摘要：粉煤灰在磨粉机研磨阶段，粉煤灰的颗粒被细分，平均粒径进一步降低，同时表面变得粗糙，部分玻璃徽珠的形状被破坏，球形变得不规则，这一阶段的粉磨对粉煤灰徽粉的影响是多方位、深层次的，是发挥机械力活化功能，提高微粉效应的关键。我们通常所指的粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出被收尘器收集的物质。粉煤灰属人工火山灰质材料，用来做混凝土的掺和料不仅可以节约水泥，更重要的是改善了混凝土的性能。
一、什么是粉煤灰
粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，成为我国当前排量较大的工业废渣之一。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中的有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。但粉煤灰可资源化利用，如作为混凝土的掺合料等。
二、粉煤灰的组成
我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等，此外还有P2O5等。其中氧化硅、氧化钛来自黏土，岩页；氧化铁主要来自黄铁矿；氧化镁和氧化钙来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。
粉煤灰的元素组成(质量分数)为：O47.83%，Si11.48%～31.14%，Al6.40%～22.91%，Fe1.90%～18.51%，Ca0.30%～25.10%，K0.22%～3.10%，Mg0.05%～1.92%，Ti0.40%～1.80%，S0.03%～4.75%，Na0.05%～1.40%，P0.00%～0.90%，Cl0.00%～0.12%，其他0.50%～29.12%。
由于煤的灰量变化范围很广，而且这一变化不仅发生在来自世界各地或同一地区不同煤层的煤中，甚至也发生在同一煤矿不同的部分的煤中。因此，构成粉煤灰的具体化学成分含量，也就因煤的产地、煤的燃烧方式和程度等不同而有所不同。GQ-3B粉煤灰分析仪主要检测粉煤灰中二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙、氧化铁、二氧化钛等元素。
粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2)和活性Al2O3(玻璃体Al2O3)在一定碱性条件下的水化作用。因此，粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f-CaO(游离氧化钙)都是活性的有利成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。粉煤灰中的钙含量在3%左右，它对胶凝体的形成是有利的。国外把CaO含量超过10%的粉煤灰称为C类灰，而低与10%的粉煤灰称为F类灰。C类灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F类灰常作混凝土掺和料，它比C类灰使用时的水化热要低。
粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成较多玻璃体，在水化反应中会促进碱硅反应。但MgO含量过高时，对安定性带来不利影响。
粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一种惰性物质不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的压实也不利。过量的Fe2O3对粉煤灰的活性也不利。
粉煤灰的矿物组成
由于煤粉各颗粒间的化学成分并不完全一致，因此燃烧过程中形成的粉煤灰在排出的冷却过程中，形成了不同的物相。比如：氧化硅及氧化铝含量较高的玻璃珠，另外，粉煤灰中晶体矿物的含量与粉煤灰冷却速度有关。一般来说，冷却速度较快时，玻璃体含量较多：反之，玻璃体容易析晶。可见，从物相上讲，粉煤灰是晶体矿物和非晶体矿物的混合物。其矿物组成的波动范围较大。一般晶体矿物为石英、莫来石、氧化铁、氧化镁、生石灰及无水石膏等，非晶体矿物为玻璃体、无定形碳和次生褐铁矿，其中玻璃体含量占50%以上。
在显微镜下观察，粉煤灰是晶体、玻璃体及少量未燃炭组成的一个复合结构的混合体。混合体中这三者的比例随着煤燃烧所选用的技术及操作手法不同而不同。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其中结晶体包括石英、莫来石、磁铁矿等；玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则孔隙少的小颗粒、疏松多孔且形状不规则的玻璃体球等；未燃炭多呈疏松多孔形式。
三、粉煤灰的作用
（1）填充骨料颗粒的空隙并包裹它们形成润滑层，由于粉煤灰的容重（表观密度）只有水泥的2/3左右，而且粒形好（质量好的粉煤灰含大量玻璃微珠），因此能填充得更密实，在水泥用量较少的混凝土里尤其显著。
（2）对水泥颗粒起物理分散作用，使其分布得更均匀。当混凝土水胶比较低时，水化缓慢的粉煤灰可以提供水分，使水泥水化得更充分。
（3）粉煤灰和富集在骨料颗粒周围的氢氧化钙结晶发生火山灰反应，不仅生成具有胶凝性质的产物（与水泥中硅酸盐的水化产物相同），而且加强了薄弱的过渡区，对改善混凝土的各项性能有显著作用。
（4）粉煤灰延缓了水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。
四、粉煤灰掺合料的作用及意义
粉煤灰作为混凝土的掺合料，不仅能大大改善混凝土的工作性能、增强耐久性，而且减少了水泥用量，降低了工程成本。根据《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南》及大量现行科技文献资料显示，在结构混凝土中掺用一定数量的粉煤灰、矿渣粉等掺合料，不仅能够提高混凝土拌合物的工作性能，还大大提高了混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化和抗硫酸盐侵蚀性。在杭州湾跨海大桥、郑州黄河公铁两用大桥和咸阳渭河横桥等项目，桥梁工程的桩基、承台、墩柱和箱梁预制及现浇等混凝土结构物中，普遍使用粉煤灰掺合料，取得了良好的经济效益和社会效益。
五、粉煤灰掺合料在桥涵混凝土中的应用
1、利用粉煤灰掺合料配制泵送混凝土
为了提高施工工艺、加快工程进度、保证工程质量，现浇箱梁和现浇高墩多采用泵送混凝土，泵送混凝土拌和物的出机塌落度为80～200mm，要配制小用水量、大坍落度的混凝土，一般通过掺聚羧酸系高性能减水剂和掺合料来实现。掺合料通常采用粉煤灰，其用量控制凝结材料总量的35%左右。
聚羧酸系高性能减水剂的减水率可以达到25%～35%。以聚羧酸系高性能减水剂配制的高性能混凝土要想应用于施工,必须解决坍落度损失问题。混凝土从搅拌站生产并运输到工地，一般要30～60min，到工地时混凝土应有80～180mm的坍落度，才能进行泵送。通常的解决办法是加入载体流化剂，载体流化剂是用粉煤灰等活性载体吸附外加剂制成一定粒径的颗粒,加入流态混凝土中，让外加剂慢慢溶解而逐渐释放出来,使液相中保持有一定浓度的外加剂，从而使坍落度长时间保持稳定。
同时当混凝土具有大流动度的情况下，水泥浆体中凝絮结构已被完全破坏并分散，再添加外加剂已无法使坍落度继续增大。这时掺合粉煤灰掺合料后，由于高品质粉煤灰的形态多数是空心微珠玻璃球，这些微珠颗粒细小，表面光滑呈球状，嵌于水泥颗粒之间，起到滚珠润滑作用，增加混凝土的流动度，从而达到改善混凝土的拌和性能，减少混凝土的泌水性，提高可泵性，减缓混凝土的坍落度损失。而且由于粉煤灰的水化速度很慢，由微球的滚珠润滑作用产生的流动性增加，长时间内不会降低，可以达到延缓坍落度损失的目的。
2、利用粉煤灰掺合料提高混凝土强度，减少水泥用量，节约工程成本。
灌注桩水下混凝土工程量比较大，在不加掺合料的情况下，为了保证混凝土要有良好和易性，较大的坍落度，配制时往往采用加大砂率、提高水泥用量的方法，水泥用量一般在380Kg/m3。掺加粉煤灰后配制相同性能的水下混凝土水泥用量为270 Kg/m3，这样即增加了混凝土的耐久性又大大的降低了工程成本。
大体积承台混凝土，为了降低水化热，减少结构物早期裂缝，在配制混凝土时，普遍采用添加减水剂和掺合料的方法，降低水泥用量。粉煤灰掺合料的加入，使水泥熟料相对减少，一般可减少水泥用量的20%～40%，胶凝材料水化总热将会减少，从而降低混凝土内部温度应力，防止或减少了混凝土裂缝，同时又能提高混凝土的后期强度，大大增强了混凝土的耐久性。
五、结语
随着高速公路事业的不断发展，“五化”思想理念的不断深入，标准化施工的顺利实施，新技术、新工艺和新材料的不断应用，混凝土掺合料粉煤灰将会在桥涵混凝土中得到更普遍的应用，它不仅能大大降低工程成本，而且还有利于增强混凝土的耐久性，真正发挥其节能环保作用。
论文作者:白景泉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/31
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