复合改性低品质粉煤灰在混凝土中的应用研究

早在20世纪50年代粉煤灰就已在混凝土中广泛应用，由于粉煤灰能大大改善混凝土的工作性、力学性能、抗裂抗渗性能及耐久性能，在建材工业、建筑工程、筑路工程的混凝土中利用的粉煤灰约占粉煤灰综合利用的90%，粉煤灰在混凝土中的应用已经成为粉煤灰高附加值利用的主要途径。国标将粉煤灰分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，低品质粉煤灰，即Ⅲ级及等外灰。在原状灰中，Ⅰ级粉煤灰仅占排灰量的5%，随着应用技术的研究和工程应用的推广，优质粉煤灰已经出现严重短缺。由于低质粉煤灰的需水量比高，烧失量大，活性指数低，与外加剂的适应性差等缺点，在应用过程中受到了一定的限制，在混凝土中利用好低品质粉煤灰，真正发挥粉煤灰的经济、环保及节能等综合效益，显得非常重要。

1.1　试验用原材料

试验用原材料包括：秦皇岛热电厂干排原状粉煤灰；水泥为秦皇岛浅野水泥有限公司产P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥；改性材料采用Na₂SO₄（NS）和表面活性剂按照质量比1：3配制而成；标准砂和自来水。参照国家标准《GB/T1596-2005用于水泥和混凝土中粉煤灰》，对秦皇岛电厂干排原灰的细度、需水量比及活性指数等进行基本性能测试，原状灰的基本性能参数见表1。

表1　粉煤灰基本性质参数原料名称　/%

由表1可知，原状粉煤灰的颗粒较粗，需水量比较大，活性指数较低，参照标准属于等外灰。

1.2　复合改性方法

复合改性是物理机械粉磨改性和流化床气相沉积法改性相结合的改性方法，这种方法简称为粉磨-流化复合改性方法。

1.2.1　粉磨改性方法　

粉煤灰的主要化学成分是SiO₂、A1₂O₃和Fe₂O₃，以及未燃烧尽的炭粒，主要以玻璃体、石英、赤铁矿、碳、云母、长石、石膏、硫化物等矿物的形式存在。通过球磨，将松脆的多孔结构及一些粘连体、薄壁空心微珠和碳粒破碎成为较密实的细屑和个体微珠。球磨使粉煤灰中大量实心或厚壁玻璃珠部分破碎，大大改善了微珠表面结构。不但增加了比表面积，充分发挥微集料效应和形态效应，而且，粉磨后的粉体发生晶格畸变，增加了粉煤灰的活性。将原状粉煤灰经过球磨机球磨，使其细度得到一定改善，经过40min钟球磨后得到粉磨改性粉煤灰。

1.2.2　流化床气相沉积改性方法　

利用流化床气相沉积（FBR-VD）方法对粉磨改性粉煤灰进行复合改性。流化床气相沉积（FBR-VD）方法被广泛用于制备纳米颗粒以及对粉体进行修饰，例如在纳米晶体镍及微晶镍上镀铝、制备碳纳米管或对其进行表面修饰等，其改性方式是让被修饰的粉体在悬浮状态下与汽化的改性材料充分接触，使汽化改性微粒沉积于粉体颗粒表面。本研究把这种改性技术运用到了粉煤灰的改性之中，流化床气相沉积（FBR-VD）改性装置如图1所示:

该装置由以下几部分组成：箱体、空压机、加湿机、流化床、旋风收尘器及滤芯收尘器组成。

（1）改性剂配制与添加。将配制好的改性剂溶入水中，制成浓度为50%的水溶液，通过漏斗从蒸汽发生器的进水口或从出气口加入蒸汽发生器中,将复合改性剂溶液汽化。

（2）粉煤灰添加。将汽化剂气管从流化床和蒸汽发生器上拆除，同时将压缩气管从气管三通2的下方断开，将不锈钢方框连同其上固定的流化床和两种收尘器从箱体中抽出，翻转使流化床的底部出料口向上，放置在操作台上，打开改性灰出料口，装进粉煤灰，旋紧出料口的封盖。

（3）连接。将汽化剂气管和压缩机气管分别连接到位，同时连接好空压机与气管三通1，通过该三通连接好蒸汽发生器以及流化床。

（4）试验。首先，接通空压机电源，使其储存一定的压缩空气；其次，接通蒸汽发生器电源使其开始工作；第三，通过调节气管三通上、靠进气口端的气阀，直到看到有蒸汽通过汽化剂气管进入流化床；第四，打开气管三通另一侧的气阀，直到流化床中的粉煤灰呈沸腾流化状态。保持这种状态并持续一段时间，使复合改性剂与流化中的粉磨改性粉煤灰成分混合，汽化的改性材料液滴便附着在粉磨改性粉煤灰颗粒表面，并逐渐蒸发结晶，于是，流化的粉磨粉煤灰颗粒表面就附着了一层改性层，即可得到粉磨改性与流化床气相沉积改性的复合改性粉煤灰，这种复合改性粉煤灰简称为粉磨-流化复合改性粉煤灰。

试验结束后，依次关闭流化床气阀、加湿机气阀，断开加湿机和空压机的电源。最后，将汽化剂气管和流化床气管分别拆除，分别倒出流化床和两个收尘器中的粉煤灰，将3种灰充分混合后即得到改性粉煤灰。

注意：滤芯收尘器中的滤芯，每做5次试验清洗1次，可水洗后晾干或烘干后继续使用；每天做完试验后放干加湿机中的溶液，并用水清洗干净。

图1　流化床气相沉积（FBR-VD）改性装置

改性粉煤灰基本性质参数见表2。

表2　粉磨改性粉煤灰基本性质参数

试验结果表明：原状灰经过球磨改性后，颗粒度减小，细度得到明显改善，达到Ⅰ级灰的细度要求；经过粉磨的改性粉煤灰需水量比由原来的120%降低至105%，符合标准中Ⅱ级灰的要求；磨细后的改性粉煤灰活性指数明显提高，原状粉煤灰由于颗粒太粗，水泥胶砂出现松散现象，流动度难以测量。随着粉煤灰细度的增加，胶砂流动度得到明显改善。

低品质粉煤灰经过粉磨及流化床气相沉积法复合改性处理，细度变细，需水量比明显改善，活性指数明显提高，7d活性指数提高了22.6%，28d活性指数提高了15%左右。这对复合改性粉煤灰的推广具有十分重要的意义。

2.1　原材料

配置混凝土所用原材料水泥为秦皇岛浅野水泥有限公司的P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥，复合改性粉煤灰，矿粉为秦皇岛丰众矿渣有限公司的95级矿粉：减水剂为聚羧酸高效减水剂（ADM），砂为本地河砂（细度模数2.86，含泥量1.5%）,石为本地碎石（5mm~20mm连续级配，含泥量0.2％,针片状含量3.2％）。

2.2　混凝土配合比及试验结果

1#组试样为磨细改性粉煤灰，2#组试样为复合改性粉煤灰，混凝土配合比及试验结果如表3。

表3　混凝土配合比及试验结果

从表3中1#和2#试样配合比可以看出：在减水剂用量相当时，复合改性粉煤灰表现出明显的减水效果，复合改性的低品质粉煤灰制备的混凝土，其工作性也得到了明显改善，28d龄期强度提高一个强度等级。

在实际的工业改性粉煤灰中，可将粉煤灰库作为流化床，利用粉煤灰库下面原设置用来“破拱”的通气口来通入改性蒸汽，即可实现粉煤灰的流化床气相沉积改性，并不需要增加其他设备，生产中很容易实现，基本不额外增加加工成本。

复合改性所增加改性材料成本换算到每吨粉煤灰中约为6元，按照混凝土中改性粉煤灰掺量为85kg/m³计算，每m³混凝土采用改性粉煤灰所增加成本为0.51元。但因其减水作用可在不降低强度的前提下降低水泥用量或减少外加剂用量，综合核算采用复合改性粉煤灰可节约每m³混凝土的成本5~6元。

（1）提出在粉磨粉煤灰的过程中附加流化床气相沉积的处理方法，对低品质粉煤灰进行复合改性，并指出在实际工业生产中可利用粉煤灰库和原有通气系统实现改性工艺，基本不增加加工成本。

（2）经过复合改性的粉煤灰，需水量比明显改善，7d和28d活性指数分别提高22.6%和15%左右。在减水剂用量相同时，复合改性粉煤灰表现出明显的减水效果，采用复合改性粉煤灰制备的混凝土，工作性得到明显改善，28d龄期强度提高一个强度等级，每立方混凝土可节约成本5~6元。

来源：中国混凝土网

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