刘圣勇 张全国 杨群发 张相峰

（农业部 可再生能源重点开放实验室，河南 郑州 450002）

提　要　在实验室对粉煤灰的各项技术参数进行了试验研究，揭示出粉煤灰的不同成分和形貌对其资源化特性的影响规律；初步完成了消除不利于粉煤灰资源化的有害成分——碳的优化实验工作；进行了脱炭粉煤灰混凝土配合比等方面的试验研究，并在路面修复工程中应用脱炭粉煤灰完成了试验路修筑工作。结果表明，将粉煤灰进行脱炭处理，应用于混凝土工程可以明显改善混凝土的工作性能，实际道路运营和技术性能符合路面工程的要求，具有重大的经济效益和环境效益。

关键词　粉煤灰；资源化特性；脱炭处理；路面工程

中图分类号　X773；U416.23⁺1

文献标识码　A

文章编号　1000-3037(2000)02-0180-04

　　中国是世界上最大的生产和消耗煤炭的国家，特别是改革开放以来，电力工业迅猛发展，导致粉煤灰排放量逐年剧增，预计到 2000 年粉煤灰的排放量可达
1.6亿t^[1]。若对粉煤灰综合利用不加大研究和处理力度，将会给能源生产、资源利用和环境保护带来严重后果。先进国家（欧盟、美国等）粉煤灰利用率已达 70%～80%，我国粉煤灰利用率仅达 30%～40%^[2]，但对节约能源和改善环境起到了重要作用。

　　然而，我国电厂排放的粉煤灰品质极不稳定，有 80% 以上的粉煤灰烧失量超过 6%^[3]，资源化性能较差，极大地限制了粉煤灰的应用范围和数量，是导致我国粉煤灰利用率偏低的重要原因。因此，为实现能源节约和减少粉煤灰对环境的污染，开拓粉煤灰综合利用的新途径，作者在对国内外粉煤灰综合利用技术的现状进行了调研和有关文献检索分析的基础上，对粉煤灰资源化特性及在路面工程中的应用技术进行研究。

1 粉煤灰资源化特性

1.1 粉煤灰的化学组成

　　作者对登封发祥电厂的粉煤灰取样，并进行的化学成分分析（表 1）表明，粉煤灰中硅的含量最高，其次是铝，以复杂的复盐形式存在，酸溶性较差。铁含量相对较低，以氧化物形式存在，酸溶性好。此外还有未燃尽的炭粒、CaO 和少量的 MgO、Na₂O、K₂O、SO₃ 以及锗、镓、硼、镍、铀、铂等稀有元素。

表 1　登封发祥电厂粉煤灰的化学成分 (%)
Table 1 The Chemical composition of the coal in Dengfu power plant

　　粉煤灰中的有害成分是未燃尽炭粒，其吸水性大，强度低，易风化，不利于粉煤灰的资源化。粉煤灰中的 SiO₂、Al₂O₃ 对粉煤灰的火山灰性质贡献很大，Fe₂O₃ 对降低粉煤灰的熔点有利，使其易于形成玻璃微珠，均为有益成分。对于将粉煤灰应用于建筑工业而言，结合态的 CaO 含量愈高，愈能提高其自硬性，使其活性大大高于低钙粉煤灰，对提高混凝土的早期强度很有帮助^[4]。然而，我国电厂排放的粉煤灰 90% 以上为低钙粉煤灰，因此，开发高钙粉煤灰不失为改善粉煤灰资源化特性的一条途径。

1.2 粉煤灰的颗粒组成

　　按照粉煤灰颗粒形貌，可将粉煤灰颗粒分为三类：①玻璃微珠；②海绵状玻璃体（包括颗粒较小、较密实、孔隙小的玻璃体和颗粒较大、疏松多孔的玻璃体）；③炭粒^[5]。

　　我国电厂排放的粉煤灰中微珠含量不高，大部分是海绵状玻璃体，颗粒分布极不均匀。因此，通过研磨处理，破坏原有粉煤灰的形貌结构，使其成为粒度比较均匀的破碎多面体，提高其表面积比，从而提高其表面活性，改善其性能的差异性，达到粉煤灰资源化的要求。

1.3 粉煤灰的反应动力学特性

　　粉煤灰——Ca(OH)₂ 浆体的强度与粉煤灰反应速率之间存在着显著的相关性^[6]，但由于粉煤灰表面的釉质不利于粉煤灰——Ca(OH)₂ 浆体强度的形成，该反应对早期强度的贡献较小，在反应程度超过 6%-7% 时，浆体强度才开始急剧提高。

　　通过对粉煤灰资源化特性的分析研究发现，将粉煤灰进行综合处理，除去其有害成分，添加有益成分，改善其粒度，增大其表面活性，可以提高粉煤灰的资源化性能，拓宽其应用范围。鉴于我国混凝土工程耗材量大，是目前粉煤灰综合利用的主要领域，我们首先针对混凝土工程对粉煤灰产品的要求，根据粉煤灰的资源化特性，开发了脱炭粉煤灰，并进行了大量的试验研究，铺筑了粉煤灰混凝土试验路面，取得了阶段性的成果。

2 主要技术关键及措施

2.1 主要技术关键

　　为解决粉煤灰在路面工程中难以直接应用的技术问题，作者经过认真的试验研究，确定所采用的主要技术关键是：①对粉煤灰进行脱炭处理；②应用脱炭粉煤灰和高效早强减水剂“双掺”技术，制备 4 组粉煤灰掺量分别为 0%、10%、20%、30% 的混凝土试件，以获得粉煤灰在 C30 混凝土中的最佳掺量；③根据具体情况应用该技术在郑密路路面修复工程中进行了试验路面的修筑研究。

2.2 具体措施

　　(1) 粉煤灰混凝土最佳配合比的确定

　　粉煤灰混凝土混合料的拌制以基准混凝土混合料坍落度和配合比为参照物^[7]，按等稠度的原则，进行了粉煤灰掺量为 0%、10%、20%、30% 的粉煤灰混凝土混合料的拌制及抗压强度、抗折强度的试件制备。

　　将上述试件在标准条件下养护到一定龄期后，在万能试验机上对其进行抗压强度和抗折强度试验，试验结果如图 1 所示。通过对图表中各项测试指标的分析，我们发现：①同一掺量的粉煤灰混凝土随着龄期的增加，强度增长速度均比基准混凝土快；②随着粉煤灰掺量的增加，混凝土单位用水量有所减少，这有利于提高混凝土的工作性和密实性，对其强度和耐久性有利；③粉煤灰不同掺量的混凝土随龄期所形成的强度曲线有所不同。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土早期强度有所下降。主要是由于在混凝土强度形成初期，粉煤灰中结合态钙含量少，粉煤灰水化作用较弱，火山灰作用又不甚明显，导致早期强度和中后期相比增长较慢。

图 1 C30混凝土强度曲线图
Fig.1 The curve of the strength of C30 concrete

　　经分析可知，粉煤灰掺量为 20% 的混凝土试件的强度曲线和基准混凝土的强度曲线相关性最好。因此，将其配合比（粉煤灰∶水泥∶砂∶碎石 =0.22∶0.8∶2.1∶4，水灰比 W/C=0.48）作为本次试验的最佳配合比。且粉煤灰混凝土试件的 3d、7d、28d 抗压强度和抗折强度符合国家标准要求。

　　(2) 粉煤灰混凝土在实际路面挖补工程中的铺筑

　　试验路段分为掺粉煤灰路段和不掺粉煤灰路段两部分。该路段采用 FWD 无损动态检测，测试采用了 4 个吨位的荷载：2t、3t、4t 和 5t，检测结果列于表 2，中央弯沉 W1 反映了路面的综合强度。从表 2 结果可知，没有补强的老路弯沉要比补强后的路要大得多，以 5t 荷载为例，未补强的路 FWD 测试弯沉均值达到
140.9μm，掺粉煤灰的混凝土路面和不掺粉煤灰的混凝土路面的综合性能比较接近，符合设计要求。

表 2　补强实验路段中央弯沉 (W1) 检测结果
Table 2 The measument results of the crooked and subsided condition at the center of the
road section for a replenishing strength experiment

3 效益分析

3.1 经济效益

　　脱炭粉煤灰单价：15 元/t，普通硅酸盐水泥单价：220 元/t，高效早强减水剂单价：600 元/t，电离出的炭粉单价：100～150 元/t，普通混凝土耗用水泥：0.35t/m³，脱炭粉煤灰混凝土耗用水泥：0.28t/m³，脱炭粉煤灰混凝土耗用粉煤灰：0.077t/m³，对应于粉煤灰的炭粉：0.02t/m³，每立方米混凝土可产生的经济效益为 14.25 元。据估计，2000 年我国水泥耗用量将达到 50亿t，混凝土浇筑量将超过
80亿m³，在混凝土领域大力推广应用粉煤灰将产生巨大的经济效益。

3.2 社会效益

　　随着我国经济的快速发展，环境污染和能源短缺问题日益成为制约经济发展的主要因素。而水泥厂既是消耗能源的大户，也是污染环境的污染源之一，在环保意识日益增强的今天面临着严峻的挑战。开发和应用高掺量粉煤灰混凝土技术可以减少粉煤灰堆存占地量，节约良田，减少环境污染；回收的炭粒可作为高热值燃料，有利于节约能源，减少浪费。同时，粉煤灰掺入混凝土中提高了混凝土的工作性、强度、耐磨性、耐久性，可谓一举多得，将产生重大的社会效益和环境效益。

4 结束语

　　(1) 本课题从研究粉煤灰的资源化特性入手，应用分离技术将粉煤灰中的有害成分——未燃尽炭粒分离出去，从根本上解决了劣质粉煤灰需水量大，泌水大，颗粒过粗等缺陷，为粉煤灰的资源化利用开辟了一条新途径。

　　(2) 粉煤灰处理后产生的炭粉用于制备碳黑，剩余的粉煤灰用于混凝土工程，可产生巨大的经济效益和环境效益，对缓解能源危机，减少环境污染及资源综合利用具有重大意义。

　　(3) 将粉煤灰脱炭后，经过增钙处理和磨细工艺，再用化学方法进一步激发其活性，可生产出无炭高钙超细活化粉煤灰，进而要以开发有利于环保的绿色高性能混凝土 (Green High property Con crete，GHPC)，届时粉煤灰混凝土的性能和地位将产生质的飞跃，对我国高性能混凝土研究赶超世界先进水平具有重要意义。

　　(4) 根据粉煤灰形貌学理论，应用分离技术可将粉煤灰分离为玻璃微珠，玻璃体和炭粒三种资源，根据粉煤灰效应的粉煤灰反应动力学特性，应用机械磨细和化学激发的方法，可将粉煤灰中的玻璃体进一步转化为混凝土材料中的第五种组分，而玻璃微珠可作为生产陶粒的原材料，炭粒可作为化学吸附剂或用于制备炭黑。应用分离技术还可从粉煤灰中提取出硅、铝、铁等金属。这些对于粉煤灰资源的高品位利用具有指导意义。

参考文献

1	张怀功．用粉煤灰生产水泥填充料[J]．环境保护，1997,(7)：39～40
2	曹征彦，汪肇平，沈嘉龙，等．中国洁净煤技术[M]．北京：中国物资出版社，1998：318～341
3	玉峰，王景军．粉煤灰综合利用典型案例分析[J]．环境保护，1997,(11)：23～25
4	刘加平，孙伟．碾压粉煤灰砼路用力学性能研究[J]．混凝土与水泥制品，1996,(1)：18～20
5	苏祥滨．路面混凝土掺粉煤灰的研究[J]．公路，1997,(7)：41～46
6	邵清帮，邵绪新，王祖讷，等．沸腾煤炉粉煤灰的特性研究[J]．中国环境科学，1997,17.(5)：454～457
7	刘昆，逃炉．粉煤灰在国道 111 线路路面基层中的应用[J]．粉煤灰综合利用，1998,(1)：9～11

第一作者简介

刘圣勇 (1964-)，男，河南柘城人，副教授，硕士生导师，主要从事能源与环境方面的教学与研究工作。

基金项目：国家九五重大科技攻关项目 (96-920-22-02)；河南省重点科技攻关项目 (971190301)。