豐曙霞 詹能能 魏 麗

（山東英才學(xué)院）

0 引言

粉煤灰是各種不同顆?；旌隙傻念w粒群體，受燃煤種類及所含礦物、燃燒條件、粉煤灰收集方式等因素的影響，粉煤灰顆粒在化學(xué)組成、物相組成、形貌結(jié)構(gòu)等方面存在差異。一般情況下，原狀低鈣粉煤灰的顆粒粒徑大多在0.5μm～300μm 之間，顆粒的容重受組成及結(jié)構(gòu)影響，大多在0.5～3.5g/cm3之間；顏色根據(jù)碳含量的高低從灰白到深灰不等，碳含量越高顏色越深；主要化學(xué)組成有SiO2、Al2O3、Fe2O3(Fe3O4)、CaO、MgO、Na2O、SO3等；所含物相有玻璃體和晶體，其中玻璃體含量較高可達(dá)80%～90%，主要晶體礦物為莫來石、石英、赤鐵礦、磁鐵礦、鋁酸三鈣、黃長(zhǎng)石、默硅鎂鈣石、方鎂石、石灰等，在所有晶體相物質(zhì)中莫來石占最大比例；顆粒的形貌特征多樣，可分為球形顆粒和非球形顆粒。其中球形顆粒占絕大多數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征又可分為密實(shí)微珠、空心珠、多孔珠等。非球形顆粒可海綿狀玻璃渣、碳粒、鈍角顆粒、碎屑和粘聚顆粒等[1]。

粉煤灰顆粒特征呈多樣性，可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：粒徑、容重、外部形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成及礦物組成。目前關(guān)于粉煤灰顆粒群的研究大多是進(jìn)行分類描述及表征，可根據(jù)不同特征將粉煤灰中的顆粒進(jìn)行分類。其中，較為常見的是形貌分類[2-3]。粒徑分類主要用于區(qū)分顆粒在水泥基材料中的反應(yīng)活性。眾多研究結(jié)果[4-5]均表明一般情況下粉煤灰顆粒細(xì)度越大，反應(yīng)活性越高，制備的砂漿或混凝土強(qiáng)度越高。錢覺時(shí)[6]指出這是因?yàn)樾☆w粒的微珠由于尺寸小冷卻速度快而保留了較多熔融狀態(tài)時(shí)的無序玻璃態(tài)，具有較高的反應(yīng)活性，而尺寸較大的顆粒因?yàn)閮?nèi)部冷卻速度慢而形成了較多的晶體物質(zhì)，反應(yīng)活性較低。根據(jù)組成特征，粉煤灰可分為玻璃體相和晶體相，或磁性顆粒和非磁性顆粒，并可進(jìn)一步將玻璃體相分類成低容重的Ⅰ型玻璃體和高容重的Ⅱ型玻璃體[7]，非磁性顆?？蛇M(jìn)一步分類成非磁性粗顆粒和非磁性細(xì)顆粒[8]。

本文采用篩分法將原狀低鈣粉煤灰分成多個(gè)粒徑區(qū)間的粉煤灰顆粒群，分別采用石灰吸收法和砂漿強(qiáng)度法測(cè)試粉煤灰的活性值，對(duì)比兩種測(cè)試結(jié)果的一致性，分析粒徑與活性間的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系。結(jié)合粉煤灰組成特征，探討粒徑對(duì)活性影響機(jī)理。旨在為低鈣粉煤灰的粒徑分類應(yīng)用提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

本次實(shí)驗(yàn)使用山東水泥廠有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，低鈣粉煤灰來自濟(jì)南熱電廠的干排灰II 級(jí)灰，化學(xué)組成見表1，水泥的物理性能見表2。

實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑主要有0.5mol/l 的稀鹽酸和1.2g/l 的氫氧化鈣溶液，分別用濃鹽酸溶液和氫氧化鈣晶體配制，實(shí)驗(yàn)使用蒸餾水配置稀鹽酸、氫氧化鈣溶液。

表1 原材料化學(xué)組成(w%)

表2 水泥物理性能

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 粉煤灰粒徑分級(jí)

將粉煤灰放在烘箱中干燥24 小時(shí)，溫度為105℃；將烘干的粉煤灰放在套篩中，用振篩機(jī)篩分15 分鐘，收集各粒徑區(qū)間粉煤灰顆粒群。

1.2.2 水泥砂漿強(qiáng)度測(cè)試

水灰比0.4，灰沙比1：3，粉煤灰與水泥比1：1，按上述比例將各材料混合攪拌均勻后成型于規(guī)格為160mm×40mm×40mm 的試模中，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h 后脫模，然后將試塊置于20℃水中養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期。

1.2.3 火山灰活性測(cè)試

稱量2g 粉煤灰于100ml 燒杯中，加入50ml 氫氧化鈣溶液，攪拌均勻后水浴加熱（65 度）24 小時(shí)。注意加熱時(shí)要用保鮮膜將燒杯瓶口密封，以免蒸發(fā)后的水進(jìn)入燒杯中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。隨后用25ml 移液管從燒杯中吸取清液，置于250ml 錐形瓶中，加入2 滴甲基橙，用0.043mol/l 的鹽酸滴定至溶液剛呈現(xiàn)紅色，記下消耗量。然后用鹽酸的消耗量來計(jì)算CaO 吸收量，得出數(shù)據(jù)之后用CaO 吸收量除以粉煤灰量，用此數(shù)值作為粉煤灰的活性值。

1.2.4 粉煤灰的化學(xué)組成

使用德國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的x 射線熒光光譜儀對(duì)粉煤灰顆粒群進(jìn)行分析，測(cè)試主要陽離子氧化物含量，確定不同粉煤灰顆粒群的化學(xué)組成。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒徑對(duì)化學(xué)組成的影響

將粉煤灰根據(jù)粒徑分成7 個(gè)粒徑段，各粒徑區(qū)間粉煤灰顆粒的中位徑分別為161μm、134μm、111μm、92μm、70μm、48μm、17μm。通過熒光測(cè)試分析獲得各粒徑區(qū)間粉煤灰不同化學(xué)組分含量，測(cè)試結(jié)果顯示，CaO、SiO2及Al2O3的含量與粒徑之間并無明顯的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律，而Fe2O3和SO3的含量則隨著粒徑的減小而降低，如圖1 所示。當(dāng)中位徑為161μm 時(shí)，顆粒群中Fe2O3和SO3含量均為最高值，分別為5.98%和1.42%；當(dāng)中位徑為17μm 時(shí)，兩者的含量達(dá)到最低值，分別為2.75%和0.51%。從圖1 可知，F(xiàn)e2O3和SO3含量存在協(xié)同變化規(guī)律，究其原因，應(yīng)該是煤礦中Fe 和S 有伴生關(guān)系。

圖1 化學(xué)組分隨粒徑變化規(guī)律

2.2 活性測(cè)試值

實(shí)驗(yàn)采用兩種方法測(cè)試粉煤灰的反應(yīng)活性，分別是石灰吸收法和砂漿強(qiáng)度法。石灰吸收法計(jì)算粉煤灰活性值方法如下：M=（1－0.0215×V）×0.056，其中M 是吸收CaO 的質(zhì)量；V 是消耗鹽酸的體積。粉煤灰活性度α=CaO 吸收量/粉煤灰質(zhì)量。砂漿強(qiáng)度法計(jì)算粉煤灰活性指數(shù)方法如下：粉煤灰活性指數(shù)β=摻粉煤灰水泥砂漿28d 抗壓強(qiáng)度/純水泥砂漿28d 抗壓強(qiáng)度。對(duì)比兩種方法所得各粒徑區(qū)間粉煤灰顆粒群的活性值，如圖2 所示。如圖所示，兩種測(cè)試方法所得的粉煤灰活性值一致性良好，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9262。

圖2 兩種活性測(cè)試方法結(jié)果對(duì)比

2.3 粒徑對(duì)活性的影響

石灰吸收法測(cè)試的活性度與砂漿強(qiáng)度測(cè)試的活性指數(shù)有良好的一致性，在分析粒徑對(duì)粉煤灰顆粒群活性的影響作用時(shí)，本文采用石灰吸收法測(cè)試的活性度值，結(jié)果如圖3 所示。隨著粒徑的減小，粉煤灰火山灰活性沒有呈現(xiàn)一致增大的趨勢(shì)。值得注意的是，粒徑分級(jí)粉煤灰中，活性最高的是中位徑為17μm 的顆粒群，說明當(dāng)粒徑小于一定臨界值后，粉煤灰的火山灰活性顯著增強(qiáng)?，F(xiàn)如今，粉煤灰的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中采用45μm 標(biāo)準(zhǔn)篩測(cè)試篩余，本文的研究結(jié)果證明當(dāng)粒徑小于45μm 時(shí)，粉煤灰顆粒的活性大大提高，說明分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)具有科學(xué)合理性。

粉煤灰另一個(gè)粒徑分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為80μm 篩余。由圖3可知，當(dāng)粉煤灰粒徑大于80μm 時(shí)，粉煤灰顆粒群的活性并沒有隨著粒徑的減小而增大。除粒徑外，酸性氧化物含量對(duì)粉煤灰活性也具有較大影響，試驗(yàn)測(cè)試了不同粒徑區(qū)間粉煤灰顆粒群的化學(xué)組成，圖4 為粒徑對(duì)顆粒群酸性氧化物含量的影響。粒徑大于100μm 時(shí)，顆粒群的活性更多的受酸性氧化物含量的影響，粉煤灰的活性隨著酸性氧化物含量的增大而增大。當(dāng)粒徑小于80μm時(shí)，粒徑對(duì)活性的影響超過酸性氧化物，顆粒群的活性隨著粒徑的減小而增大。

圖3 粒徑對(duì)粉煤灰顆粒群活性影響

圖4 粒徑對(duì)粉煤灰顆粒群酸性氧化物含量影響

3 結(jié)論

⑴CaO、SiO2及Al2O3的含量與粒徑之間并無明顯的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律，而Fe2O3和SO3的含量則隨著粒徑的減小而降低。

⑵石灰吸收法和砂漿強(qiáng)度法測(cè)試粉煤灰的活性結(jié)果一致性良好。

⑶粒徑大于100μm 時(shí)，顆粒群的活性更多的受酸性氧化物含量的影響，粉煤灰的活性隨著酸性氧化物含量的增大而增大。當(dāng)粒徑小于80μm 時(shí)，粒徑對(duì)活性的影響超過酸性氧化物，顆粒群的活性隨著粒徑的減小而增大。