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摘 要： 摘要：粉煤灰主要是煤粉燃燒后，從煙道氣體中收集的飛灰(Fly ash)。我國火力發電廠多使用煤炭，每年產生大量粉煤灰。本文簡要闡述粉煤灰的性能，從三個方面對比了紹興二級、三級粉煤灰，并綜述粉煤灰的工程應用現狀。 關鍵詞：粉煤灰;地質聚合物;軟土加固劑;
摘要：粉煤灰主要是煤粉燃燒后，從煙道氣體中收集的飛灰(Fly ash)。我國火力發電廠多使用煤炭，每年產生大量粉煤灰。本文簡要闡述粉煤灰的性能，從三個方面對比了紹興二級、三級粉煤灰，并綜述粉煤灰的工程應用現狀。
關鍵詞：粉煤灰;地質聚合物;軟土加固劑;固化重金屬
1 引 言
粉煤灰是煤粉經預熱空氣噴送爐膛高溫燃燒后從煙道中收集的飛灰。粉煤灰經堿激發形成的地質聚合物具有高強、環保、耐酸堿等優良性能。地聚物的原理可追溯到上世紀40年代，美國科學家Purdon首次提出了堿激發鋁硅酸鹽黏結劑的硬化機理，法國科學家Joseph Davidovits(1994)使用堿激發偏高嶺土來制備地聚物(geopolymer)，首先提出了地聚物的概念并且沿用至今。新世紀以來國內外越來越多的研究者開始研究鋼渣、煤矸石等工業廢料作為被激發的固態粉料，這其中較為成熟的就是粉煤灰。
2 粉煤灰基地聚合物研究進展
2.1固化、吸附重金屬
地聚合物具有較高的陽離子交換能力，且凝膠內的化學結構本身帶負電荷容易吸附正電金屬陽離子，對Cd、Ni、Pb(II)、Cu(II)、磷酸鹽、氮氧化物、硼、氟化物、137Cs和90Sr的放射性核素均有凈化效果。有文獻認為致密的地聚物有助于防止重金屬浸出，也有文獻使用雙氧水制造孔隙粉煤灰地聚物(含鐵礦石尾礦)孔洞得出孔隙的增多有助于對提高對重金屬(cu2+)的吸附。不少研究通過改變地質聚合物的形狀成粉末、球形、珠狀和海綿合成纖維來增大接觸面積提高吸附或者固化重金屬的效率。這可能和重金屬是被固化還是吸附、是處理污染土還是污染水以及固化的方式有關，地聚物對某些金屬離子(Cr3+、Cd2+和Pb2+)的固化既存在被網狀結構吸附包裹的物理固化也存在與堿液反應生成沉淀或者被帶負電的地聚物凝膠吸引形成化學固化。但針對Pb金屬粉末用粉煤灰基地聚合物固化時發現Pb金屬粉末主要被物理固化，并不與地聚物凝膠發生反應。
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Nikolic等使用機械活化過的粉煤灰(低鈣)和未經過機械活化的粉煤灰堿激發制作地聚物進行比較，摻入砂子與硝酸鉛，以可溶性鹽的形式判斷粉煤灰基地聚物對Pb的固化效果并研究其強度。結果顯示經機械活化的粉煤灰隨著Pb的加入增多固化效果更為顯著，這是因為機械活化過程打碎了粉煤灰顆粒使得反應表面積更大，參與反應的顆粒更小導致粉煤灰間的縫隙更小，生成的地聚物更為致密固化效率更高。此外機械活化粉煤灰的1day脫模強度遠大于未活化的粉煤灰樣品到達其30倍，28d的強度也有所提高。這是因為室溫條件下未活發粉煤灰地聚反應較慢而活化粉煤灰擁有更大的接觸反應面積所以反應更快、強度更高。
2.2耐高溫耐酸
將粉煤灰-偏高嶺土制作的地聚物與普通硅酸鹽水泥(OPC)放在高溫與酸溶液(鹽酸、硫酸各2%)中28d后比較抗壓強度，結果表明隨著溫度升高OPC抗壓強度逐漸下降在400℃-500℃的區間下抗壓強度從40MPa驟降至10MPa，而地聚物的強度在400℃之前逐漸上升，升溫至1000℃仍然保有40MPa。OPC高溫發生剝落產生裂紋強度下降，而400℃的溫度反而使得粉煤灰與偏高嶺土反應更為充分，結構更致密。同樣在酸浸條件下，OPC表面發生4mm左右深的腐蝕，OPC與地聚物均發生強度下降，但在56d后粉煤灰只下降約10%而OPC強度下降了接近60%，粉煤灰試樣的耐酸能力遠大于OPC試樣[19]。將24h脫模、80℃養護2d的試樣置于5%濃度的HCl溶液中發現7d、14d、28d抗壓強度不減反增(5%~30%)，侯云芬認為HCl可能促進地聚物的解聚作用提高反應度，這也可能與激發劑堿過量(含固量34%)有關;此外試樣750℃高溫煅燒2h后強度只下降了10%左右表明地聚物具備良好的耐熱性。
2.3多原料摻和
制革污泥呈強堿性(Ca元素含量60%)含少量重金屬，徐建中等[21]使用10~20%的污泥摻入40%~60%的粉煤灰制作地聚物在28d的抗壓強度可以超過10MPa，同時固化了Cr、Zn、Pb隨著固化時間的增加，固化效果越明顯。郭曉潞等將污泥活化(900攝氏度焙燒)取10%和粉煤灰(高鈣)摻和后得到的地聚物28d最高能達到60MPa的抗壓強度。有文獻[23]使用一級高鈣粉煤灰和紹興印染污泥制備路面磚，強度可以最高接近40MPa，一定量的污泥摻入有助于改性粉煤灰提高地聚物的強度，這是因為污泥中CaO、Fe2O3以及S元素的存在都有助于膠凝物的聚合反應。
礦渣因較高的氧化鈣含量(40%)直接堿激發強度可以達到120MPa，吳博等對120MPa的試樣進行加速風化7h后強度直降至原來的1/2，摻入粉煤灰可以有效改善強風化引起的強度降低，通過改變激發劑與粉煤灰、礦渣產量能夠保持強度使強風化7d后仍然能保持90MPa的強度。且礦渣粉煤灰的早期強度依然維持在高的水準3h可以達到40MPa，具備作為早強膠凝材料的潛力。在用粉煤灰-礦渣地聚物加固沙土路基的灌漿試樣制作中，同樣，礦渣的加入會使得抗壓強度大幅增加(至38MPa)。但對于無特殊要求且強度等級不高的工程,大規模摻加礦渣經濟性不高。電石渣中含有較多的Ca2+，以粉煤灰為基礎(51%)摻入電石渣、金尾礦等加固沙土7d的強度能夠達到接近5MPa。
3 結論
粉煤灰基地聚物研究具備強度高、耐高溫、耐酸堿等優良性能，但由于堿激發劑的用量造成成本問題限制了地聚物的大規模使用，充分利用工業廢渣中的化學成分及物理性能有望解決這個問題，機械活化能夠提高粉煤灰的地聚反應使得試樣在前期就取得可觀的強度，縮短粉煤灰基地聚物較長的反應期。——論文作者：朱澤威 1 江海鴻 1 魏威 1 朱文濤 1 丁佩思 1