粉煤灰噴漿材料抗壓強度的實驗研究

黃靖維，任萬興，2，祖自銀，楊 威，劉 鑫

（1.中國礦業大學 安全工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.貴州盤江煤電集團技術研究院有限公司，貴州 貴陽 551304）

粉煤灰又稱飛灰，是煤炭在高溫燃燒后生成的一種固體廢棄物，在燃煤火電廠以及相關的原料制造和化學原料制造行業產生較多。隨著我國的經濟快速增長以及煤炭行業的迅速發展，粉煤灰的產量也在逐年遞增。據統計，我國粉煤灰的產量在2016和2017年分別為6.55億t和6.86億t[1]，在2019年產量增加較多，就火力發電廠產生的粉煤灰就高達5.4億t[2]。隨著粉煤灰產量的不斷增加，由粉煤灰所引起的相關環境問題也越來越多。粉煤灰一直以露天堆積的形式暴露于大氣中，對周圍環境造成嚴重污染[3]，粉煤灰在堆積過程中管理不當會隨降水進入當地水系，對水中生物和飲水健康造成重大威脅[4]。因此，如何合理有效的應用粉煤灰被廣泛關注。目前，粉煤灰的應用主要在建材制品、環境保護、工程建設等行業中。如將粉煤灰用于水泥制作[5]、道路施工[6]、建筑填充[7]及其一些環保產品的生產[8]等。在這些行業中粉煤灰的有效利用率相對較低。因此，如何充分利用粉煤灰的優點，提高粉煤灰的利用率，解決大量粉煤灰滯留的問題成為目前亟需解決的難題。研究一種高效的新型噴漿材料是粉煤灰綜合利用的重要方向[9]。利用堿激發劑激發粉煤灰的化學活性[10]，采用粉煤灰代替傳統噴漿材料中水泥和砂子的使用[11]，不僅能夠降低噴漿材料的成本，提高噴漿材料的性能，同時還能有效解決諸多由粉煤灰引起的環境問題。

1 粉煤灰性質

粉煤灰是煤經高溫燃燒后，在燃燒爐的煙道氣中收集的類似灰塵的粉狀顆粒[12]。粉煤灰物理化學性質與煤種、煤粒粒度、鍋爐形式燃燒情況以及收集方式等有關。了解粉煤灰的物理化學性質對選擇合適的激發劑對粉煤灰進行常溫活化具有重要意義。粉煤灰理化性質見表1[13-14]。選用強度等級為32.5的水泥和徐州電廠粉煤灰作為主要實驗原料。

表1 粉煤灰理化性質Table 1 Physical and chemical properties of fly ash

2 實驗與方法

2.1 粉煤灰添加量的影響

根據傳統水泥砂漿噴漿材料配方，即水泥∶砂子∶水的比例為1∶3∶0.6，選擇粉煤灰噴漿材料水泥∶粉煤灰配比為1∶3。首先稱取一定質量的水泥，按照配比使粉煤灰逐漸代替砂子，通過添加一定質量的水和助溶劑使其攪拌均勻。然后將混合均勻的水泥和粉煤灰放置于50 mm×50 mm×50 mm的模具中，制作成標準樣件。將粉煤灰占比不同的樣件放置于恒溫恒濕箱中養護7 d。最后對養護后的樣件進行抗壓強度檢測。粉煤灰噴漿材料的試樣制備流程圖如圖1。

圖1 試樣制備流程圖Fig.1 Sample preparation flow chart

實驗樣件的抗壓強度檢測采用YA-300B數顯壓力試驗機，度數精確至0.01 kN?？箟簭姸扔嬎愎饺缦拢?/p>

式中：f為抗壓強度，MPa；F為破壞荷載，N；A為受壓面積，50 mm×50 mm=2 500 mm2。

3個試件進行測試后，將測試值進行算術平均值處理，其值作為抗壓強度的測試結果。

2.2 粉煤灰活性激發

在對粉煤灰進行活化過程中，不同堿激發劑以及其添加量不同會對粉煤灰噴漿材料的抗壓強度產生重要影響[15-16]。實驗在粉煤灰完全取代砂子的基礎上，選擇水泥∶粉煤灰的質量比為1∶3，采用Na2SO4、NaOH、Na2SiO33種不同的堿激發劑，對粉煤灰噴漿材料進行常溫活化。設置堿激發劑添加量為所加水泥質量的1%～8%（添加量質量梯度1%）。試樣制備完成后分別養護7、28、126、182 d，最后對試樣進行抗壓強度分析。

3 結果與討論

3.1 粉煤灰噴漿材料的適用性

為準確了解粉煤灰添加量對噴漿材料影響的機理，分析粉煤灰能否代替砂子作為噴漿材料主原料，測定粉煤灰與水泥的粒度分布。將粉煤灰和水泥在60℃烘干后，通過激光粒度儀LS100Q對兩者的粒度分布進行測定。粉煤灰及水泥粒度對比如圖2。

由圖2可知，粉煤灰的粒度主要分布在1～10 μm，水泥的粒度主要分布在20～50μm，通過將少量粉煤灰填入水泥顆粒間隙中，有利于改善材料的孔結構以及降低孔隙率，提高抗壓強度。因此，粉煤灰可以代替砂子作為噴漿材料的主原料。但是當大量的粉煤灰代替砂子制成新型噴漿材料時，由于粉煤灰對水的需求量比較高，水泥漿體在養護早期形成的凝膠體大部分僅是附著在粉煤灰表面，這將導致粉煤灰噴漿材料養護早期的抗壓強度小于水泥砂漿噴漿材料。

圖2 粉煤灰及水泥粒度對比Fig.2 Comparison of particle size of fly ash and cement

3.2 粉煤灰添加量對抗壓強度的影響

噴漿材料主原料砂子逐漸被粉煤灰所代替的實驗過程中，粉煤灰添加量對抗壓強度的影響如圖3。

圖3 粉煤灰添加量對抗壓強度的影響Fig.3 Effect of adding amount of fly ash on compressive strength

由圖3可知，養護時間為7 d的噴漿材料，其抗壓強度與粉煤灰占比呈反比。當完全采用粉煤灰作為噴漿材料原料時，其抗壓強度為4.85 MPa，而完全使用砂子制成的噴漿材料，其抗壓強度為9.11 MPa，為粉煤灰噴漿材料的1.88倍。由此可見，直接加入粉煤灰制成的噴漿材料無法滿足現場應用要求。

對粉煤灰壓片后進行X射線熒光光譜分析（XRF），粉煤灰中氧化物組成及含量見表2。粉煤灰中SiO2含量最大，為40%?？芍?，粉煤灰的主要成分與砂子相似。另外，粉煤灰中含有大量Al2O3。在未添加其他物質的情況下，粉煤灰化學性質穩定，在養護期較短時并不會發生火山灰反應[17]。因此，在完全使用粉煤灰作為主料的噴漿材料很難在短時間內通過自身化學反應提高其抗壓強度。

表2 粉煤灰中氧化物組成及含量Table 2 Composition and content of oxides in fly ash

3.3 堿激發劑對粉煤灰噴漿材料抗壓強度的影響

在粉煤灰完全替代砂子的噴漿材料中，分別采用Na2SO4、NaOH、Na2SiO33種不同的堿激發劑對粉煤灰噴漿材料進行常溫活化，并對新型噴漿材料的抗壓強度進行分析。

養護不同時間下，Na2SO4激發劑對抗壓強度的影響如圖4。由圖4可以看出，當Na2SO4添加量逐漸增加時，不同養護期的抗壓強度均呈現出先增強后降低的趨勢。當Na2SO4添加量達到3%時，噴漿材料在不同養護期的抗壓強度均能達到最大值。此時養護期為7 d的噴漿材料抗壓強度約為不添加堿激發劑的2倍，已經達到了傳統噴漿材料的抗壓強度。當添加量超過3%時，噴漿材料的抗壓強度隨添加量的增加呈現下降的趨勢。

圖4 Na2SO4激發劑對抗壓強度的影響Fig.4 Effect of Na2SO4 activator on compressive strength

在噴漿材料中添加Na2SO4堿激發劑后，水泥水化反應及粉煤灰火山灰反應速度和反應程度都得到快速提高[18-19]。水泥通過水化反應產生Ca（OH）2，與Na2SO4反應生成粒度更細的Ca2SO4，Ca2SO4與3CaO·Al2O3反應生成一定量的鈣礬石AFt，所以Na2SO4的添加會使3CaO·SiO2的水化速度增加，使得粉煤灰的火山灰反應也提前發生，進而在一定程度上增強了粉煤灰噴漿材料的壓力承受性能。Na2SO4添加量存在最優解，添加量過多時，導致3CaO·SiO2的水化速度過快，噴漿材料漿體結構不夠均勻影響后期強度的發展。Na2SO4添加量占水泥的3%時在不同養護期的抗壓強度均達到最大值，7、28、126、182 d養護期時最高抗壓強度分別為8.31、15.55、18.04、22.52 MPa。由此可見，添加Na2SO4對粉煤灰噴漿材料抗壓強度的提升有顯著作用。

NaOH激發的粉煤灰噴漿材料抗壓強度變化如圖5。由圖5可以看出，不同養護齡期噴漿材料的抗壓強度隨著NaOH添加量的逐漸增加呈現先增加后平緩下降的趨勢。當NaOH添加量為3%左右時，噴漿材料在不同養護期下的抗壓強度均達到最大值，但此時的抗壓強度并不理想，7 d的抗壓強度仍然小于傳統的水泥砂漿型噴漿材料，且各個養護期的抗壓強度均小于添加Na2SO4時的抗壓強度。

圖5 NaOH激發的粉煤灰噴漿材料抗壓強度變化Fig.5 Variation of compressive strength of fly ash shotcrete material excited by NaOH

NaOH主要通過破壞粉煤灰玻璃體表面的雙層保護膜進行激發作用來提高粉煤灰噴漿材料的抗壓強度。NaOH具有強堿性，有利于從粉煤灰中溶出活性SiO2和Al2O3，使得Si-O-Si鍵、Si-O-Al鍵、Ca-O鍵等發生斷裂，形成不飽和活性鍵，提升粉煤灰反應活性，有利于促進水泥的水化及二次水化，生成鋁硅酸鹽結構，從而能夠提高粉煤灰噴漿材料的抗壓強度。當NaOH添加量為3%時，噴漿材料抗壓強度達到了最大值，但是養護期為7 d的噴漿材料抗壓強度明顯小于砂子水泥的抗壓強度，約為7 MPa，養護期為28、126、182 d的最大抗壓強度分別為10.92、16.01、16.26 MPa，均小于添加Na2SO4堿性激發劑時相同養護期的最大抗壓強度。

Na2SiO3激發的粉煤灰噴漿材料抗壓強度變化如圖6。由圖6可以看出，隨著Na2Si O3的添加，不同養護齡期的抗壓強度變化并不一致。粉煤灰噴漿材料養護期為7、28 d的抗壓強度在Na2SiO3添加量為6%、5%時達到最高值，為8.25、13.88 MPa。而養護期為126、182 d抗壓強度達到最大值時，Na2SiO3添加量為2%，最大值分別為16.52、17.61 MPa。說明Na2SiO3的少量添加利于長期養護時的抗壓強度增加，其大量添加利于短期養護時的抗壓強度增加，但是添加Na2Si O3堿激發劑后的抗壓強度增加仍然不如添加Na2SO4后的效果。

圖6 Na2SiO3激發的粉煤灰噴漿材料抗壓強度變化Fig.6 Changes of compressive strength of fly ash shotcrete material excited by Na2SiO3

Na2Si O3主要通過加速水泥水化反應和激發粉煤灰反應活性來提高粉煤灰噴漿材料的抗壓強度。Na2SiO3中的SiO32-和水泥經過水化生成物Ca（OH）2產生C-S-H凝膠填充在空隙中導致噴漿材料的微觀結構更加緊密，宏觀表現為抗壓強度有所提高。Na2SiO3可以對粉煤灰進行活性激發，大量的活性物質從玻璃體中溶出，其中Si可以在水化反應中被Al少量代替，進入C-S-H體系成為C-A-S-H，在一定程度上增強了粉煤灰噴漿材料的抗壓強度。

4 結 語

1）粉煤灰代替砂子作為噴漿材料的主原料具有可行性。由于粉煤灰和水泥之間的粒度關系，在水泥顆粒間隙中能夠填入粉煤灰，并有利于改善材料的孔結構以及降低孔隙率，提高材料的抗壓強度。

2）粉煤灰的大量添加會降低噴漿材料的抗壓強度。按水泥∶粉煤灰為1∶3制作噴漿材料時，隨著粉煤灰逐漸代替砂子，噴漿材料的抗壓強度呈現降低的趨勢，其最終抗壓強度無法滿足現場應用需求。

3）堿激發劑能夠有效提高粉煤灰噴漿材料的抗壓強度。Na2SO4、NaOH、Na2SiO33種堿激發劑的添加均能有效提高粉煤灰噴漿材料的抗壓強度，其中Na2SO4在不同養護期的抗壓強度提升效果最好，當其添加量為3%時，粉煤灰噴漿材料抗壓強度最大，其次是NaOH，Na2SiO3對粉煤灰噴漿材料抗壓強度總體提升效果最差。