉煤灰在二灰碎石基层以及水泥粉煤灰碎石基层中的应 用展开研究，以期达到推荐适合济宁地区半刚性基层材料合理配比的目的，为济宁地区 高活性粉煤灰在不同半刚性基层的应用提供技术支持。 1 3 课题主要研究内容 本课题研究通过对山东济宁地区粉煤灰供应现状调查分析同时考虑该地区气候、环 境及交通状况，结合国内外有关高活性粉煤灰研究现状，采用理论分析与试验研究相结 合、室内研究与依托工程相结合的技术路线，通过室内实验对该地区各类粉煤灰加固粒 料基层材料路用性能进行深入研究，最终推荐适用于该地区的材料类型及合理配比。 1 、山东省济宁地区粉煤灰供应现状调查分析； 2 、高活性粉煤灰评价指标研究： 3 、高活性粉煤灰在沥青路面半刚性基层中应用研究； 4 、高活性粉煤灰稳定基层路用性能综合评定； 5 、高活性粉煤灰加固粒料微观结构研究； 6 、试验路工程研究。 5 长安大学硕十学位论文 第二章研究技术路线与试验方案、方法 2 1 课题技术路线 研究中以理论研究为指导，在深入调查济宁地区粉煤灰供应现状以及使用情况的基 础上，针对目前粉煤灰评价指标的缺陷，通过对不同类型粉煤灰物理、化学性能的分析 以及活性分析提出高活性粉煤灰的评价参数，同时优选粉煤灰应用于半刚性基层材料对 路用性能进行深入研究，并结合试验路工程对室内成果加以验证与完善。具体技术路线 如图2 1 所示。 l 济宁地区粉煤灰供应现状以及使用状况调查分析 上 粉煤灰技术性能分析 1 、物理性能、化学组成测试分析o 2 、粉煤灰活性分析； 3 、高活性粉煤灰评价参数提出。 0 高活性粉煤灰用于半刚性基层材料研究 1 、二灰碎石基层材料研究： 2 、水泥粉煤灰碎石基层材料研究； 3 、高活性粉煤灰技术性质与路用性能相关性分析。 上 试验路验证与完善研究成果 1 、试验路铺筑及观察： 2 、试验路观测结果分析以及对室内试验结果修正。 0 i 推荐适用于济宁地区的材料类型以及合理配比 图2 1 研冗技术路线 2 2 试验方案设计 本研究通过对济宁地区几种典型粉煤灰进行物理化学性能试验，选择石灰吸收法和 石膏吸收法试验来评价不同粉煤灰活性，提出科学合理的粉煤灰活性评价方法；结合粉 煤灰活性评测结果，通过不同比例二灰以及水泥粉煤灰的力学强度试验，优化二灰、水 泥粉煤灰配比，进而验证粉煤灰活性评测结果。具体试验方案设计如图2 - 2 - 2 4 所示。 1 、高活性粉煤灰评价参数研究 7 第二章研究技术路线与试验方案、方法 图2 2 高活性粉煤灰评价参数试验方案 2 、高活性粉煤灰应用于半刚性基层试验研究 图2 - 3 配合比研究方案设计 ( 2 ) 半刚性基层材料力学性能试验 图2 - 4 力学性能试验方案设计 8 k 立太学坝l 学位论 2 3 试验方法研究 1 、粉煤灰活性试验 ( 1 ) 石膏吸收法测试粉煤扶活性 石灰粉煤灰的强度主要柬源于它们之叫的火山灰反应，但其反应速度很慢，为了提 高反应速度，在火山扶反应系统e e ) j n a 石膏。粉煤灰中的氧化物( s i 0 2 、a l2 v 3 、of * 2 0 3 ) 以两种状态存在，一种是活性状态，它存在于粉煤扶的玻璃体巾，能与右膏起作用，另 一种是非活性状态，它存在于粉煤灰的结晶体中，以硅铝酸二钙的形式出现不能与石 膏起作j 。当加入石膏以后，反应系统叶1 的c a 2 + 产生同离子效应，p h 值略有降低，从 而石膏与粉煤灰的作用就是s o ? 。产生的效应。一方面，s 0 4 2 能与a 1 0 2 + 、c a 孙、o h 。生 成a f t ，使液相叶1a i o “、c a 2 + 浓度f 降，从而促进了粉煤灰的a 1 0 2 + 、c a 2 + 溶出导致 玻璃体的解体。另一方面，由于粉煤灰中一般都含有2 5 以上的a l z o ，除生成a 3 s 2 晶体外，剩余的这些a l 计绝大部分为网络形成体，但也有可能有少量网络中间体，其键 能仅为网络形成体的1 2 1 3 ，s 0 4 2 , 吸附在这种活化点上以后，极易发生作用，使粉煤 灰玻璃体受侵蚀而解体。a l o 键解体的同时，也促进s i o 键的解体。所以可以用石 膏柬测定粉煤扶有效成分的= 舌性大小，一般是以每克粉煤灰在一定条件下吸收石膏的量 来表示它的活性度。试验装置见图2 - 5 所示。 图25 活性试验主要试验装置 ( 2 ) 石灰吸收法测试粉煤获活性 火山灰反虑的本质是粉煤灰在c a ( o h ) ：的液相环境中，其中的活性氧化物在石灰的 碱性激发作用下，发生反应。石灰吸收洼测试粉煤欢活性的基本原理是利用粉煤灰火山 俯一章研咒技术路线斌验方案、方法 灰反应的本质，采用粉煤狄与c a ( o h ) 2 溶液混合，然后测量混合物中未反麻的c a ( o h ) 2 的量，在粉煤扶、以及用水量有可比性的前提下，对l l , = h l 司时州内来反应的c a ( o h ) 2 的量，c “o h h 的量越低，表明粉煤扶火山灰活性越高。 一般是以每克粉煤扶在一定条件下吸收的石灰量来表示它的活性度。 2 、微观结构试验 扫描电子显微镜简称扫描电镜或s e m ，是利用聚焦电子束在样品上扫描时激发的 某些物理信号( 例如二次电子) 来调制一个同步扫描的显像管在相应位置的亮度而成像 的一种显微镜。s e m 的概念由z w o r y k i n 在1 9 4 2 年提山，其原理是聚焦电子束( 称初级 束1 诱导产生的二次电子被收集极收集，流过电阻产生电压降，经过放大器放大后调制 同步扫描的显像管的亮度。 本次s e m 试验在陕西师范大学完成，对济宁地区典型粉煤跃进行微观分析，样品 准各方法为取小样品勺取少量混匀的粉煤灰，用导电碳胶将粉煤灰固定于样品台上，压 平，加热扳上烘干，并用离子溅射仪在样品表面镀厚度约3 0 埃的金属铂，在型号为 q u a n t a 2 0 0 的扫描电镜下进行观察。试验设备见图2 - 5 所示。 图2 - 5 扫描电子显徽镜 3 、粉煤驮物理性能试验 ( 1 ) 粉煤扶密度试验 参照公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 - 2 0 0 5 ) 进行，密度测试基本原理为通过 读取李氏比重瓶在加入粉煤灰前后的煤油体积变化读数，计算粉煤狄密度。 ( 2 ) 粉煤灰细度试验 负压筛法参照用于水泥和混凝土中的粉煤扶( g b l 5 9 6 - - 2 0 0 5 附录a ) 进行。 比表面积法参照水泥比表面积测定方法( g b f f8 0 7 4 1 9 8 7 ) 进行，测试基本 原理是利用一定量的空气，透过具有一定空隙率和一定厚度的不同物料的压实粉层所受 的阻力也不同。 囊紧塾 长安人学硕士学位论文 ( 3 ) 粉煤灰烧失量试验 参照水泥化学分析法( g b t1 7 6 1 9 9 6 ) 进行烧失量的测定，测试基本原理为测 试粉煤灰在高温炉中经过灼烧前后的质量损失确定烧失量。 4 、粉煤灰化学组分试验 二氧化硅、三氧化铝、三氧化二铁含量测试参照水泥化学分析法( g b t1 7 6 1 9 9 6 ) 进行。 5 、力学性能试验 ( 1 ) 无侧限抗压强度 依据现行规范公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 中的标准方 法。 ( 2 ) 劈裂强度 依据现行规范公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 中的标准方 法。 ( 3 ) 抗压回弹模量 依据现行规范公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t j 0 5 7 9 4 ) 中的标准方 法。 ( 4 ) c b r 试验 依据现行规范公路工程土工试验规程( j t j 0 51 9 3 ) 中的标准方法。 长凡 ml 学论文 第三章高活性粉煤灰评价指标研究 粉煤灰作为电厂的燃煤副产品其性能波动范围大，受煤种、煤粉细度、煤燃烧状况 及锅炉构造等影响，不同产地，不同电厂粉煤灰理化性质差异很大，其理化性质直接决 定粉煤灰综合利用的效果。这就意味着对于粉煤灰品质的评价要从多方面入手，本章主 要选取济宁地区四家具有代表性电厂的粉煤灰从物理性质和化学组成方面进行深入研 究分析，剖析影响粉煤扶品质的各种因素，最终得出高活性粉煤狄的品质评价参数。 3 1 济宁地区粉煤灰应用现状调查分析 济宁地区烟煤储各丰富，电力供应主要依靠火力发电厂供应，大小电厂十余家，具 有代表性的火力发电厂有济宁电厂、里彦电厂、运河电厂、邹城电厂( 仝同最大的火力 发电厂) 四家，编号依次为a 、b 、c 、d 。课题研究考虑粉煤灰取样的代表性以及济宁 地区公路工程粉煤扶主要供应厂家，选取以上四家电厂粉煤灰作为研究对象，以下是各 电厂粉煤灰样品图片，如图3 - 1 所示。 济宁电厂粉煤灰a 里彦电厂粉煤灰b 运河电厂粉煤获c 邹城电厂糟煤灰d 图3 - 1 济宁地区粉煤灰样品图 课题组考察了济宁地区四家规模较大的火力电厂收集的粉煤灰，结合调查情况可以 得出以下结论： 1 3 第三帝高活性粉煤狄评价指标研究 1 、粉煤狄排量大，需求量小 电厂对于粉煤灰的储存一般采取两种方法，湿排储存和干排罐装储存，对于湿排储 存主要是为了防止灰状颗粒对于环境的污染，减小扬尘，缩小堆放面积，但是在济宁电 厂仍然可以看见在电厂周边有不少耕地被占用作为粉煤灰堆积场地；干排灰主要经过加 工处理多采用罐装储存，其主要用途用于水泥厂作为水泥外掺料可以大大减少水泥生产 成本，但是用于水泥厂生产的粉煤灰只占到整个粉煤灰总产量的五分之一左右，并没有 达到废物利用的最大功效。 2 、粉煤灰使用不规范 通过对当地使用粉煤灰的一些公路工程的调查发现，对于粉煤狄的使用只仅仅考虑 就地取材单方面的因素，对于粉煤灰的品质是否合格基本没有考虑，缺乏对粉煤灰品质 的评价无疑会对工程质量带来隐患。 。 通过对济宁地区粉煤灰应用现状的调研可以发现，粉煤灰在公路工程中的应用不够 规范，缺乏对粉煤灰品质的评价，粉煤灰资源没有得到充分的利用，对电厂周边环境不 同程度的造成污染。 3 2 国内外粉煤灰品质评价参数 3 2 1 国外评价参数 由于粉煤灰的物理化学性质取决于煤种、制粉设备、炉型、除尘设备类型、除灰方 式，以及环保措施等诸多因素，因而不仅各国的标准不同，各个国家不同时期的标准， 不同功能的标准也不尽相同，对于粉煤灰的路用性能，至今还没有一个具体合适的评价 体系。这就给施工前评价粉煤灰品质，决定其是否可用时带来了困扰。 国际上粉煤灰标准的主要功能是规定粉煤灰以下四个方面的性能：( 1 ) 强度贡献： 一般由细度、需水量比、火山灰活性指数及硅、铝、铁氧化物含量等指标控制；( 2 ) 安 定性：一般由氧化镁、三氧化硫、游离氧化钙、碱量、蒸压膨胀值及与水泥内碱的反应 性等，这一点对于水泥混凝土的应用影响较大，但对路面基层其应用时相应的影响要小 得多；( 3 ) 均匀性：粉煤灰的理化性能都应有一定的均匀性，一般由烧失量、细度及密 度等指标的波动范围控制；( 4 ) 运输及贮存性：一般由含水量控制，对粉煤灰本身的性 能影响不大。对于国外常用粉煤灰评价参数的总结如表3 1 所示。 1 4 长安人学硕士学位论文 表3 1国外常用粉煤灰评价参数汇总表 评价指标国外备注 限值有0 5 ( 英国) ，1 ( 中国、澳大利亚、 含水量 奥地利、日本、朝鲜) ，3 ( 美国、加拿大) 澳人利弧根据粉煤灰粗细不同，将其烧失量限 值也相应规定为4 ( 细灰) 、6 ( 中灰) 、1 2 各国标准无一例外的都对粉煤灰烧失量 烧失量 ( 粗灰) 三个等级，其他国家的限值分别有5 做出了限值规定，表明粉煤灰的烧失量 ( 中国、奥地利、日本、朝鲜) 、6 ( 美国、加 是非常重要的指标之一，但该限值的变 化范围却相当大。 拿大c 类灰) 日本在标准中规定此值不得低于1 9 5 9 g r n 3 ，美 美国、加拿大及澳大利亚将这个参数作 国、加拿大及澳大利亚规定其限值为5 ( 即某 为非强制性指标列入标准。自有粉煤灰 密度 标准以来，许多国家一直都将密度参数 批粉煤灰的密度与前l o 次平均值的差值不得大 于5 ) 作为强制性指标来表征粉煤灰品质的均 匀性。 勃氏比表 现在标准中仍使用比表面积或粒径表示 面积及平 奥地利规定范围在4 0 0 0 - - 一5 0 0 0 c m 2 g 为宜，印度 低限为3 2 0 0 c m 2 g ，日本低限为2 4 0 0 c m 2 g 细度的国家正逐渐减少，只有奥地利、 均粒径 印度、日本等国保留了此参数。 在用筛余量法表征细度时，各国采用的 4 5 a n 筛 国际上大多数国家现行粉煤灰标准都采用筛孔孔径不完全一致，但根据国内外大 余量 4 5 a n 筛余百分数作为粉煤灰的细度指标量试验结果表明，采用4 5 - o n 孔径的标 准筛来测定粉煤灰的细度比较合理。 英国限值9 5 ，日本限值1 0 2 ，美国限值1 0 5 美国、英国、日本及朝鲜都将需水量比 需水量比作为强制性指标列入混凝土用粉煤灰的 规范 规定氧化镁总量低于舷( 英国、澳大利哑) 、 国际上对于是否该采用这个指标也颇有 氧化镁5 ( 奥地利、印度、土耳其、朝鲜) 6 5 ( 前 争议，其中英国、澳大利亚等国对此做 了规定，但中国、美国、日本等许多国 东德) 家都不作规定 大多数国家在粉煤灰标准中规定的是粉煤灰中 硫酸盐含量( 用s 0 3 表示) 的限值。大致有2 5 三氧化硫 ( 英国) 、3 ( 中国、澳大利亚) 、5 ( 美国、 加拿大、朝鲜、土耳其) 等 硅、铝、铁 美国规定三者之和的低限，对于f 类灰不得低 f 类粉煤灰指s i 0 2 + a 】2 0 3 + f e 2 0 3 t 7 0 于7 0 ，c 类灰不得低于5 0 ；朝鲜、土耳其 氧化物含量 c 类粉煤灰指s i 0 2 + a 1 2 0 3 + f e 2 0 3 5 0 则笼统的规定三者之和不得低于7 0 1 5 第三章高活性粉煤灰评价指标研究 本课题研究针对粉煤灰在公路工程中的应用，将以下指标作为研究重点，对于各指 标做出以下几点补充说明： 1 、烧失量：粉煤灰的烧失量与其细度、火山灰活性、需水量等也有很大关系。一 般来说，粉煤灰越细，烧失量越小，相应需水量越低，火山灰活性越高。 2 、密度：密度与粉煤灰的碳分、多孔玻璃体及密实玻璃珠的相对含量有关，粉煤 灰的密度对粉煤灰质量评定和控制具有重要意义。 3 、比表面积：比表面积表示粉煤灰的细度更为准确，不仅可以反映粉煤灰的细度， 还可以整体上反映粉煤灰的颗粒形状。 4 、4 5 o n 筛余量：国际上大多数国家现行粉煤灰标准都采用4 5 o n 筛余百分数作为 粉煤灰的细度指标。但由于试验方法不尽相同，各国粉煤灰标准中该项指标的限值可比 性较低。 5 、硅、铝、铁氧化物含量：关于s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，尽管研究界对其含量的限制范围 还有些争议，可是大家都知道这两者是铝硅酸盐的主要成分，当然应当多些好，尤其是 s i 0 2 的成分应有保证；然而对于f e 2 0 3 ，有人认为它对粉煤灰的火山灰性质没有什么好 处，甚至认为它是起消积作用的。其实，这种看法也不全面，f e 2 0 3 还有它积极的一面， 例如它对降低粉煤灰的熔点就有好处，有利于形成粉煤灰玻璃微珠，进而提高粉煤灰的 火山灰性质。 3 2 2 国内评价参数 我国粉煤灰的物理性能和化学成分的波动范围较大，但是做为一种资源和工业产品 已逐渐被认识，电厂生产粉煤灰主要作为生产水泥的掺和料，也大量的应用于粉煤灰混 凝土中，g b l 5 9 6 2 0 0 5 对用于拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术指标见表3 2 所示，水泥 活性混合材料用粉煤灰技术指标见表3 3 所示。 表3 - 2 拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术要求( 续) 技术要求 项目 ii ii i i 细度( 4 5 o n 方孔筛的筛余 f 类粉煤灰 1 2 0 2 5 04 5 o 量) ，不大于c 类粉煤灰 f 类粉煤灰 需水量比( ) ，不大于 9 51 0 51 1 5 c 类粉煤灰 f 类粉煤灰 烧火量( ) ，不大干 5 o8 o1 5 0 c 类粉煤灰 含水量( ) ，不大于f 类粉煤灰 1 0 1 6 k 安大学硕上学位论文 c 类粉煤灰 f 类粉煤灰 三氧化硫( ) ，不大于 3 0 c 类粉煤灰 f 类粉煤灰 游离氧化钙，不大于觞 4 0 c 类粉煤灰 安定性雷氏夹沸煮后增 c 类粉煤灰 5 o 加距离，不大于m m 表3 - 3 水泥活性混合材料用粉煤灰技术要求 项目技术要求 f 类粉煤灰 烧失量( ) ，不大于慌 8 o c 类粉煤灰 f 类粉煤灰 含水量( ) ，不大于 1 o c 类粉煤灰 f 类粉煤灰 三氧化硫( ) ，不大于 3 5 c 类粉煤灰 f 类粉煤灰 1 o 游离氧化钙，不大于瞄 c 类粉煤灰 4 o 安定性雷氏夹沸煮后增加f 类粉煤灰 5 0 距离，不大于m mc 类粉煤灰 f 类粉煤灰 强度活性指数，不小于 7 0 0 c 类粉煤灰 注：f 类粉煤灰无烟煤煅烧收集的粉煤灰c 类粉煤灰褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤 灰。试验胶砂抗压强度与对比胶砂抗压强度之比，以百分数表示。 该指标根据粉煤灰的两种主要用途用于拌制水泥混凝土和砂浆、或用于水泥生 产中作活性混合材料，国家标准分别提出了不同的技术要求。针对第一种用途，对粉煤 灰的细度、需水量比、烧失量、含水率及三氧化硫含量等5 项技术指标作要求：而对第 二种用途则提出烧失量、含水率、三氧化硫含量和2 8 d 抗压强度比等4 项技术指标。比 较而言，第一类指标偏重于粉煤灰对混凝土和砂浆工作性能的要求，而第二类指标则对 粉煤灰的火山灰活性提出比较高的要求。从指标设置来看，我国现行的这部标准基本上 与国际指标靠近，但是i i 、i i i 级指标差距过大。比如：细度指标从i i 级灰2 0 落n i i i 级灰的4 5 ；烧失量指标从i i 级灰的8 落n i i i 级灰的1 5 。指标落差过大，就容易 造成优劣同级、鱼龙混杂，对粉煤灰的品质评价造成偏差，甚至得出错误的结论，使得 1 7 第三章商活性粉煤灰评价指标研究 本来可用的粉煤灰被误当作等外灰，或是本来品质很差的灰被误用于工程中，影响工程 质量，甚至有可能存在安全隐患，这些都将使粉煤灰资源不能很好的被利用。 当前国内路面基层用粉煤灰执行的是j t j 0 3 4 - - 2 0 0 0 公路路面基层施工技术规范 标准。技术指标见表3 4 所示。 表3 - 4 路面基层用粉煤灰标准 序号指标限值 1 硅、铝、铁氧化物含量总和( ) ，不小于 7 0 2 烧失量( ) ，不大于 2 0 3 比表面积( c m 2 g ) ，不小于 2 5 0 0 与前面两种主要标准不同的是，路面基层用粉煤灰标准中强调了硅、铝、铁氧化物 含量总和这一指标，其实，这也正是由基层用粉煤灰与前面两种用途不同造成的。无论 是用于拌制水泥混凝土和砂浆，还是用于水泥生产中作活性掺和料，粉煤灰都不作为强 度来源的主要物质，而在二灰基层中，粉煤灰却是强度的主要来源。而大多数研究者认 为，以玻璃体形态存在的硅、铝、铁氧化物是参与火山灰反应，使粉煤灰产生强度的主 要氧化物，因而有必要对其提出要求。至于限制粉煤灰烧失量，则是为了限制碳的含量， 其实还是为了提高强度。对比表面积提出要求，是由于粉煤灰与二次结合料的反应作用 深度不大，大多还是集中在表面，为了增大两者反应的程度和深度，必须保证粉煤灰与 其它结合料之间有足够的接触面积，增加反应的可能性，从而提高强度。 从以上几个标准可以看出，我国对粉煤灰的评价存在两个缺点：一是缺乏多因素的 综合考虑，若是一项指标不合格，整个灰就会降级，这样不利于粉煤灰的利用；二是指 标跳跃性大，粉煤灰品质的差别也较大，容易造成优劣同级，对粉煤灰的品质评价造成 偏差。这都不利于粉煤灰的利用。 国内粉煤灰品质评价在最近几年也有了新的发展，主要的评价方法有： 用模糊数学理论，对粉煤灰进行综合品质评价，该方法主要是建立粉煤灰隶属各级 的隶属函数，利用模糊数学的综合评价方法，计算出粉煤灰的品质特征隶属各等级的隶 属度值，最后判断粉煤灰的等级，此方法比较科学，但是不利于推广计算较麻烦。 另外，根据我国标准的i i 、i 级别灰指标差距大的特点，进行对i i i 级灰的升级技 术( 赵亚明等1 1 0 j ，2 0 0 3 ) ，将i i i 级灰的上下限的度量等级分为三个等级，即i i i 一1 、i i i 2 、 i i i 一3 ，取五项粉煤灰的品质特征( 细度、烧失量、密度、需水比、强度比) ， 长安大学硕上学位论文 根据i i i 级灰指标值，在i i i 一1 范围的分值为2 ，在i i i 2 范围的分值为1 ，i i i 3 范围内 为0 ，将五项分值之和作为i i i 级粉煤灰升级应用的依据，见表3 5 所示。该方法使用简 单方便。 表3 - 51 i i 级粉煤灰的分级特征参量限值 级粉煤灰分级 序号指标 i li 一2一3 1 细度( 4 5 1 a n 筛筛余量) ( ) l o 3 1 0 4 1 2 61 2 7 1 5 0 2 烧失量( ) 1 0 31 0 4 1 2 6 1 2 7 1 5 o 3 密度( g c m 3 ) 1 9 51 9 0 - - 1 9 41 8 5 1 9 3 4 需水量比( )1 0 8 31 0 8 4 1 1 1 61 1 1 7 1 1 5 o 5 2 8 d 抗压强度比( )5 5 04 8 0 - - - 5 4 94 1 0 - 4 7 9 不论上述评价方法是否合理，毕竟提出了新的综合评