煤粉炉粉煤灰和循环流化床锅炉粉煤灰的特性及其对蒸压加气混凝土性能的影响

OF 灰和CFB 灰在矿物组成、微观形貌和烧失量等方面存在较大的区别，这些特性不仅直接影响粉煤灰活性，而且影响粉煤灰蒸压加气混凝土制品的质量。本文利用激光粒度仪、维卡仪、扫描电镜、冻融试验机和X 射线衍射仪对OF 灰和CFB 灰的几种参数进行分析并比较它们性能的差异，以期为两类不同粉煤灰的利用提供一定的基础研究。

结果与讨论

1.1 细度

表1 分别为OF 灰和CFB 灰的粒度特征参数，图1 为OF 灰和CFB 灰的粒度分布图。从图1 可以看出两类粉煤灰的颗粒分布比较集中，粒度分布在0～45 μm 之间；较细颗粒和较粗颗粒均较少，结合表1 中各项粒度特征参数看，OF 灰稍细但两者差别不大。

1.2 标准稠度需水量

图2 为两类不同粉煤灰的标准稠度需水量结果。由图可知，CFB 灰的标准稠度需水量远大于OF灰的标准稠度需水量。图3 为OF 灰和CFB 灰的SEM 照片， 由图3 可知，CFB 灰中多数为结构疏松的多孔结构，多孔结构需水量大；同时CFB 灰中的含碳量较高，未燃尽碳粒内部多孔、结构疏松、孔腔吸水性高，这两类主要因素导致CFB 灰的标准稠度需水量较大。

1.3 微观形貌

图3（a）和图3（b）为OF 灰的低倍和高倍SEM照片， 由图看出，OF 灰的颗粒以大小不一的球形颗粒为主，球形微珠表面光滑，结构比较致密；且有很少量不规则形状的颗粒。图3（c）和图3（d）为CFB灰的低倍和高倍SEM 照片， 由图看出，CFB 灰多数为不规则、结构疏松的渣状颗粒，粒径较大；这主要是由于循环流化床锅炉的燃烧温度在850～950 ℃，通常将炉内温度控制在不使灰熔化的温度，所以在CFB 灰中不存在形成球形微珠的条件， 而OF 灰经1 400 ℃以上的高温迅速冷却， 在表面张力的作用下收缩成球形颗粒， 所以玻璃相在OF 灰中占有很大比例。

1.4 化学性质

（1）化学成分

粉煤灰的化学成分是评价粉煤灰质量高低的重要技术参数。粉煤灰的形成与原煤、燃烧形式和集灰方式等有关，其化学成分变化范围很大。因此，对其成分分析，是决定如何合理、有效利用粉煤灰的关键性工作之一。

表2 为各原材料的化学组成情况。由表2 可知，OF 灰与CFB 灰相比，SiO2含量相差不大；CFB灰SO3含量略高于OF 灰， 这可能低温燃烧下的煤中SO3更易留存于粉煤灰中；Al2O3和Fe2O3的含量主要取决于煤种，两类灰的Al2O3和Fe2O3含量基本相仿。

（2）烧失量

由表2 可知，CFB 灰的烧失量高于OF 灰的，烧失量的高低主要由粉煤灰中的碳粒含量决定的；由于循环流化床锅炉的燃烧温度在850～950 ℃，燃烧不完全，因此，有一定量的惰性碳没有完全燃烧，导致CFB 灰的烧失量比较高；随着科技的发展，新旧炉型的不同也会对烧失量产生影响。

1.5 物相组

图4 为两类粉煤灰的X 射线衍射图。与标准卡片库对比可知，OF 灰主要含有石英、莫来石和赤铁矿，CFB 灰中主要晶相为石英， 不同煤种由于其化学成分不尽相同，因此，形成的粉煤灰中除了石英还可能包括赤铁矿、硬石膏等；CFB 灰与OF 灰主要区别在于CFB 灰中几乎不存在莫来石相，这主要是由于两者的不同燃烧条件决定的，由于循环流化床锅炉燃烧温度比较低（850～950 ℃）， 而莫来石一般在1 150 ℃以上形成。

1.6 蒸压加气混凝土（AAC）的性能

AAC 的水化产物组成、组成含量和形态结构是决定其性能的最终因素。图5 为OFAAC 和CFAA的XRD 图，由图5 可知，粉煤灰AAC 的水化产物主要组成是石英、托勃莫来石、C-S-H（Ⅰ）以及水化石榴石。

（1）AAC 抗压强度

表3 为两类粉煤灰蒸压加气混凝土的物理力学性能试验结果。

由表3 可知，OFAAC 抗压强度均达到B05 级、A3.5 优等品要求，而CFBAAC 中只有CFBAAC4 达到B05 级、A2.5 合格品要求。两类粉煤灰AAC 抗压强度存在较大差异的原因可能是：OFAAC 采用的OF 原料中SiO2和Al2O3呈无定形，活性大，有利于促成C-S-H（Ⅰ）和托勃莫来石产物的生成， 如图5 中所示，OFAAC 系列中CS-H （Ⅰ） 和托勃莫来石产物衍射峰强度明显高于CFBAAC 系列， 从而大大提高基体的强度；而CFBAAC 样品中托勃莫来石和C-S-H（Ⅰ）产物相对较少，水化石榴石较多，这可能是导致制品强度较低的原因之一。

CFB 灰相较于OF 灰烧失量高， 即粉煤灰中的含碳量高。碳是一种疏松多孔物质，有很强的吸水性，导致粉煤灰需水量大，为满足生产过程中所需的一定流动度，需要较高的水料比，在蒸压养护过程中绝大部分以自由水而非离子水形式存在，蒸压养护完成后，留下较多的毛细孔，密实度减小，制品质量降低；另外，含碳量高，在水化反应过程中，水会在碳的表面形成一层憎水性薄膜，不利于水分向粉煤灰内部的渗透，影响水化产物的生成，进而影响AAC 制品的强度。相对而言，CFBAAC4 强度较高，可能由于烧失量较小，且对基体骨架起到支撑作用的SiO2含量较高。

（2）抗冻性

OFAAC 系列样品经抗冻融试验后，外观无剥落现象，较为完整；强度和质量损失较小，强度符合A3.5 优等品要求，质量损失在3.5 %以内，单项指标符合国标的要求。CFBAAC 系列样品经冻融实验循环至5 次时，外表有严重的剥落现象，冻融后质量损失均在5.0%以上，且强度大大降低，不符合A2.5合格品要求。

材料的抗冻性与其孔结构和原始强度有很大的关系。原始强度越高，抵抗冻结产生的压力能力越强，抗冻性能越高；具有均匀封闭优良孔结构的蒸压加气混凝土，水分不易进入，孔隙饱水程度不易超过临界饱水度， 且冻结产生的压力分布较均匀，抗冻性能提高。研究表明，AAC 的吸水与孔径的分布均匀性、大小以及气孔的连通性有关，孔径分布越均匀则吸水越小；连通气孔越多，则吸水通道越多、吸水越多。

CFB 灰含碳量高，需水量大，其水化过程中产生的毛细孔多，毛细孔径不易均匀且易产生连通大孔， 故其AAC 易吸水饱和， 导致抗冻性能较差。CFBAAC 原始强度较低， 也是抗冻性能不理想的一个因素。

结论

（1）燃烧炉型不同，由此产生的OF 灰和CFB 灰在颗粒细度分布相似情况下， 标准稠度需水量、微观形貌和烧失量等方面有较大的差别；新旧炉型的不同也会对烧失量产生影响。

（2）CFB 灰与OF 灰矿物组成主要区别在于CFB 灰是低温燃烧， 其中几乎不存在莫来石相，而OF 灰是高温燃烧含有较多的莫来石相， 赤铁矿、石膏、方解石等物相是否存在与煤种有很大的关系。

（3）OFAAC 和CFBAAC 水化产物组成类似，但其水化产物组成含量不同。AAC 主要水化产物为石英、托勃莫来石、C-S-H（Ⅰ）和水化石榴石，OFAAC较CFBAAC，托勃莫来石较多，水化石榴石较少。

（4）与OF 灰相比较，CFB 灰的烧失量较大，需水量也大，水化产物毛细孔较多，水化过程中碳会在表面形成憎水膜、影响水化反应，导致AAC 强度降低。

（5）CFB 灰含碳量高，需水量大，水化过程毛细孔径分布不易均匀且易产生大孔连通，AAC 吸水率较高，抗冻融性能较差。