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坑口电厂粉煤灰制备井下砌块的研究
 提问日期: 2003-06-25 19:03
摘 要 针对坑口电厂粉煤灰粒度粗、容重低、含碳量高的特点,对以这类粉煤灰为主要原料制备井下砌块的工艺及影响砌块强度的诸因素进行了研究。结果表明,在粉煤灰掺入量高达75%的情况下,砌块抗压强度可达20~25 MPa。   关键词 粉煤灰 坑口电厂 砌块 强度   自80年代起,粉煤灰综合利用的研究工作在国内普遍展开,目前已有一些较为成熟的技术,如粉煤灰水泥、粉煤灰砖、粉煤灰加气混凝土、粉煤灰橡胶填料、粉煤灰饰面玻璃、粉煤灰铺路和回填等技术。由于坑口电厂多为中小型电厂,设备不够完善,技术装备与科学管理水平较低,煤质差,使其产生的粉煤灰粒度粗;未能充分燃烧,严重影响了粉煤灰的活性,即这类低质粉煤灰的再利用性。国内对这类低质粉煤灰的研究与利用报道很少。本研究的重点是以坑口电厂低质粉煤灰为基底材料,研制出具有一定强度的井下砌块。根据各局矿的自身需要,还可以制备诸如水沟盖板、铁道轨枕、井下支护、巷道密封和巷道壁后充填等材料以及建筑材料,如粉煤灰砖、空心砌块等。我们用两个矿务局电厂的粉煤灰即Y电厂粉煤灰和L电厂粉煤灰的试验结果表明,在粉煤灰的掺入量高达75%的情况下,砌块的抗压强度可达20~25 MPa。 1 Y和L电厂粉煤灰的物理与化学特性   为了说明坑口电厂粉煤灰的物理与化学特性,现将我国行业标准“硅酸盐建筑制品用粉煤灰”中的部分指标、大型电厂如石景山电厂粉煤灰部分指标以及Y电厂与L电厂粉煤灰的指标列于表1中。 表1 坑口电厂粉煤灰指标与JC409-91标准的比较 粉煤灰指标 JC409-91标准 石景山电厂 Ⅰ级粉煤灰 Y电厂 粉煤灰 L电厂粉煤灰 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 细度(0.045 mm筛余量)/% ≤30 ≤45 ≤55 4 0.08 mm筛余75 73.0(0.08 mm筛余52) 需水量比/% ≤95 ≤105 ≤115 92 - - 烧失量/% ≤5 ≤12 ≤15 3.7 5.35 5.24 SO3含量/% ≤2 ≤2 ≤2 0.04 0.25 0.21 SiO2含量/% ≥40 ≥40 ≥40 49.92 45.31 61.01   由表1可见,Y灰与L灰与大电厂灰相比具有如下特点:在粒径和细度方面,0.045 mm筛余量远达不到标准JC409-91中对粉煤灰的质量要求,比大电厂灰的颗粒粗得多,如不做加工改性,几乎没有活性,作细骨料则强度亦不够,无法利用。经过实验比较,我们还认为粉煤灰的容重(表2)是粉煤灰物理特征中的一个重要指标,对粉煤灰制品的强度有较大影响。在烧失量方面,一般坑口电厂的粉煤灰烧失量偏高,即其含碳量偏高。Y和L灰的烧失量还比较低,有的坑口电厂粉煤灰的烧失量高达19.25%。实验表明,坑口电厂原状粉煤灰粒度粗,容重低,含碳量高等特性是制约其有效利用的主要因素。 表2 粉煤灰振实容重分析 粉煤灰状态 振实容重/g.cm-3 Y粉煤灰 L粉煤灰 原状灰 0.935 0.743 磨细灰 1.168 1.034   Y灰与L灰的化学成分分析见表3。分析结果表明,这两种灰属于低钙粉煤灰,各项指标符合标准JC409-91的要求。 表3 Y粉煤灰与L粉煤灰的化学成分        % 成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 SO3 P2O5 K2O Na2O 烧失量 总量 Y灰 45.31 27.92 14.17 3.16 0.72 1.78 0.25 0.12 0.62 0.26 5.35 99.66 L灰 61.01 19.10 4.49 3.61 0.92 0.96 0.21 0.25 1.25 2.03 5.24 99.07 2 坑口电厂粉煤灰的改性 2.1 筛分   有些坑口电厂粉煤灰烧失量较大,即含碳量较高,这些高含碳量的灰大都分布在燃烧不充分的较大颗粒中。筛分可以有效地去除粉煤灰中的碳。对烧失量较低的粉煤灰,可以省略筛分步骤。 2.2 细磨   对坑口电厂粉煤灰,细磨处理是提高其活性的最有效的方法。以Y灰为例,未经磨细的筛分细灰(过0.1 mm筛)与经磨细一定时间的磨细灰(0.08 mm筛余58%)相比较,在相同的配方和养护条件下,试块7 d抗压强度分别为13.7 MPa和21.1 MPa,磨细灰制品的强度提高了约50%。测试结果还表明,细磨的粉煤灰可使其振实容重提高25%以上(见表2),颗粒变细且均匀化,颗粒表面粗糙程度增加,表面反应活化点增多且富于活性。在水化早期,其火山灰活性提高,能反应的粉煤灰表面结构趋于无定形化,从而使粉煤灰玻璃体颗粒表面的反应能力增强。因而机械磨细对提高粉煤灰的活性非常有效,制得的砌块强度有很大的提高。粉煤灰还可与生石灰配合后一道进行细磨。 3 井下砌块的制备工艺   在尽可能多的利用粉煤灰的前提下,充分考虑井下砌块制备工艺的经济实用性,经过大量的试验研究,我们提出了如图1所示的一般坑口电厂粉煤灰制备井下砌块的工艺流程。 图1 粉煤灰井下砌块制备工艺框图 4 影响井下砌块抗压强度的诸因素   为了使制得的砌块具有一定强度,除了尽可能多地使用粉煤灰外,还要加入一定量的水泥、石灰、石膏和添加剂。图2是水泥加入量对砌块抗压强度的影响。图2结果表明,随水泥掺量的增加,试块的抗压强度也随之提高。水泥掺量是影响砌块强度和经济性的重要因素,掺入量要视砌块应用的要求而定。 图2 水泥掺量变化对粉煤灰砌块抗压强度的影响   图3是生石灰掺量对砌块抗压强度的影响。图3结果表明,加入生石灰可以显著地提高粉煤灰砌块的早期强度。当生石灰掺量从1.6%增加到18%时,试块7 d抗压强度由8 MPa提高到23 MPa。一般来说,粉煤灰硅酸盐制品,由于粉煤灰玻璃相结构致密,可溶性SiO2、Al2O3少,因而早期化学活性低。加入生石灰,其碱性对Si―O―Si、Si―O―Al 网络有破坏解聚作用,是粉煤灰有效的激发剂和碱胶凝材料的组分,可以提高早期强度,并与粉煤灰经水化反应形成有较好强度的硅酸盐胶凝材料。 图3 生石灰掺量变化对砌块抗压强度的影响   图4是石膏掺量对砌块抗压强度的影响。由图4看出,加入石膏可以进一步提高粉煤灰制品的强度,加入石膏可提高Ca(OH)2的溶解度,且可以在制品中生成钙矾石,对制品强度有利,但掺加量有一定的限制范围。 图4 石膏掺量对砌块抗压强度的影响 5 养护条件对粉煤灰砌块强度的影响   选择了2种养护条件。一是高温恒湿养护,即试块成型后带模于室温恒湿箱中静停24 h后脱模,置于调温调湿箱中,升温至40 ℃,相对湿度为90%条件下停2 h,升温到60 ℃,相对湿度90%条件下停24 h,降温后,置于室温恒湿箱中养护,直到测试抗压强度。另一种是室温保湿养护,即试块成型后带模于室温恒湿箱中静停24 h后脱模,仍置于室温恒湿箱中养护,直至测试抗压强度。图5表示了在这两种养护条件下,砌块的7 d和28 d强度。 图5 养护条件对砌块抗压强度的影响   图5表明,试块的养护条件对制品强度有较大影响。粉煤灰砌块的早期强度在室温保湿条件下发展比较缓慢,但后期强度较好,且其强度可以在较长时间内持续增长。说明室温保湿条件下,粉煤灰与Ca(OH)2逐渐进行水化反应,水化所需要的水分供给与消耗保持平衡。而在高温恒湿养护条件下,在60~70 ℃下静停24 h,试块外部水化速度较快,形成的胶凝体具有一定的强度,尽管相对湿度高达90%,但因蒸汽没有压力,试块内部蒸养不透,待降至室温后,环境水分不易渗入试块内部,内部的粉煤灰因水分缺乏等原因其水化反应趋缓,强度增长幅度放慢。 6 结论及应用前景   (1)与大电厂粉煤灰相比,坑口电厂粉煤灰具有粒度大、均匀性差、容重低、烧失量偏高等特点,用它制备井下砌块需要做磨细处理,必要时做筛分预处理。用磨细灰制成的试块强度可比原状灰制成品强度提高50%左右。   (2)试块强度随水泥掺入量的增加而增加,掺入生石灰可以明显改善试块早期强度,掺入一定量的石膏可以进一步提高试块的强度。   (3)高温恒湿养护比室温保湿养护条件下得到的制品早期强度高,但后期强度增长幅度趋缓。   (4)用占固体原料70%~75%的粉煤灰制成的试块,28 d强度可达25 MPa,1 m3砌块的原材料成本约为60~65元。   (5)用坑口电厂粉煤灰制备井下支护材料的关键是在制品技术指标达到应用要求的前提下,使其经济指标具有竞争力。根据目前国内硅酸盐制品设备的市场价格,年产100万块砌块的设备投资约在25~60万元之间。在此研究结果的基础上可以开展筹建粉煤灰井下砌块厂的工作。 作者简介 秘洁芳 1964生,硕士,讲师,1985年毕业于山东大学化学系。现从事矿用材料的研制与开发工作,曾发表论文3篇。地址:北京市和平里,邮码:100013。 作者单位:煤炭科学研究总院北京开采研究所
 提问者:刘小俊  

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