粉煤灰的性能和物理化学性能综述

1比表面积

颗粒的比表面积是很重要的，因为在某种程度上，比表面积决定其吸附能力。粉煤灰颗粒的比表面积一般与颗粒尺寸成反比(颗粒越小比表面积越大)。Schure等人做了一系列实验以标定西方粉煤灰的比表面积和孔隙率。他们发现，对于在0～74μm范围内的颗粒，比表面积确实随着颗粒尺寸的增加而降低。然而，对于大于74μm的颗粒，形状偏离圆形的和不规则海绵形状的，比表面积随着颗粒尺寸的增加而增加。通常，较大颗粒尺寸的含碳，这表明它们很可能是不完全燃烧的产物。El-Mogazi等人发现粉煤灰的比表面积在0．45～1．25m2•g－1之间。Mattigod等人确定了一个更宽的范围从0．2～3．06m2•g－1。Theis和Gardner报道的比表面积值特别高，为1～9．44m2•g－1。然而他们在报道中也指出了一个很宽的粒度范围(0．01～125μm)，表明实验样品很可能取自不同的燃烧阶段。比表面积实验通过水吸附研究完成。实验前，试样在110℃干燥24h，将2g粉煤灰试样放入塑料干燥器内，在23℃条件下吸水。在0%、52%、100%的相对湿度下分别使用干燥的五氧化二磷、过饱和的重铬酸钠以及蒸馏水用来保持塑料干燥器中空气里水的活性，使水分包围在玻璃瓶中试样的周围。所有的干燥器保持在室温23℃。通过数字天平(精确度为0．0001g)每两天称重一次，直到达到明显的平衡为止。比表面积的测定还包括测定在材料表面形成一层单膜所需气体的分子数。尽管氮气更常用，但是用水的吸附方法更适合可塑和不可塑的材料，因为材料外部和内部都可以被水覆盖，并不像氮气仅仅覆盖材料的外部。在52%的湿度条件下水的吸附数据可以用来计算可塑和不可塑材料的比表面积。假定在该湿度下水的单膜被吸附在材料上。

2颗粒尺寸分布

粉煤灰是燃烧固体废弃物的一部分，足够小的颗粒随烟气被带走。质量百分比80%～99%的粉煤灰样品能通过74μm的筛网。粉煤灰一般为细的颗粒，在细砂的范围(2～74μm)。粉煤灰经湿灰处理系统处理后放置于排放区，表明超过50%为细砂范围的颗粒。从处理的部分得到的粉煤灰，表明超过50%为粉砂范围内的颗粒。对印度煤灰的更广泛调查表明，粉煤灰主要由砂土粒级的颗粒和一些黏土粒级的颗粒组成。在灰的上部，细砂级占主要部分，还有一些砂土级颗粒。在灰的底部，是更粗的颗粒，主要由砂土级颗粒组成，含有一些细砂级颗粒。根据粒度分布，煤灰能被分为粉砂级和砂土级。在目前的研究中，小于75μm的粉煤灰的粒度分布曲线按照ASTMD422－63绘制。图1示出了NFA粉煤灰和MFA粉煤灰的粒度分布曲线。表明MFA粉煤灰比NFA粉煤灰的颗粒更细。按照ASTMB822－02，用激光粒度分析仪做粒度分析。原理为颗粒通过激光束以一定角度散射，散射角与颗粒的尺寸存在直接关系。随着颗粒尺寸的减小，散射角成对数增加，散射强度也与颗粒大小有关，随颗粒体积的减小而减小。因此，较大的颗粒有窄的散射角，强的散射强度，较小的颗粒有宽的散射角，弱的散射强度。图2(a)和(b)示出了用激光粒度分析做的NFA粉煤灰和MFA粉煤灰的粒度分布曲线。同样也表明MFA粉煤灰比NFA粉煤灰有更细的颗粒。

3X射线衍射图

粉煤灰中不同相的存在使X射线分析具有必要性。图3为NFA粉煤灰和MFA粉煤灰的X射线衍射图。图谱表明在两种粉煤灰中石英相和莫来石相占主要部分。

4扫描电镜

利用具有萧特基场发射电子源，高电压在20kV～30kV发射源的Sirion高分辨率扫描电镜扫描两种粉煤灰的表面特征。扫描前，将烘干的细粉粉煤灰试样喷金后放在SEM的平台上。图4示出了NFA粉煤灰和MFA粉煤灰的表面特征。结果表明MFA粉煤灰比NFA粉煤灰有更粗糙的表面。

5阿太堡限度

液性限度、塑性限度和塑性指数这些性能在岩土工程领域是最常用的。这些特性不仅在分类和鉴定中重要，在预测工程中的表现(如强度、渗透系数、可压缩性)也同样重要。由于针入度法简单且结果有再现性，目前通过针入度方法进行液性限度测试。NFA粉煤灰和MFA粉煤灰的液性限度值分别为39%和29%。实际上粉煤灰是无塑性的，所以塑性限度和塑性指数是不存在的。

6压实特性

煤粉的密度是一个很重要的指标，因为它决定着强度、压缩性、渗透性。一般来说，粉煤灰的压实性变化很大，来自同一火电厂的不同时间的粉煤灰是有变化的。具有一定湿度的粉煤灰的烘干密度比同等中级粒度、级配优良的土变化要小。目前的研究中，不同粉煤灰的最大密度值通过Sridharan等人提出的迷你压实性测试方法进行测试。对于每一次压实性测试，大约使用200g粉煤灰。一定量的水被添加到粉煤灰中，彻底混合，保存在聚乙烯袋中直到水分平衡。水分平衡所需时间满足以后，在压实试验以前，试样需再一次搅拌混合。粉煤灰在模具里面分3层被压缩。确定了压缩后粉煤灰和模具的重量以及压实的粉煤灰的重量。测试了具有代表性的中间层的含水率。重复压实，直到粉煤灰变黏变湿。利用水分含量与干密度的关系曲线图表示压实性试验的结果。NFA粉煤灰和MFA粉煤灰的最大干密度是14kN•m－3和13．3kN•m－3，相应地最佳的含水率是24%和23．8%(图5)。这些值是典型的黏土的特性，黏土具有更好的排水和渗透性。

7无侧限抗压强度

粉煤灰的强度行为在不同地质技术领域的应用有重要性。粉煤灰的强度基本上决定了堆积角和它能承受的荷载大小。对于挡土墙，填充物的剪切强度决定了墙能承受的荷载。粉煤灰路堤和回填物的设计中，粉煤灰的抗剪强度由内聚力和内摩擦角决定。凝硬性材料像粉煤灰的最大优势是内聚力随养护时间而提高，有利于结构的稳定。试样的制作和测试按照ASTMD2116，剪切强度测试以0．5mm•min－1的应变速度。根据应力应变曲线，记录峰值对应的应力应变值。为了研究养护对无侧限抗压强度的影响，压缩的试样被保存在密闭的干燥器中，湿度保持大于95%，按照ASTMD5102养护180天。满足养护时间以后，称量试样的重量并记录，与原来重量相比较。试样湿度的损失由水化热量导致，如果超过5%，认为是不合格的。

作者：杨杨