粉煤灰与尾矿石利用说明.docx

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粉煤灰与尾矿石利用说明

粉煤灰及尾矿机碎石综合利用说明

一、粉煤灰及尾矿石简介

1、粉煤灰

粉煤灰又称飞灰，顾名思义是指粉煤灰是种圆珠颗粒非常细以致能在空气中流动并能被特殊设备收集的粉状物质。

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资。

粉煤灰是一种灰褐色，通常呈酸性的，比表面积在2500～7000m2/g，尺寸从几百微米（10-6米）到几微米，通常为球状的颗粒，主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3，有些时候还含有比较高的CaO。

粉煤灰是一种典型的非均质性物资，有未燃尽的碳、未发生变化的矿物（如石英等）和碎片等，而相当大

比例是粒径<10mm的球状铝硅颗粒，通常大于50％。

粉煤灰是排放量很大的一种工业料，在所有燃煤副产品中占有绝对大的比例，并且随世界各国对环境要求的提高、收尘技术的发展的大量低级煤的使用，粉煤灰的排放量增长速度也非常快。

现代化火力电厂，煤必须进行粉磨才能送入燃烧室，粉磨的细度首先要满足煤灰能悬浮在空气中，然后并能满足在最短时间燃烧充分，通常煤灰颗粒越细越能满足这样的条件，但对于不同的煤，满足最短时间燃烧充分的最佳颗粒尺寸有一定的差异，一般来说煤灰颗粒的尺寸通常在30~70微米，当然实际煤粉的尺寸可能比此围要宽，因此一般煤粉的平均粒径在50微米，小于10微米和大于100微米的颗粒形状为球形，而煤粉颗粒形状则不是这样规则，但在很高温度下，煤粉颗粒将发生一系列的物理化学变化。

首先煤粉达到熔融状态后由于表面力的作用要使得边面能达到最小，则煤粉颗粒的棱角将会收缩成为球状，这些熔化的球状颗粒将会在由于每粉燃烧过程中产生的CO、CO2、SO2和水蒸气中漂浮，当这些颗粒充分燃烧后离开火焰区域后，将会迅速移动到温度较低的区域，然后淬灭成中空厚壁的球状颗粒。

由于CO、CO2、SO2和水蒸气的存在，这些颗粒可能与这些气体发生二次反应进行聚合和解聚。

这些形状相似的在排出烟道过程中被除尘器收集到粉末我们就称为粉煤灰。

世界上很多国家大部分粉煤灰都未被利用因而贮存在灰场，这些未被的粉煤灰对环境的影响除通过渗滤影响水源外，还会引起空气污染和占用土地而影响环境。

由于粉煤灰颗粒很细，堆放于灰场的粉煤灰如果含水率比较低，将会因为风力而产生空气污染，一般来说当风力达到3级时就可以扬起粉尘。

粉煤灰的化学成分主要是硅、铝、铁的氧化物，其次为钙、镁、硫及未燃碳。

氧化硅及氧化铝的总量一般在60%以上。

我国大多数粉煤灰的化学成分如下：

SiO240%~60%,A12O315%~40%,Fe2O33%~10%,CaO2%~5%,MgO0.5%~2.5%,SO3<2%,A12O3+SiO2>60%,烧失量1%~20%。

从它的组成来看，粉煤灰属于CaO-A12O3-SiO2系统，而且由于煤种、煤粉细度及燃烧条件的不同，粉煤灰的化学成分也有很大的波动。

粉煤灰的活性取决于A12O3、SiO2的含量，CaO含量偏高时对活性有利。

然而未燃碳的含量偏高时会减弱水硬性及硬化体的耐久性等。

从CaO-A12O3-SiO2的三元系统来看，粉煤灰与矿渣、硅酸盐水泥等相比其整体上化学组成的变化围比较大，由于粉煤灰是一种典型的非均质材料，如果考察不同粉煤灰颗粒，化学组成的变化围将更大。

粉煤灰的矿相主要是铝硅玻璃体，一般占70%以上，除此以外还有少量的石英（a-SiO2）、莫来石（A12O3·SiO2）等结晶矿物及未燃炭粒。

硅质或铝硅质材料本身不具有或只有很弱的胶凝性质，但在水存在的情况下与CaO化合将会形成水硬性固体，这种性质称为火山灰性质。

因为粉煤灰的火山灰活性通常采用比抗压强度来表示，因此不少研究者将粉煤灰的火山灰活性划归为粉煤灰的物理性质。

粉煤灰，特别是低钙粉煤灰，从化学组成上看是一种比较典型的火山灰质材料，粉煤灰的很多工程应用都是建立在对粉煤灰这种潜在的火山灰性质的利用上，因此火山灰性质是粉煤灰最基本的性质。

粉煤灰与水泥的反应将显著影响硬化水泥浆体和混凝土的最终性质，粉煤灰的CaO含量不同，粉煤灰与水泥反应差异也比较大。

低钙粉煤灰中，可与水泥反应的组分主要是玻璃体，粉煤灰颗粒中的石英、赤铁矿、磁铁矿等晶体相在水泥中是没有反应性的，而玻璃体在通常温度下与水泥反应速度也很慢，但是在尺寸相对比较大的构件中因为水泥水化热而提高的温度下，这种水化反应将更快，程度也更大，如果蒸汽养护或蒸压条件下这种反应速度非常迅速；高钙粉煤灰中，不仅玻璃体还有一些晶体组分都有化学反应性，一些粉煤灰含有游离氧化钙、硫酸钙、C3A这些活性晶体组分的含量比较高，加水后可直接生成钙矾石、单硫型铝酸钙，甚至C-S-H凝胶。

粉煤灰所具有的火山灰活性决定它可用于混凝土中，而且经过理论及实践证明了粉煤灰用于混凝土的优点主要为：

1）节省费用，取代部分水泥从而降低成本

2）改善新拌混凝土的工作性，提高施工性能

3）改善混凝土的长期性能或极限强度，提高混凝土耐久性

4）改善混凝土抗硫酸盐侵蚀、碱集料反应等耐久性能

5）与外加剂的迭加效应，使减水剂效果更为明显

6）降低混凝土的放热高峰，控制大体积混凝土的温度裂缝

粉煤灰最初用于混凝土的主要技术优势，就是能非常显著改善新拌混凝土的工作性能，所有研究结果都证实粉煤灰改善新拌混凝土工作性的作用，具体来说，其作用在以下几个方面：

1）减少混凝土需水量

2）改善混凝土泵送性能

3）提高混凝土密实性、流动性和塑性

4）减少泌水与离析

5）减少坍落度损失

从以上的分析中可以看出，如何针对粉煤灰对大气环境和周围景观所产生的危害，采取比较可行的将其有效地用于预拌混凝土生产的措施是很有意义的。

粉煤灰的有效利用可以减少环境污染，减少占用的土地量，防止了它对地下水的污染，降低了因粉尘对大气的污染，具有良好的经济效益和社会效益。

2、尾矿石

石子、砂子是混凝土中的填充料。

粒径在5mm以上的为粗集料，石子属于粗集料，故石子粒径应控制在5mm以上。

用高强度的集料构成的刚性骨架可提高混凝土的密度和变形模量，从而减小荷载作用下的变形（包括徐变）。

水泥石在硬化时的收缩可达1mm/m~2mm/m，由于不均匀的收缩变形，水泥石会产生应力，从而可导致裂缝。

集料可制约水泥石的收缩，使混凝土的收缩比水泥石的收缩减少数倍。

所以集料在混凝土中的重要作用是减少因荷载、干缩或其它原因引起的变形，使混凝土具有良好的体积稳定性。

砂石集料比水泥便宜得多，以砂石为填充料是混凝土价格低廉的重要原因。

为了使集料的技术和经济作用得到充分地发挥，对集料的要：

坚硬、高强、耐久，无有害杂质以及具有较小的粒间空隙和较小的总面积。

尾矿石是矿山开采了的剥离层加工成为可利用于混凝土的集料，可谓是变废为宝。

经过严格的筛选和试验，其能满足混凝土碎石指标，它可以用于混凝土中，产生了良好的经济效益。

减少矿山开采时的费石处理开支，可以及时清除出来费石所占用的场地，为矿山的开采提供了额外的收入。

尾矿石的有效利用可保护环境，是资源有效再利用的好方法。

二、粉煤灰及尾矿石有效利用措施

市城昌混凝土制品实验室一直致力于粉煤灰及尾矿石在混凝土中充分得到有效利用的研究，是为了取得较好的经济效益和为社会主义环境保护作贡献。

解决了将粉煤灰作为掺合料以较大的掺量应用于混凝土生产中时早期强度低的技术问题，通过大量的试验找到了较为合理的粉煤灰取代系数和水泥取代量，所生产的混凝土完全满足技术要求。

而尾矿石和碎石的混用是切实可行的，降低了成本，又不会增加多少生产工艺。

经计算和试验调整，可以将粉煤灰和尾矿石在混凝土的体积占有率提高到30%以上，具体的试验方法及试验数据如下：

1、原材料

水泥：

兴隆P.O32.5太行山前景P.O42.5

掺合料：

蓟县Ⅱ级粉煤灰

外加剂：

瑞帝斯FAC-7

砂：

涿州Ⅱ区中砂

碎石：

涿州碎石5~25mm

尾矿石：

智研尾矿石5~25mm

2、配合比设计方法

配合比的设计符合JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》要求。

部分数据为试验经验数据，是通过大量的试验得到的。

设计的混凝土为大流动性混凝土（flowingconcrete）,设计步骤如下：

1）根据水泥强度和混凝土强度标准差确定水灰比

2）确定用水量（此为所用外加剂减水率相应的经验数据）

3）确定水泥用量

4）根据粉煤灰取代水泥率和超量取代系数确定粉煤灰用量和新水泥用量

5）根据胶凝材料用量和外加剂掺量计算外加剂用量

6）确定砂率（此为经验数据）

7）根据容重按重量法计算砂石用量

8）确定配合比

最后根据以上方法确定的配合比来进行试配，调整配比，进行相关的混凝土拌和物性能试验，其中包括坍落度的经时损失试验等，使其工作性满足施工要求。

然后成型一定量的混凝土试块到一定的龄期进行力学性能试验。

以上各项试验过程均符合相应的标准要求。

3、混凝土配合比设计样例

现以C30混凝土配合比设计为例：

1）混凝土配制强度fcu，o≥fcu，K+1.645σ，水泥采用P.O32.5，富余系数取1.15

用碎石，计算过程如下：

fcu，o=30+1.645×5.0

=38.2（Mpa）

aa●fce

水灰比确定W/C=fcu,o+aa●ab●fce

0.46×32.5×1.15

W/C=

38.2+0.46×0.07×32.5×1.15

所以W/C=0.43

2）单方用水量mw0=177kg

3）水泥用量

mwo

mco=W/C

=410kg

4）粉煤灰取代水泥37%，粉煤灰的超量取代系数为1.7

粉煤灰用量为

mfa0=410×37%×1.7=258kg

调整后水泥用量为

mc=410×（1-37%）=258kg

5）外加剂掺量2.1%

外加剂mad0=（mfa+mc）×2.1%=10.8kg

6）砂率βs=43%

7）假定混凝土容量mo=2380kg/m2，

砂的用量

石子用量

经计算其中碎石占40%，尾矿石占60%时较为合适，所以有

碎石

8）C30混凝土配合比如下，单位为kg/m3

水泥

粉煤灰

外加剂

水

砂

碎石

尾矿石

258

258

10.8

177

722

383

574

经试配后测得容量为2375kg，误差不超过2%，不用修正，且混凝土和易性好，不离析不泌水。

坍落度损失小，强度满足设计要求，可用于施工。

经检测粉煤灰表观密度为2078kg/m3，尾矿石表观密度为2804kg/m3，从以上配合比中计算得两者总体积为：

V=258/2078+574/2804=0.329m3

即占混凝土体积的32.9%

也即是C30混凝土中粉煤灰和尾矿石的总体积达到了32.9％。

4、生产控制措施

在配合比实际生产的过程中，我们采用以下的生产技术控制措施：

1）定期校验计量设备，水泥、掺合料、水的计量偏差不超过1％

集料的计量偏差不超过2％。

2）混凝土的拌和时间要足够，以保证水泥、掺合料、外加剂拌和均匀，提高混凝土的匀质性。

3）为了提高泵送剂的减水效率并减小坍落度损失，我们采用泵送剂滞后掺法。

先将水泥、粉煤灰、水、砂、石进行搅拌，于出料前10～20秒加入泵送剂，实际应用效果良好。

附：

C10~C60混凝土配合比表及混凝土试配记录及相关检测报告