低等级粉煤灰的活性激发试验研究优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

分类号 密级 u d c 编号 硕 士 学 位 论 文 低等级粉煤灰的活性激发试验研究低等级粉煤灰的活性激发试验研究 研 究 生 姓 名 ： 陶宇燕 指导教师姓名、 职称： 柯 国 军 教授 学科、专业名称： 结构工程 研究方向： 高性能混凝土及固体废渣利用 2010 年 5 月 南华大学学位论文原创性声明 本人声明， 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得南华大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。 与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 南华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文是本人在南华大学攻读 （博/硕）士学位期间在导师指导下 完成的学位论文。本论文的研究成果归南华大学所有，本论文的研究内容不得以 其它单位的名义发表。本人同意南华大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保留学位论文；学校可根据国 家或湖南省有关部门规定送交学位论文。同意学校将论文加入中国优秀博硕士 学位论文全文数据库 ，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。同意授权中国科学信息技术研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库 ，并通过网络向社会公众提供信息服务。对于涉密的学 位论文，解密后适用该授权。 作者签名： 导师签名： 年 月 日 年 月 日 目录目录 摘摘 要要. i i abstractabstract . iiii 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 引言 . 1 1.1.2 粉煤灰的形成和类型 . 2 1.2 国内外研究发展现状 . 3 1.2.1 国外对粉煤灰的运用与发展. 3 1.2.2 我国对粉煤灰的运用与发展. 4 1.3 粉煤灰的资源化利用现状 . 6 1.3.1 生产水泥 . 6 1.3.2 在建筑工程方面的应用 . 7 1.3.3 用于道路工程 . 8 1.3.4 农业上的应用 . 9 1.3.5 在处理污水中的应用 . 10 1.4 小结 . 11 第二章第二章 粉煤灰的活性激发机理探讨粉煤灰的活性激发机理探讨 . 1212 2.1 粉煤灰的活性 . 12 2.1.1 粉煤灰的物理活性 . 12 2.1.2 粉煤灰的化学活性 . 14 2.2 粉煤灰的活性激发方法 . 15 2.2.1 物理活化 . 15 2.2.2 化学活化 . 16 2.2.3 物理化学活化 . 19 2.3 粉煤灰活性评价方法的研究 . 20 2.4 本章小结 . 21 第三章第三章 低等级粉煤灰的物理化学活化试验研究低等级粉煤灰的物理化学活化试验研究 . 2323 3.1 试验用原材料 . 23 3.2 试验思路与方法 . 23 3.2.1 试验思路 . 23 3.2.2 试验方案 . 24 3.3 激发剂的选取 . 24 3.3.1 试验方法 . 24 3.3.2 试验配合比 . 25 3.3.3 试验结果分析 . 26 3.4 本章小结 . 31 第四章第四章 水热激发低等级粉煤灰的试验研究水热激发低等级粉煤灰的试验研究 . 3232 4.1 试验目的 . 32 4.2 试验方法 . 32 4.3 试验结果分析 . 32 4.3.1 试验数据 . 32 4.3.2 预处理的影响 . 34 4.3.3 水热激发时间的影响 . 35 4.4 本章小结 . 38 第五章第五章 蒸汽养护低等级粉煤灰胶凝材料的试验研究蒸汽养护低等级粉煤灰胶凝材料的试验研究 . 3939 5.1 试验目的 . 39 5.2 试验方法 . 39 5.3 试验配合比 . 39 5.4 试验结果分析 . 41 5.4.1 养护制度的影响 . 41 5.4.2 粉煤灰掺量的影响 . 42 5.4.3 水胶比的影响 . 43 5.4.4 化学激发剂的影响 . 44 5.5 本章小结 . 44 第六章第六章 微观分析微观分析 . 4646 6.1 x射线衍射(xrd)分析 . 46 6.1.1 试验准备及仪器说明 . 46 6.1.2 试验结果分析 . 47 6.2 sem 电镜扫描分析 . 50 6.2.1 试验思路 . 50 6.3 本章小结 . 52 第第 七七 章章 结论与展望结论与展望 . 5353 7.1 主要结论 . 53 7. 2 值得进一步研究的问题 . 54 参考文献参考文献 . 5555 致谢致谢 . 6060 攻读硕士学位期间发攻读硕士学位期间发表的学术论文表的学术论文 . 6161 i 摘摘 要要 本文介绍了粉煤灰的特点及其形成过程， 对粉煤灰的物理性质和化学性质进 行了分析, 重点阐述了粉煤灰的活性激发及其激发机理。 采用水热激发和高温蒸养等方法激发低等级粉煤灰的活性，具体研究路线 为： 首先以水泥砂浆为试验载体， 优选单掺效果显著的化学激发剂， 在此基础上， 考察各种激发剂的不同组合对粉煤灰活性激发的效果，得到较优复掺配方，随后 通过试验优化配方掺量，最终得到激发剂配方。然后将得到的最优配方采用水热 激发和高温蒸汽养护的方法最大限度地激发粉煤灰的潜在活性。同时借助于 x 射线衍射分析仪（xrd）及扫描电镜（sem）对水泥浆体的主要组成成分及微 观结构进行了观测分析， 结果显示：活化后的硅酸盐水泥其性能有较大改变，粉煤灰掺量为 40%时， 3d 抗折强度和抗压强度分别提高 64.7%和 59.4%，说明早期强度有显著提高。通 过水热激发后 28d 强度得到非常明显的提高， 粉煤灰掺量为 30%时强度提高最为 明显。激发剂有助于破坏粉煤灰玻璃体中部分结构，使之解聚成活性较高的小分 子结构，同时促使活性低的粉煤灰玻璃体出现断裂解聚，所得的高活性小分子消 耗大量的水泥水化产物 ca(oh)2，生成具有早强性质的水化产物。这里主要是水 化硅酸钙、水化铝酸钙和钙矾石等。同时通过微观分析可以看到，钙钒石、ca (oh)2等水化产物大量出现和提前进行水化反应，3d sem 显示结构紧密，为絮 状形貌。28d 时出现大量的水化产物，水化程度高。这与宏观试验研究中相应的 粉煤灰水泥胶砂试块的早期和后期强度都有明显地提高的结论是相一致的。 关键词：关键词： 粉煤灰；机理；早期活性激发；水热激发；微观结构 ii abstract this paper recommends the problems about the characteristic and concrete about power coal ash by discussion from the form process of power coal ash to its physical properties and chemical properties. focused on activate of reactivity of fly ash and the mechanism. introduce hydrothermal activating and high temperature steam curing method into activation of low fly ash. specifically, the measures are as follows: firstly, the cement mortar was selected as test carrier, seeking for activators that showed remarkable result. secondly, examine the effect of combining activators and getting final prescriptions after optimizing activators dosage by means of orthogonal design. then take the hydrothermal activating and high temperature steam curing on optimum formula to maximize the potential active of fly ash by the greatest extent. at the same time by means of xrd and sem to observe and analysis major components and microcosmic frame of the cement mortar, the paper opens out the filling bodys microcosmic configuration. the performance of activated cement has remarkably improved; when the mixing amount of fly ash cement was 40%, 3 days flexural strength and compressive strength increase 64.7% and 59.4%, which means early strength of activated silicate cement improves greatly. the results show that fly ash was activated in early hydrate. the performance of activated cement has remarkably improved; when the mixing amount of fly ash cement was 35%, the 3 days flexural strength and compressive strength increase 64.7% and 59.4%, which means early strength of activated silicate cement improves greatly. the structure of silicon-oxygen and aluminum-oxygen was partly depolymerized into little activated molecular. could accelerate the fracture and depolimerization of low fly-ash vitreous body, the obtained high activity small molecules consumed the hydration product of cement is ca(oh)2, thus the more hydrated products owning early strength was appeared, such as hydrate calcium silicate, hydrate aluminum silicate and ettringite. through the analyzing of modern iii test means on activated silicate cement, the results show that hydration reaction occurs early and much hydrates of ettringite, ca(oh)2 etc appears. the sem photographs of 3d hydrates show that the structure is packed closely and it appears flocculating. it is the function of activator to destroy the six-coordination structure of glassiness, and those depolymerized little molecular joined early hydrating reaction, so the early activation of fly ash was improved. effect of combining activators and getting final prescriptions after optimizing activators dosage by means of orthogonal design. keyword: fly ash; mechanism; early activating; hydrothermal activating; micro-structure 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 引言 能源在现代社会的日常生活和社会发展中所起的作用越来越重要， 在当今社 会因为能源的争夺发动战事也屡见不鲜。相对于石油、天然气，煤被视为比较脏 的能源。但随着储藏量有限的石油和天然气在不久的将来将被消耗完，而煤以目 前的消耗速度还可以维持好几个世纪，故煤理所当然地成为非常重要的能源。煤 在所有能源中所占比例也非常大，并且在相当长的时期内仍将保持这一高比例。 煤作为主要的初级能源，主要用于发电、冶金、水泥、铁路、化肥、制砖和其它， 如化工、造纸及家庭日常生活。煤用于热电厂在很多国家所占比例都非常高，煤 的利用将会产生大量的灰渣残留物(或称为燃煤副产品)，其中火力发电厂的粉 煤灰在所有燃煤副产品中数量上占绝对地位。 粉煤灰作为一种电厂的燃料废渣，过去是很多企业头疼和难办的一件事，大 量的粉煤灰需要占用大面积的土地进行堆放， 粉煤灰的粉尘造成周边环境被严重 污染，我国是世界燃煤发电大国之一，排出的粉煤灰是世界之冠。随着我国经济 建设和电力事业的蓬勃发展，全国发电机装机容量达 1. 1 亿 kw 以上，其中燃煤 火电站装机容量占 80%1，年排放粉煤灰量上亿吨，且呈现不断上升的趋势，据 不完全统计“六五”和“七五”期间，粉煤灰综合利用仅为 20%和 30%2 ，1995 年 也只有 45%，多年来未被利用的粉煤灰量累计达 5 亿吨以上。且每年新增 57 千万吨，太多的垃圾堆放在大中城市周边地区必然会造成许多危害。例如：占用 大量的耕地和处理费用；由于灰坝灰泄露造成河床淤塞，水质污染；污染大气等 等。 粉煤灰的污染随着科学技术的发展及人类生活水平的提高及人们对生存环 境的质量要求而不断得到重视。粉煤灰为颗粒粒径分布相当分散的粉末，同时粉 煤灰尚含有一定量的放射性元素及微量元素，因此，粉煤灰对健康及安全的影响 引起了人们的普遍关心。因此，任何提高粉煤灰利用率和利用水平的途径与技术 2 都有重大的环保意义和巨大的经济效益。我国众多的人口、资源相对贫乏的国情 使得这项工作更为迫切。粉煤灰作为混凝土掺合料用于土木、水利和海洋等工 程领域是目前粉煤灰利用的主要途径，不仅经济效益明显，还具有其它材料无法 替代的技术优势，特别是其使用量大、对环境无不利影响，也是解决粉煤灰对环 境影响最为根本的途径。随着各行各业对粉煤灰的开发和利用，特别是近几年全 国高速公路的迅猛发展，粉煤灰的利用率越来越高，使粉煤灰“变废为宝”，粉煤 灰在各项工程中的利用，不但使工程造价大大降低，而在节约土地、环境保护方 面的意义将是非常深远的。 1.1.2 粉煤灰的形成和类型 粉煤灰是燃煤火力发电厂把煤粉燃烧熔融后排出的粉末状固体废物。 粉煤灰 又称飞灰， 是一种颗粒非常细以致能在空气中流动并能被特殊设备收集的粉状物 质。我们通常所指的粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤灰在锅炉中燃烧后从烟道排 出、被收尘器收集的物质。简单地说粉煤灰呈灰褐色，通常呈酸性，比表面积在 2500-700om2/g，尺寸从几百微米(10-6m)到几微米，通常为球状颗粒。 虽然粉煤灰绝大多数颗粒形状为球形，而煤粉颗粒形状则不是这样规则。在 很高温度下，煤粉颗粒将发生一系列的物理化学变化。首先煤粉达到熔融状态后 由于表面张力使表面能达到最小，则煤粉颗粒的棱角会收缩使颗粒成为球状，这 些熔化的球状颗粒将会在煤粉燃烧过程中产生的 co、co2、so2和水蒸气中飘 浮。这些颗粒充分燃烧后离开火焰区域后，将会迅速移动到温度较低的区域，然 后淬灭成中空厚壁的球状颗粒。由于 co、co2、so2和水蒸气的存在，这些颗 粒可能与这些气体发生二次反应进行聚合和解聚。这些形状相似的、在排出烟道 过程中被收尘器收集到的粉末，我们就称为粉煤灰。 我国的国家标准 gb1596-91 也主要根据粉煤灰的细度和烧失量对用于作为 混凝土和砂浆掺合料的粉煤灰分为三个等级: i 级粉煤灰:0. 045mm 方孔筛余小于 12%，烧失量小于 5%； ii 级粉煤灰:0. 045mm 方孔筛余小于 20%，烧失量小于 8%； iii 级粉煤灰:0. 045mm 方孔筛余小于 45%，烧失量小于 15%； 3 1.2 国内外研究发展现状 粉煤灰是具有火山灰特性的微细灰， 其粒径范围 0.5200m， 平均粒径 20m 左右。 所谓的火山灰特性是硅酸盐材料经磨细后在一定温度下与 ca(oh)2等碱性 物质反应，形成的生成物不但能在空气中硬化，而且能在水中继续硬化的特性。 粉煤灰作为一种资源，其价值主要体现在这种火山灰活性，粉煤灰的利用主要也 是对其活性的利用，特别是作为建筑材料的原材料3-4。 1.2.1 国外对粉煤灰的运用与发展 基于粉煤灰的上述特性，国外对粉煤灰的开发利用较早，粉煤灰作为掺合料 始于上世纪 30 年代。1935 年美国学者戴维斯首先进行了粉煤灰混凝土应用的研 究，他是粉煤灰混凝土科学技术的先驱。1953 年美国垦务局在建造蒙大拿州马 坝工程中使用了 10 余万吨粉煤灰，取得了改善混凝土性能、节约水泥的优良效 果。20 世纪 50 年代，英国、法国、德国、前苏联、波兰、日本、印度等国在水 利工程中也都使用了粉煤灰。日本国内从 19531968 年共建筑了 27 座粉煤灰混 凝土大坝，取得了很大的经济效益。 从 60 年代开始，美英等国对粉煤灰混凝土的研究和开发，进入了一个新的 发展阶段。他们在所承包的香港地铁工程和东南亚港口工程中，不惜以每吨 65 美元接近于水泥的价格从我国购买粉煤灰掺入混凝土中， 可见粉煤灰在混凝土所 起的重大作用已受到极大的重视。80 年代，粉煤灰己发展成为混凝土的基本组 份，广泛应用于结构混凝土中。 在英国， 从上个世纪六十年代起， 粉煤灰烧结陶粒开始在多个领域得到使用。 粉煤灰烧结陶粒是以粉煤灰为主要原料，预制成球后，在 10001250的高 温下烧结成坚硬的球形颗粒。粉煤灰烧结陶粒由于具有轻质高强、级配合理、表 面坚硬而不利、不可压缩的特性成为首选的紧急制动带表面填充材料。粉煤灰作 为填充料用于路面工程的技术也日趋成熟。在英国多佛港码头的进口道路入口 处、北约克郡的 whiby、hemel hempstead,以及英国的其它地方， 都有采用粉 煤灰烧结陶粒铺设的车辆制动路带。 在曼彻斯特、南安普敦和 southend 的机场 跑道末端,以及 silverstone 赛车环形道的拐弯处,也使用粉煤灰烧结陶粒铺设在紧 4 急制动带路面上5。 美国在 1992 年公开了一项专利, 把矿渣和粉煤灰按 11 比例混合、 细磨, 再掺入不少于 2%的硅酸盐水泥熟料, 加入 10% 左右的水玻璃，制造出 28 天抗 压强度为 31. 541. 5m pa 的碱矿渣粉煤灰水泥。俄罗斯的克拉斯诺雅尔斯克建 工学院等单位也先后开展了碱性粉煤灰水泥的试验研究。研究表明, 用苛性钠溶 液拌和粉煤灰可制造 2050m pa 的碱灰渣胶结料。将粉煤灰、灰渣混合物与石 灰共同粉磨, 并用小苏打溶液拌合, 可制造 1218m pa 的胶结料。将粉煤灰与 碱性冶金矿渣或熟料共同粉磨, 用苛性钠、小苏打或偏硅酸钠类来激发可制造 30m pa 以上的胶结料6。对于碱性粉煤灰水泥的研制也是比较早的。 1.2.2 我国对粉煤灰的运用与发展 我国粉煤灰开发利用始于上世纪 50 年代，主要集中在水泥和混凝土技术开 发试验研究方面，并在工程建设中广为采用。近年来在我国高等级公路建设中， 也大规模地用来处理软弱土层，充分利用粉煤灰的火山灰特性改良地基。今后可 能在交通土建方面是粉煤灰大规模应用的一个主要方向。 我国从 1958 年以来，先后在黄河三门峡、刘家峡、陈村等水泥工程中，使 用粉煤灰混凝土取得了降低水化热、改善性能、节约水泥的良好效果。在工业与 民用建筑中，也已于 20 世纪 50 年代开始使用，如桂林沙河电厂的地下钢筋混凝 土工程掺入原状粉煤灰 1625%, 1956 年在齐齐哈尔钢厂轧钢车间的预制钢筋混 凝土柱中也掺入了 12%原状粉煤灰。 上海市是我国发展粉煤灰混凝土的先进城市， 上海市建筑科学研究院已故教 授高级工程师沈旦申同志是我国粉煤灰混凝土科学技术研究和开发事业的奠基 者之一。早在 20 世纪 50 年代，上海市就开始了粉煤灰混凝土的科学研究，1958 年在上海地下工程中采用了粉煤灰混凝土，80 年代上海市成为全国发展粉煤灰 技术试点城市。1987 年上海市建成了年产 5000t 的磨细粉煤灰中式车间， 1989 年以后又相继建设了几座年产 10 万 t 的磨细粉煤灰厂。 近些年来，粉煤灰应用于处理废气、废水方面的技术也日趋成熟。以热电厂 产生的粉煤灰为主要原料， 通过加入一定量的硫铁矿烧渣和适量的固体nacl， 在 90下用硫酸废液搅拌浸取2.5h，再在300下焙制，得到一种吸附性能优良的 5 吸附剂改性粉煤灰。电镀废水经改性粉煤灰吸附、沉淀处理后，各重金属离 子的去除率达975以上，达到国家排放标准7。粉煤灰比表面积大、多孔,具 有很好的吸附性和沉降作用,能吸附污水中悬浮物、脱除有色物质、降低色度、 吸附并除去污水中的耗氧物质，使得粉煤灰具有较好的除氟能力8。 我国是世界上数一数二的粉煤灰资源大国， 在21世纪的社会建设中要体现资 源的可持续发展战略，就应当继续将粉煤灰的应用置于重要地位。长期以来，粉 煤灰一直被认为是一种占用土地，严重危害环境的工业“废渣”，我国每年直接用 于处理这种工业“废渣”就耗资达数十亿元。随着对粉煤灰日益深入的研究，人们 正逐步认识到粉煤灰不再是一种工业“废渣”，而将其作为一种资源来看待。相比 于其它工业废渣，粉煤灰的利用率与利用水平都不高，主要用作为填充料，特别 在我国，利用率相当低，估计在30%左右(占年排放量)，累积的粉煤灰将近10亿 吨；粉煤灰利用水平也极低，例如用于回填和筑路等，占目前利用量的40%，用 做建材的利用率占35%，也主要是生产烧结粉煤灰砖制品等，粉煤灰代替混凝土 中的细骨料或部分替代水泥，利用率占11%，可见未能充分利用这种资源。 为了将粉煤灰潜在活性激发出来，提高粉煤灰综合利用技术水平，增加粉煤 灰利用量，国内外研究者进行了长期的、大量的研究工作，研究内容主要集中在 粉煤灰活性激发技术及其机理， 同时还有粉煤灰颗粒细度和分布与水化体系强度 的关系、粉煤灰水化反应动力学、粉煤灰活化工艺和粉煤灰对水化硬化体微结构 影响等方面多年来， 国内外的众多学者围绕着粉煤灰化学成分、 颗粒组成的分析， 其物理活性与化学活性以及如何进行活性激发的研究， 粉煤灰的掺入对复合胶凝 材料浆体及混凝土性能的影响等相关课题，开展了大量的研究工作。目前，粉煤 灰混凝土在我国结构中的应用已经较为普遍， 但用于指导粉煤灰利用的理论还仍 然处在众说纷纭的阶段。为了使粉煤灰利用技术有更进一步的提高，在已有的试 验工作基础上， 仍然需要更为细致、 基本以及系统化的研究。 本论文的研究工作， 立足于研究粉煤灰的物理活性与化学活性对复合胶凝材料水化过程及力学性能 的影响比例，期望能够为关于对其活性激发的课题提供基本理论依据。在已经进 行的试验研究中， 大部分的学者侧重于探讨粉煤灰的化学活性及对其化学活性的 激发， 而对于粉煤灰化学活性所起作用相对于其在复合胶凝材料中起到的总体作 用而言，究竟占据多大比例，则研究较少。另外，关于粉煤灰-水泥体系的试验 6 工作，大多是基于与纯水泥体系的比较研究。为了区分粉煤灰物理活性与化学活 性对整个复合胶凝材料体系的影响，本课题尝试采用一种惰性掺合料（其粒度分 布与粉煤灰可比）来替代粉煤灰建立对比体系，希望能够定量评价粉煤灰的物理 活性与化学活性作用，并据此寻求规律性的科学依据。因此，对于进一步明确粉 煤灰化学活性的重要程度以及其活性激发的经济性，本课题研究具有重要意义。 1.3 粉煤灰的资源化利用现状 1.3.1 生产水泥 应用于水泥工业：粉煤灰既可代替粘土作材料，又可作水泥混合材料，还可 生产特种水泥。国外于 50 年代就开始生产粉煤灰水泥，技术和经验都很成熟， 并制定了粉煤灰水泥标准。现在粉煤灰水泥已成为我国五大水泥品种之一。粉煤 灰在水泥工业中的应用，一是用作水泥的掺合料，二是作为粘土组分配料生产水 泥熟料11；用于混凝土掺和料。掺用粉煤灰的混凝土也可用于地下室、水池与公 路路面等工程。荷兰利用粉煤灰研制出了一种无水泥高强度混凝士制品，其材料 抗压强度为 2025mpa，抗冻与耐磨性均达到了令人满意的效果。我国也研制 出了新的混凝土制品，如粉煤灰彩色地板砖；用于生产各种粉煤灰砖。用粉煤灰 代替粘土作为制砖的原料已有 60 多年的历史。由于粉煤灰掺入量最高可达 80 %90 %，因此可以节约粘土、少占用农田和节约燃料。粉煤灰制砖也是我 国用灰量较大的途径之一，品种主要有蒸养粉煤灰砖、粉煤灰泡沫砖和轻质粘土 砖等。还用新型的碳化粉煤灰砖生产工艺，碳化粉煤灰砖是一种“制砖不用泥， 烧砖不用煤，养护不用汽”的新型墙体材料12；粉煤灰同样广泛地运用于筑路、 工程中的回填、提取工业原料和其它建材制品，还可从粉煤灰中回收稀有金属和 制造吸附、过滤等功能性质材料等等。 （一）粉煤灰代替粘土作水泥原料 粉煤灰的主要化学成分同粘土类似，所以可用它代替粘土配制水泥生料，生 产实践表明，粉煤灰水泥的强度(尤其是早期强度)随粉煤灰掺加量的增加而降 低，当粉煤灰加入量小于 25%时强度下降幅度较小，当掺入量超过 30%时，强 度下降幅度增大， 但后期强度却增长较快， 6 个月后可以超过硅酸盐水泥的强度。 7 水泥工业采用粉煤灰配料的优点之一，还可以利用其中的未燃尽碳，经验表 明13， 采用粉煤灰代替粘土做原料可以增加水泥窑的产量， 燃料消耗量也可降低 1617%。 此外，粉煤灰水泥具有如下特性: (1)干缩率比掺其它类型火山质混合材料的水泥要小; (2)有较好的抗裂性能; (3)有较好的抗淡水和硫酸盐的腐蚀能力。 （二）粉煤灰作水泥混合材 粉煤灰是一种火山灰质材料，它本身加水后虽不硬化，但在水热条件下能与 石灰、水泥熟料等碱性激发剂发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物， 所以可用它做水泥的活性混合材。 法国从 1955 年就开始用粉煤灰作水泥混合材， 至 1975 年共在水泥中掺加了 13001500 万吨粉煤灰。据统计，在水泥工业中每掺加 100 万吨粉煤灰便可节 约 12 万吨燃料14。 （三）用粉煤灰生产特种水泥 部分粉煤灰的化学成分和矿物组成适宜于生产特种水泥， 如氧化钙含量较高 的页岩灰就属这种类型。 前苏联在水泥熟料中掺加 30%页岩灰共同粉磨， 生产出 500 号页岩水泥，性能类似矿渣硅酸盐水泥，这种水泥很适于配制装配式钢筋混 凝土及其构件：巴西用质量 50%粉煤灰和 50%优质石灰石配料，烧出熟料，再 掺入质量 50%一 60%粉 煤灰和 2-3%氢氧化钠作碱性激发剂。这种新型粉煤 灰水泥 3 天抗压强度达 250 号，28 天强度达 400 号以上，水化热仅为波特兰的 一半，抗硫酸盐性能也提高了许多15。 1.3.2 在建筑工程方面的应用 粉煤灰用作建筑工程的基本材料是为了节约水泥，降低生产成本和工程造 价； 提高混凝上的后期强度及抗渗性和抗化学侵蚀的能力； 改善混凝土的和易性， 便于泵送、浇筑于振捣；抑制碱骨料反应的不良影响；降低水泥水化热，抑制温 度裂缝的发生与发展；与对泥中的游离氧化钙相化合提高水泥的安定性。 在建筑工程方面的应用主要有粉煤灰用于大体积混凝土、泵送混凝土、高低 8 标号混凝土及灌浆材料等。 粉煤灰用于大体积混凝土这方面研究较多， 孙家顺等在三峡建设工程中对不 同品质的粉煤灰优选和应用展开了研究16： 认为一期工程是非主体大坝， 混凝土 质量要求及控制相对较低，采用二级以上粉煤灰可满足要求，而二期工程是主体 大坝，混凝土质量和大体积温度控制要求很高，所以，必须对粉煤灰的细度、需 水量、钾、钙、钠含量进行控制，为此必须使用一级以上粉煤灰；归树茂17在结 合河南国际经贸大厦箱基、河南保险大厦桩基乘台等工程实践基础上，研究了粉 煤灰对大体积混凝土基础内部温度的影响变化规律，变化规律为：升速快，降 速慢；混凝上入模后温度呈上下跳跃状态，其持续时间为 3. 55d，在这段时 间内往往反复多次才趋于稳定，达到稳定期后温度不再是上下跳跃，而是缓慢下 降，直至平稳。 用粉煤灰配制高强混凝土这方面的研究也较多。杨静、覃维祖等人系统地研 究了粉煤灰对高性能混凝土强度的影响18。研究表明：(1)在水胶比较低的条件 下， 掺入粉煤灰对水泥胶砂强度的影响不明显， 当水胶比为 0.35 以下时， 掺 30% 粉煤灰的胶砂试件强度比(与同等条件下不掺粉煤灰时的强度相比)可达 0.95 以 上，而且能大大改善混凝土的工作性能和结构密实程度，降低水化热；(2)不同 种类、级别的粉煤灰，对高性能混凝土强度的影响程度不同，但优质灰和一级灰 相比，没有太大差别；(3)粉煤灰掺量在 3050%的范围时，随着掺量的增加， 混凝土的强度有所下降，但水胶比的影响更明显，在保证流动性的前提下适当降 低水胶比，即使是二级灰，掺量在 50%时，混凝上的 60d 强度也能达到 60mpa 以上；(4)掺粉煤灰高性能混凝随龄期的延长呈增长趋势。掺入粉煤灰不仅可减 少水泥用量、降低水化热，不但提高了和易性，而且提高混凝土抗渗性能和抗腐 蚀能力。 1.3.3 用于道路工程 在路用混凝土工程中， 加入粉煤灰和专用减水剂， 配制成粉煤灰水泥混凝土， 不但可以节约水泥， 而且可以提高混凝土的强度和耐磨性。 对软弱地基和膨胀土， 可将粉煤灰和石灰等加入路基土中，可有效地改善路基的工程性质。 在道路工程中的应用主要有粉煤灰、石灰石稳定路面基层，粉煤灰沥青混凝 9 土，粉煤灰还用于护坡、护堤工程和刚粉煤灰修筑水库大坝等。杨应信结合甘肃 省中川高速公路路面基层的研究表明19：(1)粉煤灰、石灰二合灰土的强度随龄 期的增长而增长，且后期强度增长很快，在配比为石灰 8%、粉煤灰 24%、压实 度 93%的情况下，其 7 天的抗压强度为 0.685mpa，而 28 天的为 7 天的 5.75 倍， 180 天的为 7 天的 9.32 倍；(2)二灰土强度随石灰、粉煤灰剂量的增加而增加， 并且随龄期而增长;(3)不同压实度对二灰土的强度有较大的影响，其强度随着压 实度的增减而增减;(4)路基整体强度高，水稳性好，压缩性小，分散荷载能力强， 且早期出现的干缩和温缩裂缝有一定的自愈合能力。上海的沪嘉、萃松高速公路 及河北省石安高速公路等也都大量地使用了粉煤灰修筑路堤。 而侯浩波在对粉煤 灰的力学性能(包括击实性、抗剪强度、渗流特性、抗冻性等)研究之后20，提出 用固化剂固化粉煤灰作为灰坝筑坝材料，其性能优于粘性上料，达到并超过用 10%水泥固化粉煤灰的性能。美国在纽约机场的扩建工程中推广应用粉煤灰，他 们研究出一种硝石灰、 水泥、 粉煤灰和砂的混合材料， 用来铺筑飞机跑道的底层， 这种材料的后期抗压强度达到 140170kg/cm2，据报告，76cm 厚的硝石灰、水 泥、粉煤灰和砂的混合材料销筑跑道地层承重能力相当于 40cm 厚波兰特水泥混 凝土层或厚在 150cm 以上的沥青混凝土层的承重能力，在承重能力相等的条件 下，沥青混凝土地层每平方米成本 14.5 美元，而粉煤灰混合料仅为 8.59 美元。 1.3.4 农业上的应用 在农业上的应用主要为：(1)直接用粉煤灰作肥料来改良土壤，(2)用粉煤灰 制成磁性肥料、复合肥料及磁性复合肥料。 粉煤灰直接用作肥料主要利用的是其对农作物生长有益的元素和能够改善 土壤物理性质的结构特性， 纽约州立大学 malanchuk 教授的研究表明21： 在温室 条件下，每公顷施用 224 吨粉煤灰，莲藕产量显著增加，元素分析表明，植株中 钙、镁、钠的含量没有明显增加，钾的浓度在第一季度有所下降，而在第二季度 增加了 1 %3%，硼、锌浓度随粉煤灰施用量的增加而增加，锰浓度则随粉煤 灰施用量的增加而减少。 用粉煤灰改良砂质土壤后， 对土壤磷的解吸试验表明22： 对磷的最大吸附量发生在高用量粉煤灰改良的土壤上；由于粉煤灰富含硼，是油 料作物的良好肥源，生长在粉煤灰改良的土壤上，花生、大豆的产量及品质均有 10 明显提高23 24。另外粉煤灰同腐植酸结合施用，可以提高土壤中有效硅 的含量，吉林农科所在三种土壤上种植水稻，每公顷施粉煤灰 22.530 吨，土 壤有效硅含量由 1.07、0.52、1.4mglkg，分别提高到 1.9、2.0、7.4mg/kg。针对粉 煤灰中有害成分(cd.hg, s, cr, pb)对农作物的影响，徐红的研究表明25：有害成 分的含量与农田土壤背景值相关不大， 施灰土壤中的有害成分与粉煤灰用量不存 在线性关系，即适量施用粉煤灰不会造成土壤的污染，施灰田作物的有害成分含 量与对照田在相近范围内波动，没有明显富集，且远远低于国家标准的限定值。 在粉煤灰肥料方面，粉煤灰磁化肥是通过使粉煤灰磁化，增强其肥效，降低 用量，从而达到农作物增产目的。其机理是通过改善土壤化学作用，提高微量元 素的溶解性和刺激植物的酶系统发生变化来促进有机物的分解和微生物的繁殖， 有利于农作物的生长，提高其产量。而粉煤灰复合肥料是通过在粉煤灰中掺加一 定量的对植物生长有促进作用的成分，并通过一定的加工，将其制造成有效成分 含量高、 肥效好的肥料， 通过化学反应使粉煤灰与掺加成分生成具有缓释能力的、 含有磷、钾或氮等矿物。粉煤灰磁性复合肥料集复合与磁化于一体，施于土壤后 通过化学反应，新形成的矿物富含氮、磷、钾以及各种对植物生长有益的微量元 素，在植物生长过程中可以缓慢地将这些有用成分释放出来，被农作物吸收。 1.3.5 在处理污水中的应用 主要是利用粉煤灰在酸性条件下，其中的铝、铁离解成为无机混凝剂，它与污 水混合时，铝离子和铁离子将污水中的悬浮物粒子絮凝、相互捕获而共同沉降下 来，完成污染物、悬浮物与水的分离，使得水质清澈透明。同时由于粉煤灰是高 温燃烧的产物，具有活性，形成过程与活性碳的制作过程相似，同样具有较大的 比表面积，其比表面积达 27003500cm2/g，因此它与活性碳一样具有吸附污水 中悬浮物、脱去污水中的有色物质、降低色度、吸附并能除去污水中的耗氧物质 的作用。郑礼胜、王士龙等人研究了用粉煤灰处理含铬废水26，结果可以除去废 水中 99%以上的三价铬离子， 若对六价铬离子还原成三价则效果同样很好； 董树 军、何凤鸣等人研究用粉煤灰处理生活污水27，孙剑良、于衍真、李国忠等人研 究用粉煤灰处理造纸厂和制革厂的污水28 29，邵颖、刘维屏、王青清等人研究 了用粉煤灰吸附酸性艳绿 g