文献综述

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论文题目：粉煤灰对水泥基材料自身体积变形性能的影响 专业班级：07城建无机非二班 学号：07290110227 指导老师：王爱国

1.1研究目的与意义

我国水泥工业发展迅速，2007年我国水泥产量13.6亿吨，占世界水泥总产量的52％，连续23年居世界首位。由于我国经济正处于快速发展时期，据预测，我国水泥产量仍将以10%的速度增长。然而，水泥工业存在能源资源消耗大、产品质量偏低、环境负荷严重等突出问题。据统计，目前水泥工业能源年消耗约占全国消耗总量的4%；石灰石消耗约13亿t；CO2排放达10亿吨，占我国总排放量的16％；NOx和SO2废气排放量达200万吨左右；烟尘和粉尘排放约620万吨。另一方面，水泥能够利用工业废渣作为其辅助性胶凝组分。水泥工业目前利用废弃物的数量占废弃物排放总量的30%，为工业废渣的资源化利用发挥了重要作用。粉煤灰就是具有辅助性胶凝组分工业废渣的一种，但是粉煤灰利用方式是粗放式的，粉煤灰的高效资源化利用亟需科学性指导。

1.2 粉煤灰产生、性质及在水泥浆体中的作用 1.2.1粉煤灰的形成

粉煤灰的形成过程如图所示，包括煤粉的燃烧、灰渣的烧结、破裂、颗粒的熔融、骤冷成珠等。煤粉在高温和空气的湍流中，可燃的碳粒烧掉，灰分集聚、分裂、熔融，在表面张力和外部压力的作用下形成水滴状物质流出燃煤炉后骤冷，冷却凝结成玻璃微珠。有些微珠是壁薄中空微珠，密度比水小而漂浮在水面上，成为漂珠，壁厚结构密实的微珠密度比水大则是沉珠[1]。 熔融的灰分 粉煤灰 聚合 90% 燃烧 粉煤灰颗粒 蒸发 非均质凝聚 粉煤灰颗粒 亚维系粉煤灰颗粒

粉煤灰的形成大致可分为三个阶段。

第一阶段，煤粉在开始燃烧时，煤粉中气化温度低的组分首先从矿物与固定碳连接的缝隙间不断的逸出，使得粉煤灰变成多孔的碳粒。此时的煤灰，颗粒状态基本保持原来煤粉的不规则碎屑状，但是有很多的空隙，使得其比表面积更大。

第二阶段，伴随着多孔性炭粒中的有机质完全燃烧和温度的升高，其中的矿物质也将脱水、分解、氧化变成无机氧化物，此时的煤粉变成了多孔的玻璃体，但其形态上大体和多孔的炭粒差不多，但是比表面积则会明显的小于多孔的炭粒。

第三阶段，随着燃烧的进行，多孔的玻璃体逐渐熔融收缩而形成颗粒，其空隙率不断的降低，逐渐变成球形，粒径不断的变小。不同粒度和密实度的颗粒具有不同的化学和矿物学方面的特征，小颗粒一般比大颗粒更具有化学活性和玻璃性。最后形成的粉煤灰是外观相似、颗粒较细而不均匀的复杂多变的多相物质[2]。

1.2.2粉煤灰的性质与组成

(1)物理性质。表1.1是粉煤灰的基本物理性质。粉煤灰的物理性质包括密度、堆积密度、细度、比表面积、需水量等，这些性质是化学成分和矿物组成的宏观反映。

表1.1粉煤灰的基本物理性质 项目 密度g/cm3 堆积密度g/cm3 比表面积cm2/g 比表面积cm2/g 原灰标准稠度% 需水量%

28d抗压强度比 %

范围 1.9~2.9 0.531~1.261 800~19500 1180~6530 27.3~66.7 89~130 37~85

均值 2.1 0.780 3400 3300 48.0 106 66

粉煤灰的物理性质中，细度是最主要的指标之一，它直接影响着粉煤灰的其他性质，粉煤灰越细，其活性越高，对早期的水化反应影响较大[3]。

(2)化学性质。粉煤灰是一种人工火山灰质材料，它本身不具有水硬性或者水硬性很小，但是在水热条件下容易发挥其活性，水化生

成水硬性的物质，可以形成一定的强度。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）在碱性条件下的水化作用。所以粉煤灰中活性SiO2、活性Al2O3和f-CaO游离氧化钙都是粉煤灰的活性成分，硫在粉煤灰中一部分以可溶性的石膏的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定的促进作用。粉煤灰中少量的MgO、K2O、Na2O及等生成玻璃体，在水化反应中会促进碱硅反应，但是氧化镁的含量过多时会引起粉煤灰安定性的不良。粉煤灰中的炭粒疏松多孔，是一种惰性物质，不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的密实度也不利[3]。

(3)粉煤灰的组成 ①化学组成

我国火电厂粉煤灰主要由以下氧化物组成：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3 、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO等，粉煤灰的具体的化学成分和煤的产地、燃烧方式和煤的种类不同而不同，其主要的化学组成如表1.2所示[4]。

表1.2 我国电厂粉煤灰化学组成（wt%） 成分 范围 均值 SiO2 34.30~65.76 50.8 Al2O3 14.59~40.12 28.1 Fe2O3 1.50~ 15.22 6.2 CaO 0.44~ 16.80 3.7 MgO 0.20~ 3.72 1.2 SO3 0.00~ 6.00 0.8 Na2O 0.10~ 4.23 1.2 K2O 0.02~2.14 0.6 烧失量 0.63~ 29.97 7.9 ②矿物组成

一般认为粉煤灰中玻璃体占主要的部分，但是晶体物质的含量有时候也会很高，范围在11%~48%。主要的晶体相物质为莫来石、石英、赤铁矿、磁铁矿、铝酸三钙、黄长石、方镁石和石灰等，其中莫来石的比例最大，此外粉煤灰中还

有未燃烧尽的碳粒。表1.3和表1.4是粉煤灰中可能的晶体矿物相。

表1.3低钙粉煤灰中的晶体矿物 矿物 莫来石 石英

磁铁矿-铁盐酸

组成

3Al2O3.2SiO2 SiO2

Fe3O4（Mg.Fe)(Fe,Mg)2O4

矿物 磁铁矿 无水石膏

组成 Fe3O4 CaSO4

表1.4 高铁粉煤灰中的晶体矿物 矿物

钙铝、镁黄长石 铁酸盐-尖晶石 默硅镁钙石 白、斜硅钙石 石灰 方镁石 长石

组成

Ca,Mg,Al(Si2O7) （Mg.Fe)(Fe,Mg)2O4 Ca3Mg(Si2O7)2 Ca2SiO4 CaO MgO

(Na,Ca,Al)Si2O7

矿物 辉石 方石英 硅酸三钙 铝酸三钙 无水石膏 铝蓝方石 C12Al7

组成

(Ca,Mg,Al,Fe)Si2O7 SiO2 Ca3SO5 Ca3Al2O6 CaSO4 C4A3S

12CaO.7Al2O3

其中硬石膏是高钙粉煤灰的特征相，它可以和可溶性的铝酸盐反应生成钙矾石，因此硬石膏是粉煤灰中比较重要的矿物相，将影响粉煤灰的自硬性特征。所有的高钙粉煤灰中都含有石灰[5]。图1.1是粉煤灰的SiO2-Al2O3-FeO平衡相图，整体上粉煤灰的矿物组成落在莫来石区域。

图1.1粉煤灰的SiO2-Al2O3-FeO三元系统相图

1.2.3粉煤灰在粉煤灰-水泥体系中的作用和作用机理

在粉煤灰一水泥混合体系中，粉煤灰作为一种辅助胶凝材料它在水泥体系中的反应是二次水化反应，水泥与水的反应成为第一次水化反应。由于二次水化的作用，粉煤灰的掺入将会直接影响到硬化浆体中氢氧化钙的含量。在纯的硅酸盐水泥体系中，氢氧化钙的量一直增加。而掺加粉煤灰的体系中，氢氧化钙则是先有一个增加然后再减少。粉煤灰对钙矶石的含量也有一定的影响，实验结果表明掺加粉煤灰的硬化浆体中的钙矾石含量要高于纯硅酸盐水泥体系。