发布时间：2020-08-08所属分类：建筑师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：粉煤灰主要是煤粉燃烧后，从烟道气体中收集的飞灰(Fly ash)。我国火力发电厂多使用煤炭，每年产生大量粉煤灰。本文简要阐述粉煤灰的性能，从三个方面对比了绍兴二级、三级粉煤灰，并综述粉煤灰的工程应用现状。 关键词：粉煤灰;地质聚合物;软土加固剂;
摘要：粉煤灰主要是煤粉燃烧后，从烟道气体中收集的飞灰(Fly ash)。我国火力发电厂多使用煤炭，每年产生大量粉煤灰。本文简要阐述粉煤灰的性能，从三个方面对比了绍兴二级、三级粉煤灰，并综述粉煤灰的工程应用现状。
关键词：粉煤灰;地质聚合物;软土加固剂;固化重金属
1 引 言
粉煤灰是煤粉经预热空气喷送炉膛高温燃烧后从烟道中收集的飞灰。粉煤灰经碱激发形成的地质聚合物具有高强、环保、耐酸碱等优良性能。地聚物的原理可追溯到上世纪40年代，美国科学家Purdon首次提出了碱激发铝硅酸盐黏结剂的硬化机理，法国科学家Joseph Davidovits(1994)使用碱激发偏高岭土来制备地聚物(geopolymer)，首先提出了地聚物的概念并且沿用至今。新世纪以来国内外越来越多的研究者开始研究钢渣、煤矸石等工业废料作为被激发的固态粉料，这其中较为成熟的就是粉煤灰。
2 粉煤灰基地聚合物研究进展
2.1固化、吸附重金属
地聚合物具有较高的阳离子交换能力，且凝胶内的化学结构本身带负电荷容易吸附正电金属阳离子，对Cd、Ni、Pb(II)、Cu(II)、磷酸盐、氮氧化物、硼、氟化物、137Cs和90Sr的放射性核素均有净化效果。有文献认为致密的地聚物有助于防止重金属浸出，也有文献使用双氧水制造孔隙粉煤灰地聚物(含铁矿石尾矿)孔洞得出孔隙的增多有助于对提高对重金属(cu2+)的吸附。不少研究通过改变地质聚合物的形状成粉末、球形、珠状和海绵合成纤维来增大接触面积提高吸附或者固化重金属的效率。这可能和重金属是被固化还是吸附、是处理污染土还是污染水以及固化的方式有关，地聚物对某些金属离子(Cr3+、Cd2+和Pb2+)的固化既存在被网状结构吸附包裹的物理固化也存在与碱液反应生成沉淀或者被带负电的地聚物凝胶吸引形成化学固化。但针对Pb金属粉末用粉煤灰基地聚合物固化时发现Pb金属粉末主要被物理固化，并不与地聚物凝胶发生反应。
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Nikolic等使用机械活化过的粉煤灰(低钙)和未经过机械活化的粉煤灰碱激发制作地聚物进行比较，掺入砂子与硝酸铅，以可溶性盐的形式判断粉煤灰基地聚物对Pb的固化效果并研究其强度。结果显示经机械活化的粉煤灰随着Pb的加入增多固化效果更为显著，这是因为机械活化过程打碎了粉煤灰颗粒使得反应表面积更大，参与反应的颗粒更小导致粉煤灰间的缝隙更小，生成的地聚物更为致密固化效率更高。此外机械活化粉煤灰的1day脱模强度远大于未活化的粉煤灰样品到达其30倍，28d的强度也有所提高。这是因为室温条件下未活发粉煤灰地聚反应较慢而活化粉煤灰拥有更大的接触反应面积所以反应更快、强度更高。
2.2耐高温耐酸
将粉煤灰-偏高岭土制作的地聚物与普通硅酸盐水泥(OPC)放在高温与酸溶液(盐酸、硫酸各2%)中28d后比较抗压强度，结果表明随着温度升高OPC抗压强度逐渐下降在400℃-500℃的区间下抗压强度从40MPa骤降至10MPa，而地聚物的强度在400℃之前逐渐上升，升温至1000℃仍然保有40MPa。OPC高温发生剥落产生裂纹强度下降，而400℃的温度反而使得粉煤灰与偏高岭土反应更为充分，结构更致密。同样在酸浸条件下，OPC表面发生4mm左右深的腐蚀，OPC与地聚物均发生强度下降，但在56d后粉煤灰只下降约10%而OPC强度下降了接近60%，粉煤灰试样的耐酸能力远大于OPC试样[19]。将24h脱模、80℃养护2d的试样置于5%浓度的HCl溶液中发现7d、14d、28d抗压强度不减反增(5%~30%)，侯云芬认为HCl可能促进地聚物的解聚作用提高反应度，这也可能与激发剂碱过量(含固量34%)有关;此外试样750℃高温煅烧2h后强度只下降了10%左右表明地聚物具备良好的耐热性。
2.3多原料掺和
制革污泥呈强碱性(Ca元素含量60%)含少量重金属，徐建中等[21]使用10~20%的污泥掺入40%~60%的粉煤灰制作地聚物在28d的抗压强度可以超过10MPa，同时固化了Cr、Zn、Pb随着固化时间的增加，固化效果越明显。郭晓潞等将污泥活化(900摄氏度焙烧)取10%和粉煤灰(高钙)掺和后得到的地聚物28d最高能达到60MPa的抗压强度。有文献[23]使用一级高钙粉煤灰和绍兴印染污泥制备路面砖，强度可以最高接近40MPa，一定量的污泥掺入有助于改性粉煤灰提高地聚物的强度，这是因为污泥中CaO、Fe2O3以及S元素的存在都有助于胶凝物的聚合反应。
矿渣因较高的氧化钙含量(40%)直接碱激发强度可以达到120MPa，吴博等对120MPa的试样进行加速风化7h后强度直降至原来的1/2，掺入粉煤灰可以有效改善强风化引起的强度降低，通过改变激发剂与粉煤灰、矿渣产量能够保持强度使强风化7d后仍然能保持90MPa的强度。且矿渣粉煤灰的早期强度依然维持在高的水准3h可以达到40MPa，具备作为早强胶凝材料的潜力。在用粉煤灰-矿渣地聚物加固沙土路基的灌浆试样制作中，同样，矿渣的加入会使得抗压强度大幅增加(至38MPa)。但对于无特殊要求且强度等级不高的工程,大规模掺加矿渣经济性不高。电石渣中含有较多的Ca2+，以粉煤灰为基础(51%)掺入电石渣、金尾矿等加固沙土7d的强度能够达到接近5MPa。
3 结论
粉煤灰基地聚物研究具备强度高、耐高温、耐酸碱等优良性能，但由于碱激发剂的用量造成成本问题限制了地聚物的大规模使用，充分利用工业废渣中的化学成分及物理性能有望解决这个问题，机械活化能够提高粉煤灰的地聚反应使得试样在前期就取得可观的强度，缩短粉煤灰基地聚物较长的反应期。——论文作者：朱泽威 1 江海鸿 1 魏威 1 朱文涛 1 丁佩思 1
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