2.2 粉煤灰的基本性能

2.2.1 物理性質

粉煤灰中飛灰（以下統稱粉煤灰）的物理性能波動很大。粉煤灰的物理性質包括顏色、密度、堆積密度、細度、比表面積、含水率、28d抗壓強度比、需水量比、安息角、抗剪強度、滲透性等。粉煤灰的物理性質取決于燃煤的種類、煤粉的細度、燃煤方式和溫度，以及電廠除塵效率、排灰方式等。在細度方面，以45μm篩余量為例，有的小于12%，有的粉煤灰幾乎全部留在45μm篩上；需水量比，有的達到《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）Ⅰ級灰的標準，有顯著的減水效果，有的比基準試件高出30%；抗壓強度，有的灰28d膠砂強度只有基準試件的37%，有的灰則達到85%。粉煤灰的主要物理性質見表2-6。

2.2.2 化學性質

2.2.2.1 化學成分

煤粉爐粉煤灰主要由二氧化硅（SiO₂）、三氧化二鋁（Al₂O₃）、氧化鐵（Fe₂O₃）組成，除此之外，還含有少量鈣、鎂、鉀、鈉和磷的氧化物。不同粉煤灰各種組分的比例不同，如表2-7所列。

化學成分是粉煤灰重要性質之一，對粉煤灰有重要影響。主要的化學成分有SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃和FeO，約占總量的80%以上。次要的化學成分為CaO、MgO、SO₃、Na₂O及K₂O等。上述成分中，SiO₂及Al₂O₃為酸性氧化物，而CaO及MgO則為堿性氧化物。因此，作為活性混合物材料的粉煤灰，依其化學成分，可計算其堿性率（MO），以初步評定其活性。山東恒遠利廢技術發展有限公司研發中心對公司客戶粉煤灰化學成分進行了測定，具體情況如表2-8所列。

由于粉煤灰的物理化學特性取決于煤種、制粉設備、鍋爐爐型、除塵設備類型、除塵方式、運行條件等多種因素，所以，不同電廠的粉煤灰性質差異很大。

2.2.2.2 性能影響

（1）MgO及SO₃；

粉煤灰中的MgO及SO₃是有害物質，在粉煤灰中硫可能有不同的形態存在。當以硫酸鹽形態存在時，一般對水泥及混凝土沒有害處；當以硫化物（SO₃）形態存在，且含量過多時，有可能產生膨脹和對鋼筋有銹蝕作用；MgO將使摻入粉煤灰的水泥發生不安定現象，從而影響混凝土的性能。

（2）含碳量

由于粉煤灰中的含碳量與燒失量有比較好的關系，因此，以燒失量表示粉煤灰中含碳的程度。含碳量系指其中未燃燒的碳粒，也是粉煤灰中的有害物質。未燃燒的碳粒質多孔，吸水大，為非活性物質，當含碳量過多時，將增加摻粉煤灰水泥的需水量，從而降低了強度。以燒失量表示粉煤灰中含碳量的另一個原因是燒失量容易計算。燒失量略大于含碳量，一般相差0.5%，若粉煤灰中有Ca（OH）₂或碳酸鹽存在時，由于它們在600℃時會分解，因此，差別更大，可能達到2%～5%。

（3）游離氧化鈣

游離氧化鈣指粉煤灰中沒有以化合狀態存在而是以游離狀態存在的氧化鈣。粉煤灰中的CaO是粉煤灰的重要成分，是主要膠凝組分。在F類粉煤灰中，CaO絕大部分結合于玻璃體中；在C類粉煤灰中，CaO除大部分被結合外，還有一部分是游離的?！队糜谒嗪突炷林械姆勖夯摇罚℅B 1596—2005）規定F類粉煤灰游離氧化鈣不得大于1%，C類粉煤灰游離氧化鈣不得大于4%。

（4）堿含量

粉煤灰中的Na₂O和K₂O雖然不多，但它們能加速水泥的水化反應，而且對激發粉煤灰化學活性以及促進粉煤灰與Ca（OH）₂的二次反應，因此，Na₂O和K₂O是有益的化學成分。但是堿性物質的增加，可能會加強堿-集料反應及降低粉煤灰抑制堿-集料反應的能力。因此，不少國家的標準規范對Na₂O和K₂O含量加以限制，一般要求有效堿（以K₂O計）不超過1.5%?！队糜谒嗪突炷林械姆勖夯摇罚℅B 1596—2005）規定粉煤灰中的堿含量按Na₂O+0.658K₂O計算值表示，當粉煤灰用于活性骨料混凝土，要限制摻合料的堿含量時，由買賣雙方協商確定。

（5）礦物組成

粉煤灰中的礦物質與母煤的礦物質有關，煤粉燃燒過程中，這些原礦物會發生化學反應，冷卻以后，形成粉煤灰中的各種礦物和粉煤灰的玻璃體。

粉煤灰的主要晶體礦物為石英、莫來石、赤鐵礦、磁鐵礦及無水石膏見表2-9。除上述各礦物外，粉煤灰同時含有玻璃體。玻璃體能在常溫下與石灰或水泥水化時析出的氫氧化鈣發生火山灰反應。此反應產物具有一定的膠凝性，使膠凝材料產生一定的力學性能。晶體礦物一般在常溫下不參與水化反應。

粉煤灰礦物組成波動范圍較大，但是玻璃體在其組成中占主要地位。在礦物中以莫來石及石英為主，赤鐵礦及磁鐵礦的含量均較低。與美國及英國相比，我國粉煤灰的玻璃體含量較低，除鍋爐容量較小外，燃燒溫度較低也是原因之一。

粉煤灰中的密實玻璃體越多，粉煤灰的密度就越大，需水量比及細度也就越小。對C類粉煤灰而言，其活性主要取決于無定形玻璃體成分及結構和性質，而不是取決于結晶礦物。C類粉煤灰中的玻璃體與結晶體比例之比越高，粉煤灰內堿性礦物與硫酸鹽礦物成分越多，粉煤灰的活性也越高。C類粉煤灰中富鈣玻璃體的含量較多，又有CaO結晶和各種水泥熟料礦物，故其活性高于低鈣粉煤灰，并且有一定的自硬性。

2.2.3 顆粒組成

粉煤灰的顆粒組成，可以從形貌上粗略地分為球狀顆粒、多孔顆粒和不規則顆粒三大類。

①球狀顆?！∏驙铑w粒由硅鋁玻璃體組成，呈圓球形，表面一般比較光滑，但光滑程度不同，有的球形表面有微小的α-石英和莫來石析晶。在球形微珠中又可分為以下幾種：a.沉珠，一般直徑5μm，表觀密度2.0g/cm³，大多沉珠是中空的，表面光滑，沉珠在粉煤灰中約占90%；b.漂珠，一般直徑為30μm，壁厚0.2～2μm，表觀密度0.4～0.8g/cm³，能浮于水面，一般來說，漂珠在粉煤灰中約占0.5%～1.5%；c.磁珠，磁珠中Fe₂O₃含量占55%左右，表觀密度大于3.4g/cm³，具有磁性；d.實心微珠，粒徑多為1～3μm，表觀密度2～8g/cm³。

②多孔顆?！《嗫最w粒分為兩類：一類為多孔碳粒；另一類是在高溫下熔融生成的硅鋁多孔玻璃體。粉煤灰中的碳粒一般是形狀不規則的多孔體，但電廠粉煤灰中也有一些接近珠狀，稱為碳珠。碳珠內部多孔，結構疏松，容易破碎，孔腔吸水性高，顆粒偏粗，45μm粒徑以上的顆粒比例較高。多孔玻璃體富集了粉煤灰中的硅和鋁，但很少稱它為富硅或富鋁玻璃體，而仍稱它為多孔玻璃體。一般玻璃體既有開放性孔穴，也有封閉性孔穴。

③不規則顆粒　不規則顆粒一部分是結晶礦物及碎片，一部分是玻璃體碎屑。不規則顆粒包括鈍角顆粒、碎屑、黏聚顆粒等。

2.2.4 品質參數

粉煤灰用于不同地場合，特別是作為混凝土摻合料時，有一定的品質要求，主要是對顏色、密度、堆積密度、細度、比表面積、含水率、28d抗壓強度比、需水量比、安息角、抗剪強度、滲透性等方面的要求。

（1）外觀和顏色

粉煤灰的外觀類似水泥，都是粉狀物質。由于燃煤、燃燒條件不同以及粉煤灰的組成、細度、含水量的變化，特別是粉煤灰中含碳量的變化，都會影響粉煤灰的顏色。粉煤灰的顏色可以從乳白色到灰黑色，含碳量越高其顏色越深，一般為銀灰色和灰色。

粉煤灰的顏色雖然不是質量評定和生產控制的主要指標，但因為它反映了粉煤灰含碳量的多少，因此也是重要的指標。粉煤灰的顏色變化在一定程度上也反映了粉煤灰的細度。因為碳粒往往存在于較粗的粉煤灰顆粒組分之中，所以顏色較深的粉煤灰中粗粒所占的比例較多。

（2）密度

粉煤灰是微小粒體的集合體，粒體間空隙充滿氣體和液體，因此，可以認為粉煤灰是固、氣兩相或固、氣、液三相的混合體。粉煤灰的密度是指在絕對密實狀態下單位體積物質的質量，以kg/m³或g/cm³表示。表示計算公式為：

　（2-2）

式中　m——裝入李氏瓶中粉煤灰的質量，kg；

V——被粉煤灰所排出的液體體積，m³。

粉煤灰密度的測定通常在李氏比重瓶進行，需在相同溫度下得到兩次讀數，兩次結果之差不得大于0.02。由于粉煤灰顆粒有許多毛細管，必須用一種表面張力小，能浸潤粉煤灰的液體進行排液置換法求其真實體積。

粉煤灰中各種顆粒的密度為0.4～4g/cm³，甚至更高，變化很大，因此，用李氏瓶測得的液體密度只是混合顆粒的平均密度。如果密實顆粒占優勢，密度就偏大，空心、多孔的顆粒增多時密度必然偏小。低鈣粉煤灰的密度一般為1.8～2.6g/cm³；高鈣粉煤灰密度為2.5～2.8g/cm³。粉煤灰密度指標對粉煤灰質量評定和生產控制具有一定意義。如果密度發生變化，則表明粉煤灰質量也可能發生變化，還可判斷粉煤灰的均勻性。

（3）堆積密度

粉煤灰的堆積密度（容重）實際上是指粉煤灰顆粒集合體的密度，不同于粉煤灰的密度，它是粉煤灰在自然狀態下單位體積幾何體的質量，以kg/m³或g/cm³表示。堆積密度可以用量筒，也可以用容積升測定。不同試驗條件和試驗環境，得到的堆積密度是不同的，因此堆積密度的測定一定要注意試驗條件。堆積密度的計算公式與密度相同。

?。?-3）

式中　ρ₀——粉煤灰的堆積密度，kg/m³；

m₂——容器和粉煤灰的總質量，kg；

m₁——容器的質量，kg；

V——容器的體積，m³。

通過粉煤灰密度及堆積密度的測定，可以計算粉煤灰的孔隙率及密實度。

?。?-4）

D =1-P （2-5）

式中　P——粉煤灰的孔隙率，%；

D——粉煤灰的密實度。

（4）細度

粉煤灰的細度可分別由比表面積、80μm篩篩余量、45μm篩篩余量及粒徑表示。粉煤灰顆粒粒徑范圍為0.5～300μm，其中玻璃微珠粒徑為0.5～100μm，大部分在45μm以下，平均粒徑為10～30μm，但漂珠粒徑往往大于45μm，海綿狀顆粒粒徑（含碳粒）為10～300μm，大部分在45μm以上。

粉煤灰的細度是影響混凝土性能和其他建筑材料性能的最重要的品質指標。各國粉煤灰標準中都有細度這一指標。國內外大量試驗都證實，以45μm的標準篩測定粉煤灰的細度比較合理。因此，國際上現行的粉煤灰標準規范，多數國家（包括我國）規定以45μm篩篩余百分數為細度指標。

粉煤灰的細度指標，也可以用它的比表面積表示。1g粉煤灰所含顆粒的外表面積稱為粉煤灰的比表面積，單位為cm²/g或m²/g。比表面積的測定，各國通常用勃氏試驗法，用這類方法所測定的比表面積的變化范圍一般為1700～6400cm²/g。我國則采用類似測定水泥比表面積的透氣試驗法。國內電廠粉煤灰比表面積的變化范圍為800～5500cm²/g，一般為1600～3500cm²/g。

①粉煤灰細度與相對密度之間的關系　粉煤灰中的球形顆粒性能最為優越，而球形顆粒的表觀密度通常較大，粒徑在45μm以下的顆粒大部分為玻璃微珠，而粒徑大于45μm的顆粒則為不規則顆粒。因此，粉煤灰的細度越小，玻璃微珠含量越多，粉煤灰的相對密度越大，如表2-10所列。

②粉煤灰細度與微珠含量之間的關系　粉煤灰越細，玻璃微珠含量越高。對此，三峽工程曾對不同電廠的粉煤灰進行過檢測，結果如表2-11所列。由表2-11中的數據可知，重慶電廠粉煤灰細度為5.2%，微珠含量高達75.0%，而細度只有15.6%的湘潭電廠粉煤灰，微珠含量僅為57.2%。

③粉煤灰細度與活性之間的關系　粉煤灰細度對其活性影響很大。粉煤灰越細，其活性成分參與反應的表面積越大，反應速度越快，反應程度也越充分。表2-12表示粉煤灰細度與活性指數的關系。隨著粉煤灰變粗，活性指數急劇下降。

④根據細度對粉煤灰的級別分類　由于粉煤灰細度是決定粉煤灰質量的最重要的因素，可以根據其對粉煤灰進行級別分類，以便大致判斷粉煤灰質量，如表2-13所列。

（5）安息角

粉煤灰的安息角又稱堆積角、休止角、安置角，即粉塵在水平平面上自然堆放時所形成的錐體母線與水平面的夾角。

安息角包括兩種含義，當粉塵從某一高度以一定的速度卸落時在平面時形成的安息角，稱動安息角，粉塵以極其緩慢的速度自由下落所形成的安息角，稱靜安息角，或稱自然安息角。安息角的大小與粉塵的種類、粒度、形狀、濕度以及下落程度、下落方式有關。

（6）需水量比

需水量比反映粉煤灰需水量的大小，直接影響到混凝土的施工性能和力學性能，因此，在粉煤灰標準規范中采用粉煤灰水泥砂漿與基準水泥砂漿對比的需水量比作為粉煤灰物理性能的一項重要品質參數。需水量比是指在一定的流動度下，以30%的粉煤灰取代硅酸鹽水泥時所需的水量與硅酸鹽水泥標準砂漿需水量之比。

粉煤灰中的水分不僅參與水泥的水化反應以及粉煤灰的火山灰反應，而且混凝土中的多余水分，形成凝膠孔、毛細孔與其他孔隙，是影響混凝土結構和性能的最敏感因素。粉煤灰需水量比這個性質指標能在一定程度上反映粉煤灰物理性質的優劣，而且可以用來估計粉煤灰對混凝土的一些重要性質的影響。最劣粉煤灰的需水量比高達120%以上，特優粉煤灰則可能在90%以下。我國《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）規定Ⅰ級粉煤灰需水量比不大于95%，Ⅱ級灰不大于105%，Ⅲ級灰不大于115%。

粉煤灰的需水量比與粉煤灰的細度有關。當粉煤灰的顆粒越細時，需水量比越小。在粉煤灰顆粒中，當多孔玻璃體或碳粒含量相對較多時，需水量比就大；密實玻璃體含量高時，需水量比小。

（7）含水率

粉煤灰的含水率是指原狀粉煤灰所含游離水、吸附水占所測試樣原重量的百分數。由于含水率的變化，同一粉煤灰可為粉狀，亦可呈泥漿狀，因而，粉煤灰的含水率不但影響卸料、貯藏等操作，還影響粉煤灰工程性能，如壓實性能及抗剪強度。在粉煤灰產品中，粉煤灰的含水率是配料的主要參數?！队糜谒嗪突炷恋姆勖夯摇罚℅B/T 1596—2005）中規定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級灰不得超過1%。對C類粉煤灰來說，含水還會明顯影響粉煤灰的活性，并造成固化結塊。

（8）強度活性指數

強度活性指數指試驗膠砂抗壓強度與對比膠砂抗壓強度之比，以百分數表示?！队糜谒嗪突炷恋姆勖夯摇罚℅B/T 1596—2005）用強度活性指數代替粉煤灰水泥膠砂28d抗壓強度比。按《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）測定試驗膠砂和對比膠砂的抗壓強度。計算活性指數按式（2-6）計算：

　（2-6）

式中　H₂₈——活性指數，%；

R——試驗膠砂28d抗壓強度，MPa；

R₁——對比膠砂28d抗壓強度，MPa。

《用于水泥和混凝土的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）規定F類粉煤灰和C類粉煤灰強度活性指數均不得大于70%。

（9）顆粒級配

顆粒級配大致可分為3種形式：a.細灰，顆粒級配細于水泥，主要用于鋼筋混凝土中取代水泥或水泥混合材；b.粗灰，包括統灰和分選后的粗灰，顆粒級配粗于水泥，主要用于素混凝土和砂漿中取代集料；c.混灰，與爐底灰混合的粉煤灰，用作取代集料或用作水泥混合材料（尚需與熟料共同磨細或分別磨細），或者用作填筑粉煤灰。

（10）安定性和干縮性

安定性指標是一個與化學性質有關的物理指標。測定粉煤灰安定性的目的主要是避免粉煤灰有害的化學成分影響混凝土的耐久性，主要是指MgO。粉煤灰安定性試驗往往采用與水泥安定性試驗相同的測定方法，用蒸壓膨脹或收縮指標來衡量其安定性。水泥、混凝土的體積安定性是指水泥、混凝土再凝結硬化過程中體積變化的均勻程度。

干縮性是另一個從物理要求出發的體積變化性能，一般情況下都作為非強制性的粉煤灰品質指標，要求28d齡期試件干縮增加率不大于0.03%。

（11）放射性

①放射性物質來源　粉煤灰中的放射性物質起源于原煤。像自然界的大多數物質一樣，原煤中也含有天然存在的原生放射性核素。一般天然放射性核素在煤中的含量低于地殼的含量，但由于火山源的反常放射性超負荷浸漬以及其他原因，某些煤層也會有高濃度的放射性核素。以²²⁶Ra（Bq/kg）衡量，對于近20個國家的煤樣進行比較，將其中4個最高值和4個最低值列表，見表2-14，煤中放射性核素含量最高的國家是巴西，其次是澳大利亞、南非和印度，最低值是美國懷俄明。按產量加權平均值，其他國家為41.5，我國為36。我國原煤的放射性核素量比國外稍低。

我國不同省份燃煤放射性物質含量差距也較大。仍以²²⁶Ra（Bq/kg）衡量，各?。ㄗ灾螀^）煤的放射性核素含量最高的是廣西，高達313，其次是江蘇（54），新疆最低（6.6），產煤大省山西的煤核素含量（24）處于較低水平，表2-15是八個典型省區的數據。

②粉煤灰中的放射性核素

a.粉煤灰的放射性濃度與原煤的放射性核素含量的關系。粉煤灰的放射性與煤種密切關系，放射性濃度高的原煤，其粉煤灰的放射性也高，且粉煤灰的放射性濃度高于其原煤的放射性濃度。

粉煤灰的放射性核素含量不僅受煤種影響，還受煤的燃燒工藝控制條件的影響。這是因為煤燃燒時使天然放射性物質部分向環境排放，引起放射性物質再分布，分布過程的多種影響因素又導致放射性核素含量的波動。根據波蘭文獻報道，某電廠粉煤灰²²⁶Ra的波動值竟高達63～610。但一般情況下波動值不會這么大。

b.國外粉煤灰的放射性核素濃度。從20多個國家的粉煤灰樣品選取4個放射性核素濃度最高值和4個最低值列表如表2-16所列。由表2-16中的數據可知，其最高值與最低值傾向與原煤的核素濃度大體是一致的。由于美國懷俄明原煤的放射性核素最低，其粉煤灰中的放射性核素含量也最低。

c.我國粉煤灰的放射性。由于粉煤灰中放射性核素含量波動范圍大，我國關于粉煤灰中放射性核素的系統測試缺少報道?，F將河南省環保研究所和山東省醫學科學院放射性醫學研究所對粉煤灰及其制品中的放射性測定結果見表2-17和表2-18。

③對我國粉煤灰放射性核素水平的評估

a.建筑材料中放射性含量的允許極限。不同國家對放射性含量的允許極限計算方法不同，例如，按原蘇聯國家輻射防護委員會的規定，工業廢渣中放射性含量濃度應滿足下式要求，其使用等不受限制。

?。?-7）

式中　C⁴⁰K、C²²⁶Ra、C²³²Th——⁴⁰K、²²⁶Ra、²³²Th的濃度，Bq/kg。

我國制定的建筑材料放射性核素限量（GB 6566—2010），對用于住房和公共生活用房的建筑材料，要求同時滿足下述兩式：

?。?-8）

?。?-9）

b.對山西省典型粉煤灰中放射性核素含量的測定和評價。中科院山西煤炭化學研究所張昌鳴列出了兩組山西典型粉煤灰放射性核素含量的測定及K值計算結果，如表2-19所列。根據國家標準規定，K₁與K₂均小于1.0，這種粉煤灰在使用時不受限制。由于在生產建筑制品時，還需混合其他天然物料，因此最終制成的建筑制品，其放射性劑量會進一步削弱。

c.對我國粉煤灰放射性核素水平的評估。由于我國原煤放射性核素含量（除廣西外）普遍低于世界其他國家，因而粉煤灰中的放射性核素含量也很低。根據我國粉煤灰放射性核素水平的評估，一般均低于國家標準規定的限度。因此，粉煤灰的放射性不會影響到其應用，但任何一家企業在生產時仍應按國家規定，對所用粉煤灰的放射性核素含量進行測定其可用性。

（12）品質評價

①品質評價意義。各電廠排放的粉煤灰由于煤質的差異、燃燒情況、管理水平各異，在各項指標上就存在差別。因此要判斷它們的品質好壞，充分利用粉煤灰資源，以免造成資源浪費，就需要對粉煤灰的品質進行評價。

②國外評價情況。國外的灰質評價標準各異，大都是根據本國的灰質情況和利用情況制定的。這些評價方法大致有兩類：一類是屬于各國的國家粉煤灰標準，標準明確規定各級粉煤灰的指標要求，符合什么指標就把灰定為什么品質；另一類評價方法是根據使用情況的需要，以粉煤灰質量標準為基礎，制定出綜合指標（或復合指數）來評價，這樣可使粉煤灰能更有效地利用，不會造成資源浪費。

a.粉煤灰單因子品質特征評價。各國粉煤灰品質特征的評價內容大致相同，表2-20中列出一些國家的單因子品質特征的評價。從表2-20中可以看出，國外的單因子品質特征主要包括：細度、燒失量、需水量、含硫量、強度比、含水量，大部分國家根據這些單因子特征，劃分粉煤灰的品質等級。這種評價方法簡單易行而被普遍采用，但應用起來比較死板，不能根據粉煤灰的具體情況進行綜合評價，容易造成粉煤灰資源的浪費。

b.粉煤灰用組合因子品質特征評價。用組合因子品質特征評價，是近年來的一個新概念，對粉煤灰的品質評價比單因子評價的可信度高。美國材料試驗協會長期研究由細度乘以燒失量的組合因子，在20世紀80年代標準修訂時，已將這一參量列為規范中非強制性品質特征。規定兩個因子的乘積不超過225，并指出組合因子統計學研究結果證實，用組合因子特征參量預測灰質的結果比單因子置信度高，特別是建立了需水量比（W）與組合因子的回歸方程，需水量比W=92.6+0.086×（細度×燒失量）。此外，還進行了系統的粉煤灰品質特征化實驗和研究，都能證實粉煤灰細度和燒失量這兩項與粉煤灰品質等級以及識別和判斷粉煤灰的總體品質有關的量。盡管在理論上具體描述和度量還有不足之處，在標準中規定粉煤灰分級和評定還受其他多項規定的制約，但是細度和燒失量的試驗方法具有簡單、敏感、可靠和費用低的特點，因而具有較好的指導意義和實用價值。

我國臺灣地區用復合因數平方根及品質當量Q來評價灰質。鑒于臺灣地區各電廠排灰的化學成分變化較小，但燒失量與細度變化較大，為此提出用復合因數和品質當量Q來控制與判斷粉煤灰的品質：

復合因數=燒失量×細度（45pm篩余量）?。?-10）

?。?-11）

用品質當量劃分灰的等級，見表2-21。英國用組合因子判斷灰在硅中的減水作用，并以此劃分等級，見表2-22。

③國內粉煤灰品質評價　我國粉煤灰的化學成分和物理性能波動范圍較大，但是作為一種資源和工業產品已逐漸被認識。現行GB/T 1596—2005根據細度、燒失量等品質特征對粉煤灰進行了等級分類，見表2-23。

2.2.5 粉煤灰分類

粉煤灰可按狀態、性質、氧化鈣含量、細度和含濕量等方式進行分類。

按狀態分類，粉煤灰可分為濕灰、原狀干灰、調濕灰、磨細粉煤灰。濕灰：對于濕式出灰的系統，粉煤灰在灰場和沉灰池中沉淀下來，可用挖掘機械或抓斗把濕灰挖出來供應用戶。原狀干灰：采用干除灰的電廠，把所有的灰混在一起，就是原狀干灰（或稱統灰）。調濕灰：在干灰庫下用調濕裝置即攪拌器中噴入適量的水，使灰呈濕狀。分級灰：電除塵器各電場收集到的干灰其顆粒度是不一樣的，分一、二、三、四電場灰。根據產品粒度范圍要求，將符合要求的顆粒分出，成為分級灰。目前，工業上常用的有干法離心和篩分兩種分級方法。磨細粉煤灰：磨細粉煤灰是將無序狀態的、低品味的原狀粉煤灰，經專用設備磨細成為相對穩定和有序的產品粉煤灰。

按粉煤灰性質和脫硫工藝分類，粉煤灰可以分為硅鋁灰和鈣硫灰。硅鋁灰主要是燃燒普通煤（無煙煤和煙煤）時產生的粉煤灰。該灰SiO₂和Al₂O₃的含量很高，二者之和的質量分數為80%。干灰的非堆積質量密度為0.5～0.8kg/L，堆積后在運輸過程中的質量密度為0.8～0.9kg/L。鈣硫灰是燃燒褐煤時產生的粉煤灰。該灰SiO₂和Al₂O₃的含量較低，二者之和的質量分數小于40%，但CaO的質量分數則高達40%，SO₃的質量分數也達6%～7%。干灰非堆積質量密度為1.1～1.3kg/L，堆積后的質量密度為1.3～1.5kg/L。硅鋁粉煤灰和鈣硫粉煤灰化學成分大致見表2-24。

按氧化鈣含量分類，根據《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005），參照美國ASTMC618—1980標準，將粉煤灰分為低鈣粉煤灰（F類）、中鈣灰和高鈣（C類）粉煤灰。F類粉煤灰由無煙煤或煙煤煅燒收集的粉煤灰。目前大多數電廠產生的粉煤灰為此類。主要特征是高硅鋁、低鈣，外觀淺灰-灰黑色。這一類粉煤灰具有火山灰性能。C類粉煤灰是由褐煤或次煙煤煅燒收集的粉煤灰，其特征是CaO較高、SiO₂較低，外觀偏淡黃-淺灰色。與普通F類粉煤灰相比較，C類灰的化學組成特點為：（FeO+Al₂O₃+SiO₂）含量、燒失量、含水量及K₂O含量較低，CaO、MgO、SO₃、Na₂O含量較高。C類灰的礦物組成特點為：含有與F類粉煤灰相同的某些礦物，如石英、莫來石等，但峰強削弱，特別是莫來石更弱；含有低鈣灰中沒有的f-CaO、CaSO₄等數量不等的礦物；玻璃體內氧化鈣含量較高。C類粉煤灰的物理性能特點為：細度大、密度高、需水比小、強度貢獻大。

低鈣、中鈣、高鈣粉煤灰的平均化學組成見表2-25。

按氧化鈣含量分類的三類粉煤灰的凝結性能、水中穩定性見表2-26。

某F類粉煤灰的化學組成見表2-27。

某C類粉煤灰物理性能及其特點見表2-28。

按粉煤灰的細度和燒失量分類，粉煤灰可分為細灰、中灰、粗灰。如根據我國標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005），用于混凝土和砂漿摻合料的粉煤灰分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級3個等級：a. Ⅰ級粉煤灰，45μm方孔篩篩余量小于12%，燒失量小于5%；b. Ⅱ級粉煤灰，45μm方孔篩篩余量小于20%，燒失量小于8%；c. Ⅲ級粉煤灰，45μm方孔篩篩余量小于45%，燒失量小于15%。

不同國家按細度分類標準要求不一致，如澳大利亞的標準AS3582.1（用于波特蘭水泥的粉煤灰）將粉煤灰分為3個等級：a.細灰，75%的粉煤灰通過45μm篩且燒失量不超過4%；b.中灰，60%的粉煤灰通過45μm篩且燒失量不超過6%；c.粗灰，40%的粉煤灰通過45μm篩且燒失量不超過12%。

2.2.6 基本特性

粉煤灰作為一種水泥取代材料或者說活性材料，在世界上已經積累了半個多世紀的科學技術知識和工程建設實際經驗。20世紀80年代初，沈旦申等通過粉煤灰混凝土應用技術基礎研究，提出了“粉煤灰效應”的假說。隨著我國粉煤灰混凝土技術的進步，粉煤灰的概念得到了進一步的充實。粉煤灰效應的假說把粉煤灰混凝土可能發生的效應歸結為三項基本效應，即粉煤灰的“活性效應”、“形態效應”和“微集料效應”。

（1）活性效應

一些SiO₂質或SiO₂-Al₂O₃質材料，其本身沒有或略有水硬膠凝性能，但被磨細后，在一定水分存在的情況下，能與Ca（OH）₂或其他氫氧化物發生化學反應，生成具有水硬膠凝性能的化合物，這種材料稱火山灰質材料，其功能呈火山灰效應。

粉煤灰的活性效應是指混凝土中粉煤灰的活性成分所產生的化學效應，即火山灰反應。粉煤灰摻入水泥，其活性SiO₂和Al₂O₃能分別與水泥水化過程析出的Ca（OH）₂發生反應，生成類似于水泥水化產物的低鈣型水化硅酸鈣凝膠體和水化鋁酸鈣，從而表現出化學活性。

影響粉煤灰活性的因素，除形成條件外，還有物理特性、化學特性、結構特性等。物理特性中主要是形貌特征、細度、比表面積、需水量、相組成等，它們之間又是互相聯系的?；瘜W特性中主要是化學成分、微量元素等。結構特性主要是溶出特性及酸堿特性。一般來講，對于同一品種的粉煤灰，其顆粒粒徑越小，活性越高，所呈現的力學強度也越好；玻璃體中包含的硅酸根和鋁酸根含量越多，活性越高。

對于不同品種的粉煤灰，其標準稠度需水量越小，CaO含量越高，含碳量越低，活性越高；粉煤灰中的SiO₂含量越高，玻璃體含量越高，活性也越高，特別是富鈣玻璃體含量越高，活性越高。

粉煤灰的活性大小不是一成不變的，它可以通過機械磨細法、水熱合成法、堿性激發法等人工手段激活。

（2）形態效應

粉煤灰的形態效應是指粉煤灰由其顆粒的外觀形貌、內部結構、表面性質和顆粒級配等物理性狀所產生的效應。一般來說，粉煤灰形態效應是物理效應，或者說是粉煤灰物理性狀的作用對混凝土質量發生影響的效應。粉煤灰形態效應主要的影響在于改變新拌混凝土的需水量和流變性質。

在高溫燃燒過程中形成的粉煤灰顆粒，絕大部分為玻璃體，這部分比較光滑的類球形顆粒，由硅鋁玻璃體組成，尺寸多在幾微米到幾十微米。由于球形顆粒粒型完整，表面光滑，故摻入混凝土之后能起滾球潤滑作用，并能不增加甚至減少混凝土拌合物的用水量，起到減水作用。粉煤灰在形貌學上的另一特點是它的不均勻性，如內含較粗的、多孔的、疏松的、形狀不規則的顆粒占優勢，則喪失了所有物理效應的優越性，而且會損害混凝土原來的結構和性能，所得到的是負效應。粉煤灰這種不同尋常的形態效應常常會影響其他效應的發揮，因此，應看作粉煤灰在混凝土的第一個基本效應。

優質的粉煤灰中的玻璃球形顆粒粒型完整，表面光滑，粒度較細，質地致密，多孔顆粒極少，因此，在攪拌成型過程中不會大量吸水，使得水泥漿體的需水量降低，初始結構得到改善。在以后的養護過程中，水會慢慢地進入粉煤灰顆粒表面的孔隙中，且逐漸發生反應。隨著養護時間的推移，就會在孔隙中生成一些水化產物。另外，粉煤灰外部的一些水化物在成長過程中也會像樹根一樣伸長進入粉煤灰顆?？紫吨?，因而就使得顆粒的界面強度大大提高，進一步促進了粉煤灰混凝土后期強度的較快增長。

（3）微集料效應

粉煤灰的微集料反應是指粉煤灰中的微細顆粒均勻分布在水泥漿內，填充孔隙和毛細孔，改善混凝土孔結構和增大密實度的特性。粉煤灰的微集料效應之所以如此優越，主要因為粉煤灰具有不少微集料的優越性能。

玻璃微珠本身強度很高，厚壁空心微珠的壓縮強度在700MPa以上，微集料效應明顯增強了硬化漿體的結構強度。對粉煤灰顆粒和水泥凈漿間的顯微研究證明，隨著水化反應的進展，粉煤灰和水泥漿體的接觸越趨緊密。對粉煤灰和水泥漿體界面處的顯微硬度研究表明，在界面上形成的粉煤灰水化膠凝的顯微硬度大于水泥凝膠的顯微硬度。粉煤灰在水泥漿體中分散狀態良好，它有助于新拌混凝土和硬化混凝土均勻性的改善，也有助于混凝土中孔隙和毛細孔的充填和細化。

粉煤灰的顆粒越細，微小玻璃球形顆粒越多，比表面積也越大，粉煤灰中的活性成分也就越容易和水泥中的Ca（OH）₂化合，其活性就越高。另外隨著顆粒細度的增加，粉煤灰的比重增大，標準稠度需水量減少，漿體的密實度及強度增大。所以，粉煤灰磨得越細，活性越高，越能促進混凝土后期強度的增長。

（4）主要影響因素

研究結果表明，物化性質是粉煤灰特性的主要影響因素。粉煤灰的活性、顆粒大小的分布、絕對玻璃態表面、總的CaO含量和游離CaO的含量、圓形顆粒的含量、未燃盡碳分的含量及粉煤灰的微細度等因素也都會影響粉煤灰拌入混凝土后混凝土的強度。

外界條件對粉煤灰的形成及其物理性質影響極大。爐溫越高，粉煤灰的顆粒度越??；燃煤中CaO的含量越高，產生的粉煤灰顆粒度越小；揮發成分越低或惰性物質含量越高，產生的粉煤灰越細；鍋爐滿負荷條件下產生的粉煤灰比在部分負荷條件下產生的粉煤灰粗糙。

（5）效應的效率評定

粉煤灰混凝土的三類粉煤灰效應，其綜合正負效應相抵之后得的凈效果，才能標作粉煤灰對混凝土的貢獻。貢獻的大小就是粉煤灰效應的有效率，可以簡稱為粉煤灰效應的“效率”。

根據質量科學中“相對質量”的涵義，把粉煤灰效應效率定義為將由粉煤灰效應所產生的某項粉煤灰混凝土表征質量的特征或特性指標，與作為基準的不摻粉煤灰的水泥混凝土的特征或特性指標進行對比，其對比值或相對百分數就是粉煤灰的效益參量或效率系數。

如果粉煤灰混凝土的這項特征或特性效率參量（或系數）大于1或100%，一般表明粉煤灰正效應占優勢；反之，如果粉煤灰的效率參量小于1或100%，則表明粉煤灰正效應占劣勢，或者粉煤灰效應雖有貢獻，但是還不足以彌補所取代的水泥所能起的作用，尚需通過調整，增強粉煤灰的正效應。相反，對于混凝土的某些特征和特性，粉煤灰的效應以低值為優。如混凝土的抗碳化作用，一般以混凝土的碳化深度來表示。相對碳化深度較小，表示抗碳化能力較強，粉煤灰混凝土抗碳化系數小于1，即表示粉煤灰效應對混凝土抗碳化性能做出了貢獻。當然，為了便于一目了然的分析粉煤灰效應的得失，效率參量也可以進行統一概念的換算，但是有必要進行適當的說明，以免造成誤解。