活性SiO2改性飞灰/粉煤灰复合胶凝材料的力学性能研究

活性SiO2改性飞灰/粉煤灰复合胶凝材料的力学性能研究

陈超前1,徐子阳2靳伊婧3,张俊泽4龚静*

( 武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

摘要：垃圾焚烧飞灰（以下简称“飞灰”）、粉煤灰和普通硅酸盐水泥有相似的化学成分，具有潜在的胶凝活性，可作为辅助胶凝材料应用于水泥混凝土中。本研究将飞灰，粉煤灰，水泥三种按不同比例耦合，并通过活性SiO2以尝试激活飞灰和粉煤灰的胶凝活性，提高固化体的力学性能。研究结果表明： 40%的飞灰，40%的粉煤灰，20%水泥当掺入10%活性SiO2，固化体的28天抗压强度从9.3Mpa提高到16.9Mpa，提高了81.7%。通过SEM图像比较发现，活性SiO2可以通过激活飞灰和粉煤灰活性，促进水化反应，增加C-H-S凝胶生成量，填充孔隙，改善浆体的微观结构等方式提高其力学性能。

关键词：城市垃圾焚烧飞灰；水泥固化；力学性能；微观结构

近年来，经济的快速发展以及加快的城市化进程，导致生活垃圾的产量日渐增加【1-2】。据估计，在全球范围内，生活垃圾的产量每年超过20亿吨【3】。由于垃圾填埋使得土地资源变得越来越紧张，采取焚烧的方式处理生活垃圾已变得逐渐普遍。焚烧处理能让垃圾减容90、减量75%【4】，同时，焚烧垃圾产生的余热还可用来供热、发电，达到资源再利用的目的。但进行焚烧处理时却不可避免产生了相当于原垃圾质量5％～30％的焚烧固体残渣【5】，如垃圾焚烧飞灰（以下简称“飞灰”），其中飞灰约占垃圾焚烧残固体残渣的20%【6】，目前，如何处理飞灰已经成为学者进行固体废弃物综合利用的主要研究方向。

对飞灰的研究表明：飞灰具有潜在的胶凝活性【7-9】，其主要化学成分属CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 体系，有作为辅助胶凝材料的潜力。同济大学的岳鹏等【10】研究结果表现，飞灰具有一定的胶凝活性，但会延缓水泥的凝结硬化，不宜在水泥中掺加过多。李等人【6】将飞灰引入混凝土中，发现飞灰会减缓固化体强度的增长速率，但与纯水泥相比，掺加10 ～20%飞灰时固化体的强度并没有明显下降。靳美娟【11】将不同掺量的飞灰混合入硫铝酸盐水泥中，发现飞灰掺量越大，龄期越短，固化体抗压强度越小，其范围为0.12～36.9 Mpa。由此可见，飞灰作为辅助胶凝材料，一定程度上是可行的。粉煤灰是一种常见的工业废弃物，其化学成分与飞灰类似，也属于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3 体系，但其中成分比例不同（两者主要化学成分见表1）。本研究试图通过活性SiO2激化飞灰和粉煤灰潜在胶凝特性，以提高飞灰、粉煤灰和水泥固化体的力学性能，探究活性SiO2对飞灰、粉煤灰的改性机理，为飞灰的后续研究提高基础。

1、试验材料与设计

1.1试验材料

实验所选取的飞灰来自武汉市锅顶山生活垃圾焚烧厂粉煤灰为一级灰，来自苏州的某燃煤发电厂。水泥为42.5普通硅酸盐水泥；活性SiO2为中国河南省生产的高活性微硅灰，SiO2含量不小于92%，拌合水为城市自来水。飞灰、粉煤灰和水泥的主要化学组成见下表。

表1 飞灰、粉煤灰、水泥的主要化学组成

1.2 试验设计

为了研究出粉煤灰对水泥的最佳替代量，以及不同掺量的活性SiO2对飞灰和粉煤灰改性激活的影响。设计不同配比进行试验，飞灰/（飞灰+粉煤灰+水泥）的质量分数固定为40%，粉煤灰/（飞灰+粉煤灰+水泥）的质量分数为 0%、20%、40%、60%，水泥和粉煤灰/（飞灰+粉煤灰+水泥）的初始质量分数为60%， 活性SiO2占（飞灰+粉煤灰）的质量分数为0%，5%，10%，15%，水灰比固定为 0.35。

按照配合比称取各组试件原材料用量， 制作40mm×40mm×160mm标准水泥试块，试块成型后放在养护箱中进行养护，养护温度设置为 20 ℃左右，湿度在 95%左右。每组配比共进行2次试验，分别测量7、28天抗压抗折强度。

2、结果与讨论

2.1 粉煤灰掺量对固化体力学性能的影响。

粉煤灰作为活性矿物掺合料，因其具有微粉填充效应，颗粒形貌效应和火山灰活性效应而被做为是可以替代部分水泥的辅助胶凝材料，本试验在固定40%飞灰用量的前提下，为进一步激活飞灰活性，减少水泥用量，用等质量的粉煤灰替代部分水泥，并研究粉煤灰的最佳掺量。

粉煤灰掺量与固化体的抗压抗折强度关系如图1和图2所示。由图1可知，粉煤灰掺量从0%到20%时，固化体的28天抗压强度从14.5Mpa下降到10.5Mpa,下降了33.3%；粉煤灰掺量从20%到40%时，固化体的28天抗压强度从10.5Mpa下降到9.3Mpa,下降了11.4%，下降幅度下降；粉煤灰掺量从40%到60%时，固化体的28天抗压强度从9.3Mpa下降到5.3Mpa,下降了43%，下降幅度上升。可推测，粉煤灰掺量为40%时，可能生成了额外的水化产物导致28天抗压强度的下降幅度变缓，即粉煤灰掺量为40%时，飞灰、粉煤灰和水泥产生了一定的耦合作用，激活了飞灰中的胶凝活性。同理，从图2可发现，粉煤灰掺量与抗折强度也存在类似的关系。因此，粉煤灰的掺量40%最佳，飞灰、粉煤灰和水泥产生了一定的耦合作用，激活了飞灰中的部分胶凝活性。

图1 粉煤灰掺量与抗压强度的关系

图2 粉煤灰掺量与抗折强度的关系

2.2 SiO2掺量对固化体力学性能的影响

活性SiO2可以激活火山灰反应，生成C-S-H凝胶，提高力学性能【12】。由以上分析可知，粉煤灰掺量为40%时最佳，水泥用量从60%降到了20%，水泥用量从60%降到了20%，但由于水泥用量较少，且飞灰和粉煤灰的胶凝活性相对不足，导致固化体的力学性能不够理想，因此，为进一步提高固化体的力学性能，利用活性SiO2对飞灰、粉煤灰进行改性激活，得出SiO2的最佳掺量，并探究SiO2对飞灰、粉煤灰的力学性能的影响。

SiO2掺量与固化体的抗压抗折强度关系如图3和图4。由图3，图4所示，在SiO2掺量由0%提升到15%的过程中，抗压抗折强度先上升后下降，在SiO2掺量10%时最高。相对于SiO2掺量0%的情况，其固化体28天抗压强度从9.3提高到16.9Mpa,提高了81.7%。因此，SiO2的掺量在10%时，固化体具有最佳的力学性能。对比表2和表3，水泥掺量为60%，粉煤灰和SiO2掺量为0时固化体28天抗压强度为14.5Mpa,而40%粉煤灰掺量和10% SiO2掺量的固化体28天抗压强度达到16.9Mpa,在替代了40%水泥的基础上，固化体的28天抗压强度从14.5上升到16.9Mpa，上升16.6%，这说明此方案是可行的。综上，本研究的最佳质量比为：飞灰：粉煤灰：水泥=4:4:2，活性 SiO2占（飞灰+粉煤灰）的质量分数为10%，水灰比0.35。

图3 SiO2掺量与抗强度的关系

图4 SiO2掺量与抗折强度的关系

2.3 SiO2对固化体微观形貌的影响

养护28天之后，取样品a和b烘干保存，其中a组配比为40%飞灰，20%水泥，40%粉煤灰，0%硅灰；b组配比为40%飞灰，20%水泥，40%粉煤灰，10%硅灰。通过扫描电镜观察两组样品的微观形貌变化，以探究活性SiO2对水泥固化体微观形貌的影响。两组样品的微观结构如下图所示。

图5 样品（a）和（b）在1000倍率下的微观结构

由图5（a）可以看出，样品（a）的微观结构松散，有着明显的大孔隙，C-H-S凝胶较少，且可以看到未破碎的球状颗粒，说明样品（a）的水化情况较差，有部分飞灰和粉煤灰未参与水化，相反，由图5（b）可以看到，样品（b）微观结构更为紧密，大孔隙和球状颗粒明显消失，且可以观察到形成明显的C-H-S凝胶材料，水化情况好，从而导致样品（b）的宏观力学性能良好。因此，对比两图可以得知，活性SiO2可以激活飞灰和粉煤灰潜在的活性，促进水化反应，增加C-H-S凝胶生成量，填充孔隙，改善微观结构等方式提高固化体的力学性能。

3、结论

本文通过掺加粉煤灰，与飞灰，水泥进行耦合，以此激活飞灰活性，并利用活性SiO2激活飞灰和粉煤灰的潜在活性，研究两者对固化体力学性能的影响，得到如下结论：

   (1)本试验中，最佳质量比为：飞灰：粉煤灰：水泥=4:4:2， SiO2占（飞灰+粉煤灰）的质量分数为10%，水灰比0.35。

（2）当粉煤灰的掺量为40%时，飞灰，粉煤灰，水泥三者产生一定的耦合作用，激活了飞灰中的部分胶凝活性，其28天抗压强度可达到9.3Mpa，当掺入10% 活性SiO2后，固化体的28天抗压强度可达到16.9Mpa，提高了81.7%。

（3）活性SiO2对固化体的力学性能有着有利作用，它可以激活飞灰和粉煤灰的潜在活性，促进水化反应，增加C-H-S凝胶生成量，填充孔隙等方式提高固化体的力学性能。

     在飞灰的资源化利用中，如何处理飞灰中的重金属离子有着重大意义。在本次试验中，飞灰中的重金属离子可以在固化体中被固化，但试验不足之处在于并没有测试固化体中的重金属离子浸出毒性，无法评价对重金属离子的固化效果，这有待后续的进一步探究。

参考文献

【1】刘连文，李伟，宋卫平，郭明鑫, 重金属污染土壤的修复技术：原则和适用性[J] . 全面环境科学, 2018，633: 206-219

【2】马尼克·米安，曾晓岚，阿拉马·阿尔·纳伊姆·本·纳斯里，苏拉拉·哈马达尼. 中国城市固体废物管理：比较分析[J]. 材料循环与废物管理杂志, 2017，19: 1127-1135

【3】J.古特贝莱特. 巴西城市合作采矿：选择性家庭垃圾收集和回收的集体做法[J]. 废物管理, 2015，45: 22-31

【4】宣东兴，唐培，潘志孙. 铸造方法和单片机对细化城市生活垃圾焚烧底灰制备砂浆性能的影响 [J]. 建筑和建筑材料，2018，167: 890-898

【5】施惠生., 阚丽丽. 混凝土中使用的城市固体废物焚烧（MSWI）飞灰中重金属的浸出行为[J]. 有害物质杂志, 2009，164.2-3: 750-754

【6】李向国, 吕杨, 马宝国, 等. 城市生活垃圾焚烧底灰在混纺织水泥中的利用[J]. 清洁生产杂志，2012，32: 96-100

【7】JE.奥伯特, B.哈森, N.萨拉莫内. 城市固体废物焚烧（MSWI）飞灰在混合水泥中的利用：第1部分：MSWI飞灰的处理和表征[J], 危险材料学报，2006，136(3)：624-631

【8】林凯龙. 城市生活垃圾焚烧炉飞灰渣掺入水泥浆料的影响[J], 水泥和混凝土研究，2005，35(5)：979—986．

【9】黄志平，郭俊仁，林胜欢，等. 回收MSWI底灰和飞灰作为波特兰水泥的原料[J]. 废物管理，2006，28(7)：1113-1118

【10】岳鹏，施惠生，舒新玲．城市生活垃圾焚烧灰渣胶凝活性的初步研究[J]．水泥 ，2003，(5)：12

【11】靳美娟．城市生活垃圾焚烧飞灰水泥固化技术研究［J］．环境工程学报，2016，10(06):3235-3241.

【12】AR.古达齐，HR.阿克巴里，M.萨利米. 通过混合水泥和硅粉增强膨胀粘土的稳定性[J]. 应用粘土科学, 2016，132-133: 675-684.