（环境工程专业论文）武汉市洪山乡葛化电厂高钙粉煤灰研制加气混凝土砌块的研究.pdf

摘要 随着经济的迅速发展，我国燃煤使用量日益增大，已经成为目前世界一 次性耗煤最多的国家，随之而来的副产品一“粉煤灰”的排放量也急剧增加， 为了保护人类的健康和生活环境，达到环境效益与经济效益的双赢，研究粉煤 灰的利用具有较高的现实意义，如何有效回收利用粉煤灰已经成为当今的热 点问题。 武汉市洪山乡吕墩村拟采用葛化电厂粉煤灰生产加气混凝土制品，但葛 化电厂粉煤灰因其性质的特殊性，未达到国家硅酸盐制品用粉煤灰的标准， 利用该粉煤灰生产加气混凝土制品存在一定的困难。因此，吕墩村委托武汉 理工大学资源与环境工程学院在实验室用该电厂粉煤灰研制合格的加气混凝 土制品，并对生产的可行性进行分析。 本研究是基于这一实际项目的应用型研究，通过该电厂粉煤灰的成分分 析，发现其烧失量很高，而活性成分s i o ：偏低，针对该电厂粉煤灰的特点，并 结合国内外一些较成熟的理论，在实验室主要采用磨细粉煤灰和掺入高硅材 料的试验方法研制合格的加气混凝土制品。经过大量的试验，最终得出生产 合格制品的方案，并且通过x r d 与s e m 等辅助方法对利用葛化电厂粉煤灰 生产加气混凝土制品作了一定的微观测试分析，探讨了制品的强度形成机理 及反应进程。 最后结合斌验研究的结果作经济性分析，建议洪山乡吕墩村不能仓促建设 加气混凝土生产线，可考虑利用该粉煤灰生产粉煤灰砖或建议电厂改善锅炉 燃烧系统及收尘系统，达到经济效益与环境效益的双赢。 关键词：粉煤灰加气混凝土 a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ec o a la r eu s e dm o r ea n dm o r e i n c r e a s i n g l yi no u rc o u n t r y ，n o ww e u s ec o a lb yo n et i m ei st h em o s ti nt h ew o r l d ， s ot h el e tq u a n t i t yo f b y p r o d u c t - f l ya s h ”a r es h a r pi n c r e a s i n g ，f o rp r o t e c t i n gt h e h e a l t ha n dh a b i t a t i o no fh u m a na n dg e t t i n gt h ew i n - w i no fe n v i r o n m e n t a la n d e c o n o m i c a lb e n e f i t ，r e s e a r c hf o ru t i l i z i n gf l ya s hh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e h o w t ou s i n gf l ya s he f f e c t i v e l yi st h eh o t s p o tn o w a d a y s l v d u nv i l l a g e ，h o n g s h a n ，w u h a np l a n e dt op r o d u c ea e r a t e dc o n c r e t eb y u s i n g t h ef l ya s ho f g e h u ap o w e r p l a n t ，b u tb e c a u s eo f t h ep a r t i c u l a r i t yo f t h ef l ya s h ，i t d o e s n ta c c o r dw i t ht h es t a n d a r do f u s i n gf l ya s ht op r o d u c es i l i c a t ep r o d u c t s o l v d u nv i l l a g ee n t r u s t e dr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n ts c h o o lo fw u h a n u n i v e r s i t y o ft e c h n o l o g yt o d e v e l o pe l i g i b l e a e r a t e dc o n c r e t eb yu s i n gt h e f l y a s ha n d a n a l y z et h ee c o n o m i cf e a s i b i l i t yo f p r o d u c t s t h i sr e s e a r c hi sf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec o m p o n e n t o f t h e f l ya s i a ，w ek n o w t h a ti th a sa h i g hl o s sq u a n t i t ya f t e rb u r n i n g ，b u th a sal o w q u a n t i t yo fa c t i v es i 0 2 ，a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i co fi ta n dc o m b i n e ds o m e m a t u r et h e o r yo f o u rc o u n t r ya n do t h e rc o u n t r i e s ，w em o s t l y a d o p t e dt w om e t h o d s t od e v e l o pa e r a t e dc o n c r e t ei nt h el a b o r a t o r y t h r o u g h p l e n t i f u lo f e x p e r i m e n t a t i o n ，w e o b t a i n e dt h ew a yo f p r o d u c i n gq u a l i f i e da e r a t e dc o n c r e t ea tl a s t t h e nw em a d e s o m em i c r o c o s m i ct e s ta n a l y s i sf o ra e r a t e dc o n c r e t eb ys e ma n dx r d ，d i s c u s s e d t h ef o r m i n gm e c h a n i s mo f i n t e n s i t ya n d t h ec o u r s eo fr e a c t i o n f i n a l l yw ea n a l y z e dt h ee c o n o m i cf e a s i b i l i t yw i t ht h et e s t i n gr e s u l t ，a d v i s e d l v d u n v i l l a g en o tt ob u i l dp r o d u c tl i n eo fa e r a t e dc o n c r e t eh u r r i e d l y t h e yc a n c o n s i d e rp r o d u c i n gb r i c kb yu s i n gt h ef l ya s ho ri m p r o v i n gt h eb u r n i n gs y s t e m a n dd u s tc a t c h e rs y s t e mo fg e h u ap o w e rp l a n t ，t h e yc a ng e tt h eb e n e f i to f e n v i r o m n e n ta n de c o n o m y t h r o u g ht h er i g h tw a yp r o b a b l y k e y w o r d s ：f l y a s h ，a e r a t e dc o n c r e t e y 6 7 4 3 99 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成桑，也不 包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一回工作斡同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：2 虱垒壶日期趁型：缱：f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 断：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查酒和倍阏；学 校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：故导师签名：陋日期立划 注：请将此声明装订在论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 资源、环境与发展是当今社会瞩目的问题，资源综合利用的程度是反映人 类文明程度和科技发展水平的重要指标。随着科技的进步，“工业废渣一粉煤 灰”这种昔卜1 的废物如今在各行各业都得到了广泛的应用。对粉煤灰的综合 利用不仅可以节地、利废，减少对环境的污染，而且又能够实现资源优化配 置，获得较好的经济效益和社会效益，把绿色环保真正落到实处。 随着我国经济的不断发展，对电力和热力的需求不断增长，现在全国火 电装机容量已达2 k w 以上，伴随着电力和热力工业的发展，粉煤灰排量也 日益增加，现在每年的排量达到1 6 亿吨之多，如不利用，其堆置用地至少 达到2 万亩以上 l 、“。粉煤灰堆场流出的废水，污染农田；渗入地下，污染地 下水；扬起粉尘，污染空气。粉煤灰是固体废料，但也是宝贵的资源，不对 其进行适当的处理利用，必然会造成资源浪费及环境污染。实践证明，从资 源化的角度来看待粉煤灰，对其进行综合利用，使粉煤灰的自身性能得到加 强与改善，兜全可以变废为宝，成为排灰单位的一种副产品。这样，不仅会 很好的减轻长期以来给社会与环境带来的沉重负担，还可以优化能源，节省 资金，产生一定的经济效益。现今，粉煤灰的综合利用已受到全社会的广泛 关注。 1 1 粉煤灰综合利用现状 粉煤灰组份中，几乎全部为有用材料成分，作为种资源，粉煤灰的用途 日益广泛，利用率也在不断地提高，一些发达国家粉煤灰资源化率相当高，如 荷兰达到1 0 0 ，意大年1 1 9 2 ，丹麦9 0 ，比利时7 3 。我国早在1 9 8 8 年1 月 1 3 日，就 = _ | 国家经贸委、国家计委、财政部、城乡建设环境保护部联合发出 了关于进步开展煤矸石、粉煤灰综合利用的通知，自此我国政府直大 力支持发展粉煤灰的综合利用技术，已将粉煤灰综合利用技术列为重点推广 应用的十项新技术之一。| | - 2 1 1 1 1 粉煤灰在环境治理方面的应用 ( ) 利用粉煤灰进行废水治理j 卜8 i 亟堡堡圭盔主皇墨主望堡堡墨 一 粉煤狄比表面积较大，其表面上的原子力均不饱和，存在着一定的表面 能。当粉煤灰与工业废水接触后，能够去除废水中的b o d 、c o d 、色度等，直至 达到吸附平衡为止。另外，粉煤灰中含有的沸石、碳粒具有交换特性和很强的 吸附脱色作用。它可制成絮凝剂，高分子筛和过滤介质等，对造纸、电镀、印 染、中草药等行业产生的废水( 含氟、酚、铁、油、铬、铜) 具有一定的净化 作用，还可利用不n p h 值的粉煤灰处理酸性和碱性废水。国外的研究证实，粉 煤灰还可有效去除富营养型湖泊表层水和间隙水中的磷酸酶。i 剐 ( 二) 利用粉煤灰进行废气治理 粉煤灰因含有较多的碱性物质，是一种优良的低浓度s 0 2 烟气脱硫吸附剂 本身还可吸附大气颗粒物；用c a ( o h ) 2 来改性粉煤灰制得的吸附剂比表面积增 大许多倍，可用来处理s 0 2 。现在用这种改性粉煤灰来脱硫的成熟工艺有美国 的a d v a c a t e u 同本的l i l a c i 艺，我国难在研究与开发中。| _ l 1 1 2 粉煤灰在农业方面的应用 粉煤灰的农用具有投资少、用量大、需求平稳、潜力大等特点，是适合我 国国情的重要综合利用途径。目前，我国粉煤灰的农业应用研究主要是粉煤灰 的改土效果和肥料价值。 ( 一) 利用粉煤灰改善土壤1 1 1 j 作为一种农用资源，粉煤灰可直接用作土壤改良剂，粉煤灰中的硅酸盐矿 物和碳粒具有多孔性，是土壤本身的硅酸盐类矿物所不具备的，将粉煤灰施入 土壤，能进一步改善土壤的毛囊血管作用和溶液在土壤内的扩散情况，从而调 节土壤的湿度，有利于植物根部加速对营养物质的吸收和分泌物的排出，促进 植物的生长。粉煤灰掺入粘质土壤，可使土壤疏松，粘粒减少，砂粒增多；渗入 盐碱土，除土壤变得疏松外，还有抑碱作用。粉煤灰具有的灰黑色有利于吸收 热量，一般加入土壤可使土层温度提高1o c 2 。c ，有利于生物活动、养份转化 和种子的萌芽，合理施用符合农用标准的粉煤坎对不同土壤都有增产作用。 ( 二) 利用粉煤灰生产复合肥 粉煤驮可以改善土壤的p h 值和化学成分，利用粉煤灰、粪便和生活垃圾， 可以生产无害全营养复合肥料，既能解决我国无机化肥和微肥品种少，营养不 全，造成土壤板结、碱化、营养失调及农作物变异的矛盾，又能解决有机肥肥 效低和造成环境污染的突出难题。磁性复合肥是用粉煤灰为主要原料按科学 2 武汉理j ：大学硕士学位论文 配方加入适量添加剂，经特殊磁化处理的复合肥，含有n 、p 、k 和s i 、b 、f e 、 c a 、m g 、z n 、m n 、c u 等多种元素，为深灰色粉状肥料，是国内独创工艺，称之为 中国磁化肥。磁性复合肥作为专用肥料，不仅能提高肥效，改良壤可耕性，而 且能增强作物的光合作用和呼吸功效，提高作物抗早抗灾性。可用于水稻、小 麦、油菜、花生等多种粮食作物和经济作物，可适用于有水、黄褐土、砂姜黑 土和质地粘重的偏酸性土壤，其施肥效果明显，与普通磷肥比较，在大豆、蔬 菜、油菜等品种施用能增收1 0 。1 4 1 1 1 t 3 粉煤灰在建筑材料方面的应用 就目前的利用现状来看，粉煤灰在建筑材料方面的应用，是最主要的利 用方式，也是提高粉煤灰资源化的根本途径。 ( 一) 利用粉煤灰生产改性水泥 粉煤灰具有和粘土相类似的化学成分，它可以代替粘土组份进行配料生 产水泥。已研制出硅酸盐水泥、硅酸三钙水泥、硫酸铝酸钙水泥、低比重油 井水泥、早强型水泥。有的粉煤灰掺量可达7 5 。由于粉煤灰中含有一定量的 未能燃烧的碳粒，所以用粉煤灰配料还能节省燃料。粉煤灰细磨后保持了优质 粉煤灰的需水量小、可泵性高的特点，而且活性提高，在适当的掺量范围内， 后期强度可持续高速增长，改善水泥和混凝土的结构，提高混凝土的强度q 。 已研制出技术性能优良、价格低廉的高强耐磨粉煤灰混凝土代替硅粉混凝土， 作为水利水电工程的护面材料。 ( 二) 利用粉煤灰生产墙体材料 目前我围墙体材料工业还比较落后，产品中9 5 是实心粘土砖，毁坏了大 量的农田，破坏了生态平衡，造成了资源的浪费。以粉煤灰为主要原料，水泥 为胶凝材料，配以外加剂，经发泡剂发泡而成的新型墙体材料，如( 蒸制粉 煤灰砖、烧结粉煤灰砖、生产蒸压泡沫粉煤灰保温砖、粉煤灰硅酸盐砌块、 粉煤灰加气混凝土等) 具有重量轻、导热系数小、抗冻性高以及粉煤灰掺量 大、成型方便、工艺简单等特点，可以取代粘土砖，广泛应用于建筑行业。 其中粉煤狄加气混凝土便是我国大力倡导的墙体材料之一。 1 2 粉煤灰加气混凝土简介卜2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 定义及分类 ( 一) 定义 粉煤狄加气混凝土是以钙质材料和粉煤灰为基本组份，以化学发气方法 形成多孔结构。通过蒸压养护获得强度的轻质人工石材。从宏观物理组成看， 它大量的细小均匀的气孔结构说明它属于多孔混凝土类：从它的基本组成 材料和这些材料之间的水化反应及生成物来看，它属于硅酸盐混凝土；从它 获得强度的方法来看，它是蒸压养护制品；从它的多孔结构形成的方法来看， 它属于材料组份之间通过化学反应产生气体即所谓“加气”，而不是外加泡 沫。因此，粉煤灰加气混凝土是一种以粉煤灰为主要原料、采用特殊化学发 气形成多孔结构的蒸压多孔硅酸盐混凝土。 ( 二) 分类 按基本组成材料分为：石灰一粉煤灰加气混凝土和水泥一石灰一粉煤灰 加气混凝土。 按制品烘干后单位体积的质量( 干体积密度) 分为六个等级：即3 0 0 、 4 0 0 、5 0 0 、6 0 0 、7 0 0 和8 0 0 。目前我国主要生产5 0 0 、6 0 0 级的制品。6 0 0 级 制品以承重为主，兼作保温；5 0 0 级制品可作某些承重材料，也可作保温用。 有的工厂工f 在开展4 0 0 或3 0 0 级的保温制品的研制。 按使用功能分为：砌块一墙体砌筑材料；屋面板屋面受弯构件；墙板 一作为内外墙使用的板材：拼装大板一为便于机械化施工，将墙板拼装而成 的大型板材。 1 2 2 技术经济特点 粉煤灰加气混凝土具有一系列优点，主要是： ( 一) 重量轻 加气混凝土的干体积密度一般为4 0 0 7 0 0 k g m 3 ，相当于黏土砖的1 3 左右，普通水泥混凝土的1 5 左右，也低于一般轻骨料混凝土。因而采用加 气混凝土作墙体屋面材料可以大大减轻建筑物自重，进而也就可以减少建筑 物的地震力，减小建筑物基础、梁、柱等结构尺寸，可以节约建筑材料和：r = 程费用。 ( 二) 保温眭能好 由于加气混凝土内部含有大量气泡和微孔，因而具有良好的绝热性能。 4 武汉理工大学硕士学位论文 干体积密度为4 0 0 7 0 0 k g m 3 的加气混凝土其导热系数通常为0 0 9 o 1 7 w ， ( m k ) ，绝热能力为黏土砖的3 4 倍，为普通混凝土的4 8 倍。实践证 明，我国北方地区用2 0 c m 厚的加气混凝土外墙，其保温效果与4 9 c m 的粘土 砖墙相当，从而增加了建筑物的使用面积，节约了采暖用煤。在炎热地区使 用加气混凝土的意义在于节约了夏季空调降温的能耗。 ( 三) 具有可加工性 加气混凝土不仅可以在工厂内生产出多种规格，还可以像木材样进行 锯、刨、钻、钉，因而能在使用现场根据实际需要进行再加： ：，十分方便。 ( 四) 粉煤狄使用率高 一般粉煤灰加气混凝土原料配方中，粉煤灰用量为6 0 ，高可达到7 5 8 0 ，可以有效地实现粉煤灰的综合利用。 ( 五) 符合可持续发展的基本要求 根据现代企业的要求，环保、能耗和效率是一种产品能否可持续发展的 关键因素。粉煤灰加气混凝土在生产中有如下基本特点：一是主要加工过程 都是在掺水的状态下进行的，没有粉尘飞扬，更没有有害物质排出，对环境 不造成污染；二是生产效率高，我国目前一个中等规模的加气混凝土厂，人 均实物劳效可达6 0 0 m 3 ( a 年) ，比同样规模的砖厂商2 3 倍，而现代化的 加气混凝土厂，人均实物劳效可达2 0 0 0m 3 ( 人年) ：三是生产耗能低。 ( 六) 经济效益好 由于上列优势，粉煤灰加气混凝土市场广阔，产品畅销。目前，国内主 要粉煤灰加气混凝土生产企业无亏本。 1 3 国内外煤灰加气混凝土的发展动态l l 2 6 罐 1 3 1 国外粉煤灰加气混凝土的发展历史与现状 早在古岁马时代，人们就已经将多孔石材用于寺院的墙壁和园顶，以减 轻建筑物的自重。混凝土作为一种人造石材问世以后，学者们就力求在其中 混入气泡咀减轻其自重，如何产生气泡成为争相研究的课题。1 8 8 9 年，捷克 人霍夫曼取得了用盐酸和碳酸钠通过化学反应产生气体以生产加气混凝土的 专利。1 9 】9 年，德国柏林人格罗沙海用金属粉末作发气剂，生产出质量较高 的加气混凝：卜，但生产过程不稳定。1 9 2 3 年，瑞典人埃罩克森取得了以铝粉 武汉理工大学硕士学位论文 为发气剂的生产技术并取得了专利权。这种发气剂产生气量大，所产生的氢 气在水中溶解量小，故发气效率高，发气过程比较容易控制，铝粉资源也比 较丰富，从而为加气混凝土的大规模工业化生产提供了重要的技术条件。此 后，随着人们对加气混凝土工艺技术和生产设备的不断改进和创新，工业化 生产时机日蕊成熟，终于在1 9 2 9 首先在瑞典建成了世界上第一座加气混凝土 厂，其产品很快在瑞典及北欧气候寒冷地区得到广泛应用，被誉为“建筑物 的寒衣”。 现在世界上已有4 0 多个国家生产加气混凝土，遍布寒带、温带和热带， 尤以德国、俄国、波兰、瑞典、日本最为发达。但是，在国外生产加气混凝 土多以磨细砂为硅质原料，这是因为这些国家以煤为燃料的电厂极少，有的 国家即使有燃煤电厂，其粉煤灰并非废料，而有比生产加气混凝土更大的价 值，唯有波兰和俄罗斯等因煤产量高、燃煤电厂很多的国家才以粉煤灰作为 加气混凝土的主要原料。其中，波兰粉煤灰加气混凝土工业最为发达，年产 量达1 5 0 万n 1 。以上，他们创造了自己独特的适于粉煤灰加气混凝土生产工艺 技术和成套设备，其专利名称统称为乌尼泊尔( u n i p o l ) 。波兰的粉煤灰加气 混凝土工厂贻建于1 9 6 2 年，在吸收消化了德国和瑞典的以砂予为硅质原料的 加气混凝土生产技术的基础上，通过创新形成了自己独特的专利技术，其产 品在工业与民用建筑中广泛使用，为全世界特别是为我国加气混凝土工业的 发展起到了示范作用。 1 3 2 我国粉煤灰加气混凝土的发展状况与前景 1 9 5 8 年，原建工部建筑科学院开始研究以粉煤灰为原料的加气混凝土生 产技术，1 9 6 2 年起，该院与北京市有关单位合作进行了中间试验，研制了少 量加气混凝土制品。1 9 6 5 年，原国家建筑材料工业部主持引进瑞典西波列克 斯( s i p o r e x ) 加气混凝土专利技术和成套技术设备，并于1 9 6 7 年建成了 以水泥一矿渣一砂为主要原料的北京加气混凝土厂。该厂虽然不是以粉煤灰 为主要原判，但是由于其产品在广泛应用的过程中充分体现了优越的技术经 济特性，在社会上为加气混凝土树立了良好的声誉，为粉煤坎加气混凝在 中国的发展打开了通道。加之，粉煤灰加气混凝土和矿渣一砂加气混凝土虽 然原料不同，但是反应机理、工艺条件和生产装备等都是基本相通的，因此 瑞典西波列兜斯( s i p o r e x ) 技术对我国粉煤灰加气混凝土工业的发展超到 6 堕堡垄! 二点堂堡堂焦丝塞 一一 了示范作用。1 9 7 4 年，当时的国家建委系统的辽宁工业建筑设计院( 原名东 北工业建筑设计院，现名中国建筑东北设计院) 设计了中国独特的翻转切割 机及其相关的成套加气混凝土技术装备，并与哈尔滨加气混凝土厂合作进行 了试制和试生产，经当时的国家建筑材料工业部进行技术鉴定后，由陕西玻 璃纤维机械制造厂( 生产切割机组及相关设备) 和常州建材机械厂( 生产蒸 压釜及相关殴备) 进行批量生产，为我国粉煤灰加气混凝土的发展创造了技 术装备条件。1 9 8 0 年，利用上述国产成套技术装备建设的我国第一家大型粉 煤灰加气混凝土厂一武汉市硅酸盐制品厂加气混凝士车间建成投产，该厂设 计年产量1 0 万m 3 ，在工厂没有扩建，只对原设备进行技改挖潜的情况下， 1 9 9 9 年年产量达到2 3 万m 3 ，说明原设计是成功的。该厂投产2 0 多年来， 不仅处理了大量武汉青山电厂的湿排粉煤狄，为武汉市的城市建设提供了一 种轻质高强的新型建筑材料，而且连年盈利，成为武汉市的明星企业，向社 会展示了粉煤灰加气混凝土工业的蓬勃生命力。为了进一步提高我国粉煤灰 加气混凝土工业的技术水品，学习国外的先进生产技术和先进应用经验，1 9 8 1 年，由当时的国家建筑材料工业部主持在北京市、杭州市、齐齐哈尔市引进 波兰乌尼泊尔( u n i p o l ) 技术建成了三个大型粉煤灰加气混凝土厂，将我 国加气混凝土工业的发展推向了一个新的高度。在发展生产技术、扩大生产 的同时，我国大力开展了产品应用技术的研究工作，建成了许多实验性建筑， 制定了设计施工规范，为产品的推广应用提供了强有力的技术支持。对于粉 煤灰加气混凝土材料性能的研究，从2 0 世纪5 0 年代开始，当时的建工部建 筑科学研究院和北京市建筑材料科学研究所，后来的河南建筑材料工程科学 研究所和q i 幽建筑材料科学研究院都进行了系统的工作，制定和多次修订了 产品标准，对粉煤灰加气混凝土的发展起到了良好的指导作用。 目前，我国粉煤灰加气混凝土行业已经达到了相当大的规模，走在了世 界的前列，但是仍然具有很大的发展潜力。这是因为现在的发展很不平衡， 除北京、武汉、兰州、郑州、济南、南通、东莞等几个城市外，其他城市发 展很慢，最能显示其保温性能的东北地区近几年几乎处于停滞状态，而在广 大农村则几乎是一片空白。而且即使是在发展规模较大的城市，如北京等， 粉煤灰加气混凝土的优越性也没有充分发挥。加气混凝土是集承重和绝热为 一身的多功能材料，根据目前国家的标准，唯有使用加气混凝土，刁。能做到 单一材料达标( 节能5 0 ) 的要求。而其他任何材料要做到节能5 0 ，必须 塞堡堡三查堂堡主堂焦丝塞 进行复合处理，如承重空心砖、混凝土小型空心砌块、钢筋混凝土现浇墙体 等等，都必须与聚苯乙烯等保温材料复合才能解决绝热和节能问题。而复合 墙体施工复杂、工期长、造价高。随着中国经济的迅速发展，国家对建筑质 量和节能要求的不断提高，只要搞好粉煤灰加气混凝土的科技创新，更有效 地利用各种品质的粉煤灰，粉煤灰加气混凝土一定会具有广阔的市场前景。 1 4 本论文研究的内容、目的和意义 1 4 1 本论文研究的内容、目的 借鉴国外的先进经验我国对粉煤灰的综合利用研究已取得了较大的进 步，其利用途径已多达4 0 余种，现主要应用于建材行业。粉煤灰加气混凝土 作为一种能耗低、环保型的建筑材料，是我国政府鼓励使用的新型墙体材料。 洪山乡葛化电厂每年排放数1 0 万立方米的粉煤灰而未能利用，对周围环 境产生了较大的影响，也是一种较大的浪费，但一直未能找到经济有效的利 用途径。洪山乡吕墩村打算以葛化电厂粉煤灰为主要原料，投资l o o o 万建设 加气混凝土生产线，期望收到良好的经济效益和社会效益。 本研究便是在上述背景下进行的，根据与洪山乡吕墩村签订的协议，本 研究的目的是在已有的生产粉煤灰加气混凝土的理论与经验指导下，在实验 室利用葛化电厂粉煤灰研制合格的加气混凝土制品，并对生产该制品的可行 性进行分析。 试验发现采用常规的方法，生产的制品强度极低，很难达到合格品的要 求。对葛化电厂粉煤灰的性质进行分析，发现其品质低劣，烧失量很高，而 活性成分s i 0 2 含量较低，提高该粉煤灰的活性是生产合格加气混凝土制品的 关键，针对这一问题并结合实际生产的方便与可行等因素，我们采用了磨细 和掺入高硅材料的试验方式来研制加气混凝土制品，试验过程中，我们做了 2 0 0 多个试样，最后在实验室研制出合格的制品，结合x r d 和s e m 对试样 进行了微观测试分析，探讨了选用合理的试验方案，利用葛化电厂粉煤灰生 产出合格加气混凝土制品的原因及制品的反应进程与强度形成机理。并对利 用陔粉煤扶生产加气混凝土制品的经济性做了简要分析。 武汉理j ：大学硕七学位论文 1 4 2 本论文研究的意义 本论文是一种应用型研究，在试验中要考虑经济可行性，通过本文的研 究，为葛化电厂粉煤灰的利用摒除了不经济的方案，并提出了一定的建议。 本研究是利用葛化电厂湿排高钙粉煤灰( 文中不特别注明均指湿排粉煤 狄) 制作加气混凝土制品。由于各地的粉煤灰性质、组成不相同，在利用粉 煤灰生产建材制品时，均需要经过试验研究分析，才能提出合理的方案与建 议。利用葛化电厂粉煤灰生产加气混凝土制品的研究，所采用的试验及分析 方法具有普遍性，对粉煤灰加气混凝土的生产研究具有一定的指导意义，对 粉煤灰生产加气混凝土的理论研究也有一定的参考作用，对粉煤灰综合利用 的发展可起到积极的作用与意义。 9 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章粉煤灰加气混凝土结构形成机理研究及主要原料 作用分析 2 1 粉煤灰加气混凝土的结构1 9 粉煤灰加气混凝土是一种多孔硅酸盐混凝土。它是由钙质材料与粉煤灰 中的硅质和锅质成分在水热处理过程中生成的一系列水化产物、由铝粉发气 所形成的气孔结构及未反应完的原料颗粒共同组成的一个统一体。这种结构 由料浆浇注、静停和蒸压养护等生产工序所发生的化学反应和物理变化而形 成的。粉煤灰加气混凝土的结构分为孔间壁结构和气孔结构。 2 1 1 粉煤灰加气混凝土的孔问壁结构 ( 1 ) 水化产物 加气混凝土的水化产物主要是不同结晶度的托勃莫来石、c s h 凝胶 和水化石榴予石。 ( 2 ) 未反应的材料颗粒 在孔问壁材料中，除水化产物外，还有一定数量的未反应颗粒，水化产 物为胶结料，未反应颗粒可为骨架，增加定的强度。 ( 3 ) 孑l 间壁内的孔隙 孔间壁的孔隙分为两类：一类是毛细孔，孔径在几十微米至i o o a 之间， 体积约占总体积( 体积密度为5 0 0 k g m 3 时) 的3 0 左右；第二类为胶孔，孔 径在1 0 0 j , 以下，这类孔的体积只占总体积( 体积密度为5 0 0 k g m 3 ) 的1 。 毛细孔率列强度有一定的影响，其关系可用b a l s h i n 公式表示： r d 、， 吼= g o 【引- - 1 ” 式中： q 一有毛细孔的密实试体的强度：吼一没有孔的试体的强度 吐一密实试体的体积密度；甜一相对密度：n 对粉煤灰密实试件，疗“1 9 。 1 0 丛堡堡三盔堂堡主! 兰鱼鲨塞 2 1 2 粉煤灰加气混凝土的气孔结构 体积密度为5 0 0 k g m 3 的粉煤灰加气混凝土，其气孔体积约占总体积的 4 9 ，孔形为球形，孔径约在o ，扣0 8 t u r n 之问。 气孔率对强度影响很大，它们之间的关系也可用b a l s h i n 公式表示： f k1 ” o - = 0 i l 才j 式中盯一加气混凝土试体的强度：仉一密实试体的强度 圪一加气泡凝土试体的体积密度；碣一密实试体的体积密度 ”一与气孔率有关的系数，对粉煤灰加气混凝土，胛= 3 2 。 2 2 粉煤灰加气混凝土结构形成机理分析1 9 a o l 粉煤灰加气混凝土的结构是通过以下生产工序所发生的化学反应和物理 变化而形成的：( 1 ) 由于料浆组份问相互反应而放气的物一化过程；( 2 ) 料 浆的稠化和凝结过程：( 3 ) 物料的各个组份发生水热反应的蒸压养护过程。 2 2 1 料浆发气的化学反应 在粉煤狄加气混凝土料浆中，发气反应的产生是通过原料搅拌、浇注开 始的。粉煤灰浆、水泥、生石灰、铝粉、水以及其他外加剂混合搅拌后，水 泥和生石狄即发生水化反应。水泥水化时要析出c a ( o h ) 2 ，因而，加气混凝 土料浆中的液相呈现碱性且迅速变成饱和溶液( p h 值达1 2 左右) 。铝粉极易 与碱溶液相互作用，反应如下： 2 a 1 + 3c a ( o h h + 6 h 2 0 - * 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 + 3 h 2t 2 a l + 6 i 2 0 一2 a 1 ( o h ) 3 + 王2l 2 a l + 3c a ( o h ) 2 + 3 c a s 0 4 2 h 2 0 + m h 2 0 一 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 n h 2 0 + 3 h 2 + 由以匕反应可知，铝粉与碱性饱和溶液发生反应产生氢气，这些氢气很 少溶于水( 在t = 2 0 c 时，1 升水仅溶解氢气0 0 1 8 9 升) ，而且随着温度的升高 体积增大( 山0 升到4 0 ，氢气体积增大1 5 ) ，因此，必然使混合料浆发 基堡堡三盔堂堡主堂笪鲨塞 生膨胀。 2 2 2 料浆膨胀、稠化、凝结的物理过程和化学反应 ( 一) 料浆发生膨胀过程 料浆发t e 时最初生成的氢气立即溶解于液相中，由于氢气的溶解度不大， 溶液很快达到饱和。当达到一定的饱和度时，在铝粉颗粒表面形成一个或数 个泡核，山于氢气的逐渐积累，气泡内压力逐渐增大，当内压力克服上层料 浆对它的重力和料浆的极限剪应力之后，气泡长大推动料浆膨胀。铝粉与水 反应产生氢气和料浆膨胀始终处于动态平衡。 料浆膨胀的动力是气泡内的内压力，料浆膨胀的阻力是上层料浆的重力 和料浆极限剪应力。发气初期，铝浆不断产生氢气，内压力不断得到补充， 因而迅速膨胀。随着石灰、水泥不断水化，极限剪应力不断增大，这时，铝 粉的反应仍在继续进行只要气泡内压力继续大于上层料浆的重力和极限剪 应力，膨胀就会继续下去。当料浆迅速稠化，极限剪应力急剧增大，膨胀刁 会逐渐缓慢下来。当铝粉反应结束，气泡内不再增加内压力，或者这种内压 力不足以克服上层料浆的重力和料浆的极限剪应力时，膨胀过程就停止了。 ( 二) 料浆的稠化过程 加气混凝土料浆失去流动性的过程称为稠化过程。稠化是由于料浆中的 石灰、水泥不断水化，其极限剪应力不断增大的结果。因此，料浆的稠化过 程就是料浆的极限剪应力不断增大的过程。 ( 三) 料浆的流变特性 加气混凝土的料浆是一种粘、塑、弹性组合体，其发气、膨胀、稠化过 程也是在剪切条件下发生流动和变形的过程，用流变学方法能够直接反应料 浆发气和稠化过程的规律。 加气混凝土料浆从搅拌浇注开始至坯体硬化为止，按其结构特性可以分 为以下几个变化过程：刚形成的料浆可以看作是一种溶液粗分散体系，其流 变特性接近j 二理想牛顿粘性体；随后固体粒子相互碰撞，在范德华力作用下 相互粘结起来，形成最初的絮凝结构，这是骨架形成阶段，其流变特性具有 假塑性特性：随着水化反应的继续进行，固相粒子形成三维的空间网络，这 时整个结构具有显著的弹、粘、塑性特征，表现出极限剪应力，这是骨架发 育阶段，最后结构强度明显上升，弹塑性质比例加大，这是结构密实化阶段。 1 2 武汉理工火学硕士学位论文 可以用料浆的流变特性的变化来表征加气混凝土料浆结构的发生、发展、和 不断完善的过程。 ( 四) 料浆的凝结过程和化学反应 当料浆浇注入模，开始膨胀的时候，随着放气反应的进行，水泥和石灰 也发生水化作用。生石灰和水作用，放出大量的热： c a o + h 2 0 c a ( o h ) 2 + 1 5 5 k c a l 水泥与水作用，矿物组成c 3 s 、c 2 s 、c 3 a 和c 4 a f 发生水化作用： c s s + m h 2 0 0 c a ( o h ) 2 + c 2 s h 。 c 2 s + m h 2 0 一c 2 s h n c 3 a + m h 2 0 一c 3 a h 6 c 4 a f + m h 2 0 c 3 a h 6 + c f h c s a h 6 + c a ( o h ) 2 + m h 2 0 一c 4 a h l 2 由于石膏的存在，还会发生以下反应： c 4 a h l 2 + 3 c a s 0 4 2h 2 0 + m h 2 0 一c a ( o h h + c s a 3 c a s 0 4 nh 2 0 当放气完毕、膨胀结束时，料浆中的石灰质矿物胶结料仍然在水化，水 化产物在液相中不断地积累起来，同时，体系中的自由水份由于水化作用的 进行逐渐减少，这就使得溶液中水化产物的浓度逐渐增加，并且很快达到过 饱和成胶体或析出晶体。不断地积累使胶体聚集并使晶体成长，且形成结晶 连生体，使整个系统具有一定地能支承自重的结构强度，即达到初凝或稠化。 随着水化继续进行，体系结构不断紧密，固相越来越多。液相越来越少，当 达到能抵抗相当外力作用的结构强度时，便达到终凝。料浆达到终凝之后， 水化作用在常温下就不能很快进行，整个料浆体系结构也就基本上稳定成坯 体。为了使料浆成为具有一定结构强度、可以进行切割的坯体，需要有一段 静置停放过程。因此，静停过程也就是料浆凝结过程。 2 2 3 坯体在蒸压养护时的水热反应过程 石灰一水泥一石膏一粉煤灰加气混凝土坯体在蒸压养护过程中的水热反 应状况如下： 升温阶段：随着温度升高，c a ( o h ) 2 与粉煤灰中的活性s i 0 2 反应生成碱 度较高的水化硅酸钙，随着s i 0 2 的不断溶解，水泥水化的c - - s - - h 凝胶与 石灰、粉煤狄合成的c - - s - - h 等水化硅酸钙的碱度不断降低，开始变成半结 1 3 蕉堡堡三盔堂塑堂焦丝塞 一 晶的c s h ( i ) 。与此同时，三硫型的水化硫铝酸钙分解成单硫型的水化铝酸 钙。 恒温阶段：在1 8 0 c 2 0 0 c 恒温初期，大量生成c s h ( i ) 。在此温度下， 单硫型水化锅酸钙也无法稳定，继续分解成c 3 a h 6 和c a s 0 4 ，水化铝酸钙和 s i o ，作用生成水化石榴子石。随着恒温时间的延长，水化硅酸钙的结晶程度 不断提高，出现托勃莫来石，近一步延长时间还可能生成其他结晶的水化硅 酸钙。 因此，蒸压石灰一水泥一石膏一粉煤灰加气混凝土中的水化产物有c s h ( i ) ，托勃莫来石、水化石榴子石等，随着恒温压力和养护时间的不同，它 们的数量和结晶程度均在变化。 2 3 粉媒灰在生产加气混凝土中的作用分析 粉煤次在生产加气混凝土制品中主要具有三个基本效应：形态效应、活 性效应和微集料效应。 ( 一) 形态效应 1 5 , 2 1 j 粉煤灰的形态效应指的是粉煤灰料由其颗粒的外观形貌、内部结构、表 面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。在高温燃烧过程中形成的粉煤 灰颗粒，绝大多数为玻璃微珠，是外表比较光滑的类球形颗粒，由硅铝玻璃 体组成，尺寸在几微米到几十微米。由于球形颗粒表面光滑，故掺入混凝土 后能起滚球润滑作用，能不增加或减少混凝土的需水量，起减水作用。但粉 煤灰在形貌上的另一特点是它的不均匀性，如果内含较粗的、多孑l 的、形状 不规则的颗粒占优势，则不但丧失其物理形态效应的优越性，还会影响其他 效应的发挥，起到负作用。 ( 二) 活性效应 粉煤灰的活性主要是它的化学成分所产生的化学效应，粉煤灰应用于加 气混凝土主要是利用其活性，所以这种效应可以看作是最重要的基本效应。 粉煤灰的活性取决于火山灰反应能力，即粉煤灰中具有化学活性的s i 0 2 和 a 1 2 0 3 与c a ( o h ) 2 反应，生成类似于水泥水化所产生的水化硅酸钙和水化铝 酸钙等反应产物。这些水化物可作为胶凝材料的一部分起到增强作用。这一 反应在水泥水化析出的氢氧化钙吸附到粉煤灰颗粒表面的时候开始( 即二次 水化反应) ，但由于在c a ( o h ) 2 薄膜与粉煤灰颗粒表面之间存在着水解层，钙 4 墓堡堡兰盔堂塑主堂垡堡塞 离子要通过水解层与粉煤灰的活性组份反应，反应产物在层内逐渐聚集，水 解层被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大的增长，随着 水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固连接， 从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长。 ( 三) 微集料效应 粉煤灰的微集料效应指粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充 孔隙和毛细孔，改善混凝土孔结构和增大密实度的特性。粉煤灰中玻璃微珠 本身强度很高，微集料效应可明显增强硬化料浆的结构强度。实践证明，在 粉煤灰和水泥浆体界面处形成的粉煤灰凝胶的显微硬度大于水泥的显微硬 度，这就说明粉煤灰对混凝土中浆体与集料间界面这个最薄弱的联结部位有 增强作用t l 。粉煤灰微粒在水泥浆体中分散状态良好，它有助于混凝土中孔隙 和毛细孔的填充和细化。 2 4 其他生产加气混凝土主要原料的作用分析 ( 一) 硅酸盐水泥 硅酸盐水泥的成分主要是氧化钙、二氧化硅、氧化铝、氧化铁以及少量 的氧化镁和三三氧化硫等。前四种成分在水泥熟料中形成四种主要矿物，即： 硅酸三钙( 3 c a o s i 0 2 ，简写为c 3 s ) 、硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ，简写为c 2 s ) 、 铝酸三钙( 3 c a o a 1 2 0 3 ，简写为c j a ) 、铁铝酸四钙( 4c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 ， 简写为c 。a f ) 。水泥是生产粉煤灰加气混凝土的重要钙质材料之一，水泥可 以作为钙质木j 料在加气混凝土中单独使用，也可以与石灰一起作为混合钙质 材料，但是，一般都是与石灰一起作为混合钙质材料。水泥与水混合后，水 泥熟料中的四种矿物便开始进行水化。常温下，硅酸三钙和硅酸二钙的水化 反应用下列反应式表示： 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 = 3c a o 2 s 1 0 2 3h z o + 3c a ( o h ) 2 2 ( 3 c a o s i 0 2 ) + 6 h 2 0 = 3c a o 2 s 1 0 2 3h 2 0 + c a ( o h ) 2 由反应式可知，这两种矿物的水化产物是水化硅酸钙和氢氧化钙，不过， 其化学组成并不是十分固定的，当温度提高时，硅酸钙凝胶的类型和结晶度 都将发生变化。 常温下，铝酸三钙和铁铝酸四钙的水化反应用下式表示： 武汉理工大学硕士学位论文 3 c a o a 1 2 0 3 + 6 h 2 0 = 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 4c a o a 1 2 0 3 f e 2 0 3 + 7 h 2 0 = 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 + c a o f e 2 0 3 。h 2 0 在水泥熟料的四中矿物中，硅酸三钙和铁铝四钙的水化反应进行得最快，决 定着水泥的水化、凝结速度和早期强度，因而对加气混凝土料浆的发气、凝 结硬化和制品强度都有重要影响。此外，水泥的水化速度与其细度关系很大， 并受环境温度的影响。水泥颗粒越细，比表面积越大，与水的接触面积也就 越大，接触越充分，因而水化反应也越快。水泥的水化反应还要求有适当的 温度，一般，当温度低于0 c ，水化反应停止，在5 以下时，反应速度极慢。 为了加快水化反应，可以加热料浆。 当水泥作为单一钙质材料在加气混凝土中使用时，它是氢氧化钙的主