石灰对粉煤灰活性激发作用的研究进展

作者:山西嬴信科技有限公司发布日期:2022-05-20浏览次数:8

摘要:综述了石灰对粉煤灰活性激发作用的研究结果,分析了其水化反应过程,提出按等当量比较生、熟石灰激发粉煤灰活性的合理性和可行性,分析了熟石灰更有利于激发粉煤灰活性的技术、经济优势。

关键词:石灰,激发粉煤灰活性,等当量,熟石灰,优势

 

粉煤灰具有潜在火山灰活性,这种潜在火山灰活性需经激发才能得以发挥,快速、充分、经济地激发粉煤灰活性是粉煤灰资源化利用的要求。粉煤灰呈酸性又“先天缺钙”,人们受天然火山灰加石灰制作胶凝材料的启发,一直将石灰作为激发粉煤灰活性的物质,对此,国内外研究者做了大量的研究和应用推广工作,为粉煤灰研究和资源化奠定了理论和实用基础。


1 国内外研究的回顾


1.1 石灰对粉煤灰活性激发的作用


粉煤灰的火山灰活性早就为人们所认识是因其化学组成与天然火山灰相似。粉煤灰化学组成与硅酸盐水泥熟料的化学组成也极其相似,它们均属于CaO-SiO2-Al2O3系统,其主要区别是化学组分的含量不一样,而以氧化钙含量相差大。低钙粉煤灰的氧化钙含量一般不超过10%,我国典型高钙粉煤灰的氧化钙含量也不超过25%,而硅酸盐水泥熟料中氧化钙含量一般在62~67%之间[1]。当粉煤灰的氧化钙含量较高时就有一定的胶凝性能,理论上认为粉煤灰补充氧化钙就可能水化硬化而形成强度。但实际研究和利用表明只向粉煤灰中补充氧化钙,虽能激发粉煤灰的活性,但常温常压下其强度特别是早期强度偏低,因此,以往研究和应用石灰激发粉煤灰活性多在蒸压与蒸养条件下进行。后来研究发现:粉煤灰的主要成分为酸性氧化物,其活性在碱性介质中容易得到激发,且需在其它条件下才能得到更快速、充分地激发[2]。


NaOH虽也是碱性物质,但与粉煤灰作用却不产生强度,经对其水化产物的微观分析发现:用石灰激发粉煤灰生成了具有胶凝性的水化产物(CSH、CAH、AFt等),而用NaOH激发粉煤灰则没有生成具有胶凝性的水化产物。石灰不但为粉煤灰活性激发提供了碱性环境即提供了破解粉煤灰玻璃体中的Si-O、Al-O键的OH-,而且还提供了使粉煤灰活性得到激发、水化生成水硬胶凝性产物所需的Ca2+,同时促进水化生成物转化成更稳定、强度的水化产物,是激发粉煤灰活性的必要条件[3]。


1.2 生、熟石灰对粉煤灰活性激发的差别


无论采用生石灰或熟石灰,其对粉煤灰活性激发的基本机理是相同的,从理论上看其对粉煤灰活性激发程度也是相同的,但从前人和我们的研究结果来看,它们之间存在较大的差别。以前,国内学者和国外部分学者用石灰激发粉煤灰活性时倾向于使用生石灰,认为生石灰消解时产生大量的水化热,有利于粉煤灰的活性激发及水化胶凝物质的生成,同时在拌和好的浆体中生石灰消解需要一部分水,使浆体中游离水减少,硬化体中孔隙率降低,这些因素均有利于强度的提高,因此,认为生石灰比熟石灰更有利于粉煤灰活性的激发[1,3]。


但国外有学者考虑熟石灰在加工、储存、细度及体积安定性等方面的优势,利用熟石灰激发粉煤灰的活性,并取得了较好的效果[4],但没有对生、熟石灰激发粉煤灰活性的差别和机理进行研究。


因此,以住对石灰激发粉煤灰活性的研究多指生石灰的激发作用。


2 石灰对粉煤灰活性激发作用的再认识


2.1 条件对比


采用生石灰激发粉煤灰活性,加水搅拌后生石灰与水迅速消解生成Ca(OH)2,然后Ca(OH)2再与粉煤灰中的SiO2和Al2O3反应生成具有胶凝性的物质而产生强度。就其水化反应过程来看,终参与反应的是Ca(OH)2,而不是CaO。因此,用熟石灰代替生石灰的效果应该是一样的或者差别不大。但以往研究的试验结果表明采用熟石灰的强度却明显低于生石灰的资料[2,3]和我们前期试验发现:过去比较生、熟石灰对粉煤灰活性的激发效果都是以等质量为比较条件。然而,石灰激发粉煤灰活性终参与激发的是Ca(OH)2,因而比较生、熟石灰对粉煤灰激发效果应该是以等当量的CaO或Ca(OH)2作为比较条件。因为1克CaO与水反应可生成1.32克Ca(OH)2,即等质量的生、熟石灰终提供的Ca(OH)2量是不相等的,生石灰终提供的Ca(OH)2是等质量熟石灰1.32倍。而粉煤灰活性激发需要不断地消耗Ca(OH)2,等质量的生、熟石灰提供的Ca(OH)2却是不相等的,从这个角度出发,在比较生、熟石灰对粉煤灰活性的激发效果以等质量为比较条件是不恰当的,应该以等当量为比较条件,即1克生石灰激发粉煤灰活性的效果应该是与1.32克熟石灰的激发效果进行比较。

 

2.2 试验结果


采用重庆电厂干排灰和保定电厂的干排灰,重庆灰属于三级灰,见表1。

 

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试验中重庆电厂的粉煤灰还采用磨细灰和超细灰,其密度分别为2.56×103kg/m3、2.70×103kg/m3,比表面积分别为690m2/kg、1210m2/kg。


采用重庆歌乐山石灰,活性77%,为中速灰。生熟石灰筛余量为0.8%,生石灰筛余量2.0%。硫酸钠为工业芒硝。砂为标准砂。


试验中考虑到单独使用石灰的强度低,不便于比较,故掺入激发效果较好的硫酸钠以提高强度,掺量为粉煤灰和生石灰总量的3%[3],在熟石灰与生石灰进行当量换算时硫酸盐的掺量仍为粉煤灰和生石灰总量的3%,粉煤灰的掺量为80%,生石灰20%。采用生石灰时水胶比取0.48,采用熟石灰时取0.46;试件在标准养护室进行养护,先在空气中养护7天,然后进行水养。其它参照GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》进行;其试验结果见表2。

 

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试验结果表明:以等质量比较,在原状灰和超细灰试验中,熟石灰对粉煤灰活性激发的胶砂强度低于生石灰激发的胶砂强度,磨细灰试验中,熟石灰对粉煤灰活性激发的胶砂强度甚至高于生石灰激发的胶砂强度;以等当量比较,四种灰的试验中熟石灰对粉煤灰活性激发的胶砂强度都高于生石灰激发的胶砂强度。因此,从石灰激发粉煤灰活性效果来看,以等当量熟石灰取代生石灰,熟石灰激发粉煤灰活性具有一定优势


2.3 实际应用的合理性和可行性


采用生石灰激发粉煤灰活性,由于生石灰是块状的,须经磨细、筛分达到一定细度,才能满足水化反应的要求,特别是在生产建材制品时,拌和好的料还要通过轮碾、陈化才能满足生产要求,制品养护还要喷水、加盖保水层才能表面不开裂,而磨细、筛分、轮碾、陈化、喷水、加盖保水层不仅增加了生产工艺的复杂程度,而且提高了粉煤灰建材制品生产成本。


熟石灰是生石灰消解而成的,该过程在自然条件下是一自发过程,不需要外界条件和能量;熟石灰是粉末状的,细度相当小,足以满足生产要求;且在生产过程中无石灰消解发热和游离氧化钙的破坏作用,相对简化了生产,与生石灰相比采用熟石灰能降低粉煤灰产品的生产成本,即使是采用等当量的熟石灰也不会增加成本。


因此,从实际应用来看,以等当量为比较条件,比较生、熟石灰激发粉煤灰活性是合理可行的;这种合理性和可行性已在我们的中试试验中得到体现。


2.4 讨  论


以等当量比较,熟石灰激发粉煤灰活性的综合效果要比用生石灰好,原因[3]是:


(1)生石灰激发粉煤灰活性,特别是生石灰掺量较大,水化反应后有大量的游离氧化钙存在,可能引起体积安定性不良,石灰颗粒越粗,由游离氧化钙引起的体积安定性不良的可能性就越大。


(2)生石灰激发粉煤灰活性时,加水拌和首先是生石灰与水反应生成熟石灰,熟石灰溶解于水电离出Ca2+和OH-,而生石灰的消解会受到硫酸盐的抑制[1],将减小系统液相介质的OH-浓度,降低碱性介质对粉煤灰网络四面体的破解能力,终降低对粉煤灰活性的激发效果。


(3)由于生石灰需要吸水消解,系统的需水量大,导致整个系统标准稠度需水比大,与同细度的熟石灰相比,采用生石灰成型所需的水灰比相对较大。


(4)通常采用的生石灰是磨细生石灰,熟石灰是消解的粉末状物质,其比表面积相对于一般的磨细生石灰要大得多,在某种程度上也利于对粉煤灰活性激发。


3 结  论


石灰是粉煤灰的碱性激发剂,其主要作用是提供OH-破解粉煤灰活性成分中的Si-O和Al-O键、补充粉煤灰水化反应所需的Ca2+、促进水化产物的形成、转化等作用,是激发粉煤灰活性的必要条件。


以往的研究一直认为生石灰比熟石灰有利于粉煤灰活性激发。其比较生、熟石灰对粉煤灰活性激发效果是以等质量为比较条件,而终激发粉煤灰活性的是Ca(OH)2,应以等CaO或Ca(OH)2当量为比较条件。


以此为条件,试验结果表明,熟石灰对粉煤灰活性激发的效果比生石灰要好。


采用生、熟石灰激发粉煤灰活性的主要差别是熟石灰无体积安定性不良的破坏因素、系统需水比小、熟石灰细度小和生石灰的消解要受硫酸盐的抑制等因素而产生的


文献来源:石灰对粉煤灰活性激发作用的研究进展,王智,钱觉时,卢浩(重庆大学材料与科学工程学院)


关键词:

建筑保温与外墙装饰防火设计指南

1  总  则

1.1    

为预防建筑保温与外墙装饰引起的火灾,保护人身和财产安全,根据《建筑设计防火规范GB50016-2014(2018年版)》、《建筑防火封堵应用技术标准GB/T51410-2020》等技术标准、规范的有关规定,结合山西省实际情况,制定本指南。

1.2  适用范围

山西省行政区域内所有新建、扩建、改建(室内、外装修、节能改造、用途变更等)工程项目及临时建筑,均应按照本指南进行建筑保温、外墙装饰的设计。

建筑面积在300平方米以内、两层以下(含两层)、跨度小于6米、农民自建自住或者村集体建设用于办公室、警务室、卫生室、便民服务点、农产品加工作坊等农村自建低层房屋,参照本指南相关规定进行设计。

建筑保温、外墙装饰设计,除执行本指南外,还应符合、山西省现行技术标准、规范的有关规定。

1.3  基本要求

建筑保温与外墙装饰材料的选取与运用,除本指南明确必须采用燃烧性能为A级材料的建筑外,其他建筑工程宜采用A级材料,严禁采用B2级、B3级材料。

2  保温层采用A级材料的建筑及场所

2.1  一般规定

2.1.1  设置人员密集场所的建筑外墙外保温材料均应采用A级。主要指公众聚集场所,公共娱乐场所,医院的门诊楼、病房楼,学校的教学楼、图书馆、食堂和集体宿舍,养老院,福利院,托儿所,幼儿园,公共图书馆的阅览室,公共展览馆、博物馆的展示厅,劳动密集型企业的生产加工车间和员工集体宿舍,旅游、宗教活动场所等。

1  公众聚集场所主要指

宾馆、饭店、商场、集贸市场、客运车站候车室、客运码头候船厅、民用机场航站楼、体育场馆、会堂等。

2  公共娱乐场所主要指

(1)影剧院、录像厅、礼堂等演出、放映场所;

(2)舞厅、卡拉OK厅等歌舞娱乐场所;

(3)具有娱乐功能的夜总会、音乐茶座和餐饮等场所;

(4)游艺、游乐场所;

(5)保龄球馆、旱冰场、桑拿浴室等营业性健身、休闲场所。

2.1.2  除设置人员密集场所的建筑外,下列其他公共建筑的外墙外保温材料亦应采用A级材料。

1  地市级及以上的党政机关办公楼;

2  重要的通信、调度和指挥建筑;

3  省级及以上的广播电视建筑;

4  县级及以上的文物古迹、地市级及以上档案馆等建筑物;

5  证券交易所;

6  省级及以上的银行等金融机构办公楼;

7  监狱、戒毒所、拘留所、隔离用房等封闭管理场所;

8  母婴服务、康复、看护照料等相关服务场所;

9  其他发生火灾可能性较大以及一旦发生火灾可能造成重大人身伤亡或者财产损失的单位。

2.1.3  2.1.1及2.1.2规定外,与基层墙体、装饰层之间无空腔的建筑外墙外保温系统,其保温材料应符合下列规定:

1  建筑高度大于100m的住宅建筑,保温材料的燃烧性能应为A级; 

2  除住宅建筑及2.1.1及2.1.2所列建筑外,其他建筑建筑高度大于50米时,保温材料的燃烧性能应为A级。

2.1.4  2.1.1,2.1.2规定外,与基层墙体、装饰层之间有空腔的建筑外墙外保温系统,建筑高度大于24m时,保温材料的燃烧性能应为A级。

2.2  其他要求

2.2.1  独立建造的老年人照料设施、与其他建筑组合建造且老年人照料设施部分的总建筑面积大于500㎡的老年人照料设施的内、外墙体和屋面保温材料应采用燃烧性能为A级的保温材料。

2.2.2  在建筑内部使用保温材料时,保温材料的燃烧性能应为A级。

2.2.3  设置商业网点的住宅,商业网点部分的外保温应采用A级材料。

2.2.4  建筑中的非承重外墙、房间隔墙和屋面板,当确需采用金属夹芯板材时,其芯材应为A级,且耐火极限应满足相应技术标准及规范要求。

3  建筑保温防火构造措施

3.1  构造要求

3.1.1  建筑外墙采用保温材料与两侧墙体构成无空腔复合保温结构体时,该结构体的耐火极限应符合相应规范的有关规定;当保温材料的燃烧性能为B1级时,保温材料两侧的墙体应采用不燃材料且厚度均不应小于50mm。

3.1.2  除建筑外墙采用保温材料与两侧墙体构成无空腔复合保温结构体的情况外,当建筑的外墙外保温系统采用燃烧性能为B1级的保温材料时,应符合下列规定:

1  建筑高度大于24m小于50m的公共建筑、建筑高度大于27m小于100m的住宅建筑,建筑外墙上门、窗的耐火完整性不应低于0.50h。      

2  应在保温系统中每层设置水平防火隔离带。防火隔离带应采用燃烧性能为A级的材料,防火隔离带的高度不应小于300mm。

3.1.3  建筑的外墙外保温系统应采用不燃材料在其表面设置防护层,防护层应将保温材料完全包覆。除建筑外墙采用保温材料与两侧墙体构成无空腔复合保温结构体的情况外,采用B1级保温材料时,防护层厚度在首层及室外活动平台处不应小于20mm,其他层不应小于5mm,且应符合下列要求:

1  防护层外无干挂、贴片等装饰构造时,距室外地坪及室外活动平台2m高度范围内的防护层构造做法中增加钢丝网片,防止碰撞损伤及脱落。

2  铺设保温层时,应在其转角、衔接处等薄弱部位增强防护层的构造做法,以防护牢固可靠。

3.1.4  建筑外墙外保温系统与基层墙体、装饰层之间的空腔,应在每层楼板处采用防火封堵材料封堵,并应符合下列要求:

1  应在与楼板水平的位置采用矿物棉等背衬材料完全填塞,且背衬材料的填塞高度不应小于200mm;

2  在矿物棉等背衬材料的上面应覆盖具有弹性的防火封堵材料;

3  防火封堵的构造应具有自承重和适应缝隙变形的性能。

3.1.5  建筑的屋面外保温系统采用B1级保温材料时,应采用不燃材料作防护层,防护层的厚度不应小于10mm。

当建筑的屋面和外墙外保温系统均采用B1级保温材料时,屋面与外墙之间应采用宽度不小于500mm的不燃材料设置防火隔离带进行分隔。

3.2  其他措施

3.2.1 建筑外墙外保温系统宜优先采用保温结构一体化技术。

3.2.2 电缆燃烧性能为B1级及以下的电气线路严禁穿越或敷设在燃烧性能为B1级的保温材料中;确需穿越或敷设时,应采用不燃电缆,穿金属管并在金属管周围采用不燃隔热材料进行防火隔离等防火保护措施。

4  外墙装饰防火设计要点

4.1  材料选用

4.1.1  建筑外墙的装饰层应采用燃烧性能为A级的材料。但建筑高度不大于50m时,除2.1.12.1.2所列建筑外,可采用B1级材料。

4.1.2  其他装饰构件的燃烧性能不应低于其外墙采用的保温材料燃烧性能等级。

4.2  其他措施

4.2.1  建筑外部设置的广告牌灯箱、logo等的电气线路需穿越或敷设于外墙时,应采用穿套金属管作防护,其内部光源应采用冷光源。

4.2.2  新建仿古建筑的外墙装饰构件应采用不燃或难燃材料,难燃材料应采取相应的防火措施,使其耐火极限不低于1.00h。


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