酸處理粉煤灰用作水泥混合材的實驗研究

　　我國是一個以煤為主要能源的國家，每年要消耗大量的煤并排放出大量的粉煤灰。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和對電力需求的進(jìn)一步擴(kuò)大，粉煤灰的排放量快速遞增；年排放量早已超過1億噸。但是粉煤灰的利用率一直低下，且利用方式和技術(shù)也比較落后，以建材資源化為主。巨量的粉煤灰造成了嚴(yán)重的環(huán)保壓力。沒有得到利用的大量粉煤灰，多是以灰漿形式排往灰?guī)於逊e存放，對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和社會安全造成相當(dāng)大的影響；同時也是嚴(yán)重的資源浪費。這些濕排灰的活性低，只能用于回填路基等。 

　　我國的粉煤灰多是CaO含量低的F類，一般情況下，硅、鐵、鋁三種元素的氧化物占到了粉煤灰質(zhì)量的70%以上。硅含量高的粉煤灰具有良好的火山灰活性，適宜水泥混合材、混凝土摻合料方向的資源化利用，目前很大部分粉煤灰就是通過這種途徑處理的；而高鐵、鋁的粉煤灰，其火山灰活性相對較低，但卻具有提取鐵、鋁的潛在可能。粉煤灰中含有大量的鐵、鋁組分，是難得的鐵、鋁礦再生資源；從粉煤灰中低成本提取出鐵、鋁，可實現(xiàn)粉煤灰的再生資源礦利用，對于緩解我國鐵、鋁礦資源嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀具有重要的意義。提取了鐵、鋁后的粉煤灰的性能如何變化，關(guān)系到這些粉煤灰的處置和利用方式，關(guān)系到這些粉煤灰是否會成為二次污染源。本文進(jìn)行了利用鈦白廢酸提取鐵、鋁后的粉煤灰用作水泥混合材的實驗研究。 

　　1 實驗用材料與制備方法

　　1.1 原材料  

　　九龍干灰，取自重慶九龍電力公司灰?guī)?，煤粉鍋爐排放的粉煤灰，袋裝II級粉煤灰。主要化學(xué)成分見表1。  

　　九龍庫灰，取自重慶九龍電力公司灰?guī)欤悍坼仩t排放的粉煤灰，多年濕排陳灰。105±5℃烘干后備用；主要化學(xué)成分見表1。 

　　鈦灰，取自某鈦白粉公司自備電廠，循環(huán)流化床鍋爐排放的粉煤灰，濕排。105±5℃烘干后備用。主要化學(xué)成分見表1。 

　　藍(lán)天熟料，取自重慶藍(lán)天水泥廠，立窯水泥熟料，主要化學(xué)成分見表1。安定性合格。 

　　富皇熟料，取自重慶富皇水泥廠，旋窯水泥熟料，SO3含量0.60%。安定性合格。 

　　拉法基熟料，取自重慶拉法基水泥廠，旋窯水泥熟料，SO3含量0.50%。安定性合格。 

　　鈦白廢酸，取自某鈦白粉公司，含20% 硫酸，密度1250kg/m3。 

　　1.2 酸處理粉煤灰的制備 

　　將粉煤灰與20%濃度的鈦白廢酸按1kg灰：3L酸的比例混合，以少量的氟化物為助溶劑，在95-102℃條件下處理2小時后，過濾分離、洗滌。將洗凈后粉煤灰在105±5℃烘干即得酸處理粉煤灰；濾液可進(jìn)一步加工成為聚合硫酸鋁鐵混凝劑，從而實現(xiàn)鈦白廢酸-粉煤灰的完全資源化利用。具體工藝流程見圖1。 

　　按上述方法分別制得處理庫灰和處理鈦灰兩種酸處理粉煤灰。其化學(xué)成分見表１ 

　　1.3 實驗用水泥的制備 

　　將粉煤灰與熟料按比例配料，加適量石膏調(diào)節(jié)水泥中的SO3在3.0-3.2%范圍內(nèi)。然后球磨機(jī)中磨至0.08ｍｍ篩余為２.0±１.0％。 

　　2 實驗方法 

　　按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）》測試水泥的強(qiáng)度。 

　　參照GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》計算粉煤灰活性指數(shù)。 

　　3 實驗結(jié)果與分析  

　　3.1 酸處理粉煤灰用于立窯熟料 

　　用藍(lán)天水泥熟料與酸處理九龍庫灰按表2中的比例分別制得水泥，比較酸處理后粉煤灰不同摻量對立窯水泥的強(qiáng)度性能指標(biāo)影響。見表2。 

　　實驗結(jié)果表明，對于立窯水泥熟料，摻10%、20%和25%酸處理粉煤灰的水泥均具有比較良好的活性，活性指數(shù)分別達(dá)到102％、89％和87％。其中摻10%酸處理粉煤灰水泥的3d、28d的抗折、抗壓強(qiáng)度全面超過硅酸鹽水泥，這說明酸處理后粉煤灰具有非常良好的火山灰活性。  

　　 3.2 酸處理粉煤灰用于旋窯熟料 

　　選用富皇旋窯水泥熟料，按表3中的比例制得實驗用水泥，比較酸處理粉煤灰與九龍干灰對旋窯水泥強(qiáng)度性能指標(biāo)的影響。實驗結(jié)果見表3。 

　　實驗結(jié)果表明，對于旋窯水泥熟料，酸處理粉煤灰同樣具有良好的活性。摻10%、15%酸處理粉煤灰水泥的活性指數(shù)分別達(dá)到了105％和92％；而摻10%、20%九龍干灰的水泥活性指數(shù)分別為96％和82％。摻10%酸處理粉煤灰水泥的3d、28d強(qiáng)度全面超過硅酸鹽水泥；而摻10%九龍干灰水泥的3d、28d抗壓強(qiáng)度均低于硅酸鹽水泥的3d、28d抗壓強(qiáng)度。與九龍干灰的對比說明，說明酸處理粉煤灰具有良好的活性。 

　　3.3 不同種類的酸處理粉煤灰對水泥強(qiáng)度的影響 

　　采用拉法基水泥旋窯水泥熟料制得實驗用水泥，比較了酸處理庫灰和酸處理鈦灰這兩種不同粉煤灰對水泥的強(qiáng)度性能指標(biāo)的影響，見表4。 

　　實驗結(jié)果表明：1、兩種經(jīng)過酸處理后的粉煤灰在10%摻量時的活性指數(shù)均超過100％，說明酸處理可以使粉煤灰具有良好的活性；2、酸處理庫灰明顯優(yōu)于酸處理鈦灰，這說明粉煤灰的來源、質(zhì)量對酸處理粉煤灰的活性具有很大的影響。  

　　3.4 分析 

　　表2、表3和表4的實驗數(shù)據(jù)表明，酸處理粉煤灰具有良好的火山灰活性，摻入酸處理粉煤灰的水泥的強(qiáng)度甚至可以高于硅酸鹽水泥的強(qiáng)度；酸處理粉煤灰在10%摻量具有最高的活性指數(shù)。酸處理后粉煤灰火山灰活性的提高主要是因為：１、在酸處理粉煤灰的過程中，粉煤灰中的部分鐵、鋁溶出（見表1），提高了粉煤灰中活性硅的比例；２、粉煤灰中鐵、鋁的溶出也形成大量的新表面，提高了粉煤灰的比表面積。比較粉煤灰經(jīng)過酸處理前后的形貌（圖2-5），我們可以發(fā)現(xiàn)酸處理后的鈦灰中出現(xiàn)了大量的蜂窩狀顆粒；而酸處理后庫灰顆粒表面嚴(yán)重粗糙，且有明顯的因溶蝕而出現(xiàn)的孔洞。