1、安徽建筑中图分类号：TU521文献标识码：A文章编号：1007-7359（2023）5-0103-02DOI:10.16330/ki.1007-7359.2023.5.0370引言粉煤灰一直是我国排放量较大的固废之一，自1987年国家把它确立为资源综合利用至今，带来的社会效益、环境效益、经济效益是显著的。但其综合利用的道路并非一帆风顺，尤其是用作混凝土的掺和料，对于使用者而言，从最初的观望、试验、尝试应用，到现在的普遍推广，优质粉煤灰已经成为混凝土中极其重要的一项原材料。本文对粉煤灰活性来源进行探讨，从粉煤灰生产形成过程到水化机理和激发条件进行综述。1形成过程用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/
2、T 1596-2017）中对粉煤灰的定义为电厂煤粉炉烟道气体中收集的粉末。标准明确说明此粉煤灰不包括工业及城市垃圾燃烧、循环流化床锅炉燃烧收集的粉末，主要是由于产生飞灰的锅炉燃烧温度均在1000以下，所收集的粉末颗粒活性较低且存在重金属或放射性超标的可能，故不宜用作水泥和混凝土的掺合料。煤粉炉的温度一般在 1100以上，炉膛燃烧的中心温度为 140017001（见图1）。煤粉燃烧是将煤粉送入炉膛内悬浮燃烧，将煤粉与一、二次风送入炉膛，其混合气流形成的空气动力场，保证煤粉能强烈燃烧。燃烧后的灰分发生软化或熔融，在高速空气动力场作用下相互撞击、粘连形成较大团状物质，随着部分团状物的增大，在炉膛内风
3、速较低的区域落下，形成炉底渣。另一部分较细的团状物随高速烟气进入尾部竖井，体积较大的则积存在省煤器灰斗内，更细小的则进入旋风除尘器，经除尘器收集后通过除灰系统排出形成粉煤灰。粉煤灰成分复杂，按矿物组成和性能各有不同，可分为F类、C类粉煤灰，其主要的区别在于 CaO 含量的高低，用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T1596-2017）按 10%进行划分。典型 F类粉煤灰的化学分析和矿物组成，如表1、表2所示。2粉煤灰的活性来源从粉煤灰的形成过程和矿物组成看，粉煤灰主要是由非晶态的 SiO2、Al2O3和少量的晶体矿物组成。其中晶体是由大量微观物质单位（原子、离子、分子等）按一定规则呈周期性排列结
4、构的物质。非晶体是指结构无序或者近程有序而远程无序的物质，组成物质的分子或原子不呈规则周期性排列，没有一定规则的外形。当煤粉颗粒较粗或煤粉炉温度较低时，煤粉中的矿物部分熔融或不完全液化，或较大的熔融态物质不能被迅速冷却时，部分晶体矿物如硅线石、莫来石、石英就会在玻璃球内部析晶而出。煤粉炉内温度较高时（1400以上），灰分完全熔融，在急速冷却过程中，内部组成的质点来不及呈规律、周期性排列，形成无序的状态，质点被迅速固结在空间格点上。液相的表面张力在急速冷却的状态下，是粉煤灰球形化和结构致密化的主要驱动力，促使了质点的无序及空位的形成，熔融态下积蓄的分子势能在急冷后得以储存，在热力学平衡中，其处于
5、高能或热力学介稳态，也即其活性的根本来源。对于非晶态的玻璃体来说，这种空位缺陷随固体颗粒尺寸或比表大小的变化而变得更易暴露，质点间的键能变得更不稳定。当比表越大，或细度越细，暴露的空位越多，发生活性反应的程度和速率都越大。当熔融态的温度越高，冷却速度越快，其晶体矿物的组成越少，活性也越高，而冷却速度越慢，其晶体矿物的组成比例越高，活性也越低。3粉煤灰的水化机理和激发条件粉煤灰是具有火山灰活性的材料，沈旦申2提出的“粉煤灰效应”包括火山灰反应效应、微集料效应和颗粒形态效应（图2图3）。微集料效应和颗粒形态属于物理效应，主要体现在改善胶凝材料级配、弱减水方面，对新拌混凝土工作性的改善起粉煤灰的形成
6、过程及其火山灰活性来源分析丁玉峰（爱德森堡新材料有限公司，安徽合肥231600）摘要：文章分析了粉煤灰的形成过程，在高温熔融态下急速冷却形成的非晶态的玻璃体，其活性来源于质点无规则排列形成的空间结构，熔融态下蓄积的高能在急冷后得以储存，处于热力学介稳态。其水化机理为高聚合态的SiO44+和参与其中的Al3+所形成的网格结构，在C3S和C2S水化形成的CH作用下进行解聚并进一步形成纤维状的C-S-H产物，其水化的速率受温度、Ca/Si和Al/Si、OH-浓度共同影响。关键词：粉煤灰；形成过程；活性来源；水化机理；激发条件作者简介：丁玉峰（1983-），男，安徽合肥人，毕业于安徽工程大学生物工程专
7、业，本科，工程师，从事预拌混凝土试验及生产管控工作。图1煤粉炉炉膛中心截面温度场表1F类粉煤灰主要化学组成（%）SiO253.1CaO2.04Al2O334.9Fe2O34.33K2O1.53MgO0.39Na2O0.41SO30.51表2F类粉煤灰主要矿物组成-石英莫来石硅线石赤铁矿（或）磁铁矿建筑材料103安徽建筑到了显著效果。火山灰反应效应属于化学反应，水化反应产生的C-S-H凝胶能显著细化硬化水泥浆体中的毛细孔隙，尤其是增强界面过渡区的水化程度，进而降低混凝土的渗透性，提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀、抗冻融循环能力和降低碱-集料反应发生的风险，其水化机理将是本文讨论的重点。粉煤灰的玻璃体中主
8、要为无定型的活性SiO2、Al2O3，属于非晶体，在常温下与水的反应可以忽略，但如果在碱性溶液环境中，碱性溶液为发生化学反应提供了驱动力，其活性得以显现，即粉煤灰活性需要在一定条件下才能激发，主要是由于表层被富硅和富硅铝的双层玻璃保护层结构所保护4。保护层的阻碍作用，使颗粒内部的可溶性 SiO2、Al2O3很难溶出，活性难以发挥，粉煤灰的亚微观特征3必须在碱性溶液5-6环境下才能反应，水化反应的速率受环境温度、胶凝材料体系中CaO/SiO2、OH-的浓度等因素影响（图4）。粉煤灰参与水化反应的过程具有复杂性、长期性。一般情况下，用作混凝土掺和料的F类粉煤灰参与水化反应的龄期为 28d 左右，C
9、 类粉煤灰的活性由于含有更多的 CaO（一般为 10%40%），对混凝土强度的贡献在 7d 即可体现。曾有学者提供了 9 年龄期的水泥浆体TEM照片，发现了大面积未发生二次水化反应的粉煤灰，间接说明了粉煤灰参与混凝土水泥浆体水化反应的长期性。混凝土中粉煤灰的水化包括诱导期和水化反应期7，掺粉煤灰混凝土水泥浆体中，由于C3S、C2S水化产生的大量CH，激发了粉煤灰的活性，其二次水化反应如下：2C3S+6HC3S2H3+3CH32C2S+4HC3S2H3+CH1.1CH+S+2.8HC1.1SH3.984CH+A+9HC4AH13在 FA-C 体 系 中 的 Ca（OH）2由C3S、C2S 水化提
10、供，不需要额外加入激发剂。在水化开始的初期阶段，OH-开始侵蚀 SiO2-Al2O3网格状结构，OH-吸附于阳离子上，使阳离子和氧离子分离，造成网格状结构解体和破坏9，同时形成纤维状的 C-S-H 水化产物。杨南如10认为，Ai-O-Al、Si-O-Si和 Si-O-Al结构在OH-侵蚀下，Si4+可以把O拉向它的周围，从而使Si-O键断裂，其作用过程如下：-Si-O-Si-+OH-Si-O-+-Si-OH-Si-O-+OH-O-Si-OH当Ca2+或Na2+存在时：-Si-O-+Ca2+-Si-O-Ca-Si-O-Ca-+OH-Si-O-Ca-OHAi-O-Al键在OH-的作用下解聚反应类似
11、，以上反应说明了玻璃体受OH-作用而解聚，在碱性介质环境下，随龄期推移。当C-S-H不断生成和沉淀，促使水化反应持续进行，在二次水化开始的早期，水化反应速率较快，随着C-S-H不断生成和包裹在玻璃球体表面，阻碍了OH-对玻璃体的侵入和解聚作用，水化反应速率开始趋于缓慢。粉煤灰的水化还需要在一定温度条件下才能进行，由于水泥的水化反应能放出大量的热，其热量可以造成混凝土内部温度升高，继而促进粉煤灰的二次水化反应。多名学者研究的结果一致说明了在较高温度下，掺煤灰混凝土的后期水化速率会高于标养温度下的水化速率、程度11-12。因此，大掺量粉煤灰混凝土特别适合内部在较长时间段内保持较高温度、且降温速率缓
12、慢的大体积混凝土结构13。崔云鹏14研究了低温状态下掺粉煤灰混凝土的水化进程，发现粉煤灰抑制了胶凝材料体系早期的水化，抑制作用随着粉煤灰掺量的增加趋于明显。故在低温环境下或无法获得良好养护的条件下，粉煤灰不适宜大量掺入。4结语粉煤灰是在高温熔融状态下通过急速冷却的方式经烟道气体收尘获得的粉末，在形成过程中因质点无法进行规律周期性排列而形成具有活性的玻璃体。混凝土中粉煤灰的二次水化反应较缓慢，需要在一定的碱性溶液、温度条件下才能体现。参考文献1徐广强,魏敦崧,石奇光,等.四角切圆煤粉锅炉燃烧温度场的数值模拟J.上海电力学院学报,2007,95(03):227-230+239.2沈旦申.粉煤灰混凝
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