司卫平

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

0 引言

粉煤灰的开发利用已有半个多世纪的历史。至此为止，粉煤灰已不再是作为一种“废物”而加以利用，而是作为一种资源用于改善材料的性质。

既然是一种资源，就存在着合理利用问题。资源的合理利用是可持续发展的一个重要内容，粉煤灰资源也不应该例外。我国是一个产煤大国，2002年煤产量为13.8亿吨，居世界首位[1]。不言而喻，我国的粉煤灰资源也是相当大的。这一资源如能得到合理的利用，对我国的建设事业将会作出巨大的贡献，其经济效益也是相当可观的。

在粉煤灰的利用方面，就研究水平、积累的资料以及在工程上的实际应用，我国都具有相当高的水平。但在大量的研究和应用中往往较多地注意粉煤灰对材料性能的影响，对于其利用的科学性则没有引起人们的注意。什么叫资源的合理利用？著名科学家严济慈曾经说过，“所费多于所当费，所得少于所可得，都是浪费”。所谓资源的合理利用，就是要不浪费,就是要最大限度的发挥资源的潜能，获得最大效益。要做到这一点，就有一个科学利用资源的问题。同时，由于粉煤灰属于一种火山灰质材料，它与其它火山灰质材料有许多共性。因此，本文将着重阐述粉煤灰的基本效应，并对粉煤灰利用方式及其各种效应利用状况进行分析，以引起人们对这一问题的注意，为粉煤灰科学利用奠定基础。同时也希望能起到抛砖引玉的作用，引导科学家们在这一方面开展更多更深入的工作，使粉煤灰综合利用的研究上一个新的台阶，使粉煤灰这一资源真正得到合理的利用。

1 粉煤灰的基本效应

在大量研究的基础上，沈旦申教授把粉煤灰的作用归结为三个基本效应，即:形态效应、活性效应和微集料效应[2]。粉煤灰的潜在能量则是以这三种模式蕴藏在粉煤灰颗粒之中，并以这三种方式发挥作用。

所谓形态效应，泛指各种应用于混凝土中的矿物质粉料，由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性质所产生的效应。在各类矿物质粉料中，粉煤灰具有独特的颗粒特性，因而在水泥基材料中也将产生独特的形态效应。粉煤灰的形态效应直接影响到混凝土的流变性能，也直接影响到硬化混凝土的初始结构。

所谓活性效应是指矿物质粉料的活性成分所产生的化学效应。活性效应的高低取决于反应的能力、速度及其反应物的数量、结构和性质等因素。一些低钙的矿物质粉料，如硅灰等，其活性效应主要表现为火山灰反应。一些高钙的矿物质粉料，如矿渣等，其活性效应则包括一些属于结晶矿物的水化反应。由于煤种的差异，粉煤灰的组成差异是较大的。一些低钙粉煤灰的活性效应以火山灰反应为主，一些高钙粉煤灰的活性效应通常是这两种反应兼而有之。我国的粉煤灰大多数为低钙粉煤灰，也有一些钙含量较高的粉煤灰。另外，粉煤灰的活性效应不仅仅体现在这两种反应上，还应该包括与碱等其它一些物质的反应，在某些场合，这些反应也会对材料的性能产生显著的影响。

所谓微集料效应是指矿物质粉料细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相中,起到微细集料的作用。粉煤灰效应之所以优越，是因为粉煤灰颗粒具有不少微集料的优越性能:1）玻璃微珠本身强度很高，厚壁空心微珠的抗压强度可达700MPa以上；2）具有较好的界面性能。对于一般微混凝土来说，硬化水泥浆体结构中最薄弱的联结部分是微集料与浆体之间的界面。但对粉煤灰和水泥浆体界面处显微硬度研究表明，在界面上形成的粉煤灰水化凝胶的显微硬度大于水泥凝胶的显微硬度。大量研究表明，破坏往往不在粉煤灰颗粒界面发生，而是在水泥凝胶部分发生；3）粉煤灰微粒在水泥浆体中分散状态良好，它有助于新拌水泥基材料和硬化水泥基材料均匀性的改善，也有助于水泥基材料中孔隙和毛细孔的填充和“细化”。

粉煤灰的效应是粉煤灰内在潜能的体现，这些潜能的发挥不仅可以改善水泥基材料的某些性能，也有可能限制水泥基材料的某些性能，甚至可能带来一些所不希望的作用。所谓粉煤灰作用的科学利用，就是要充分地挖掘、合理地利用粉煤灰的潜能去为我们的目的服务，同时也要注意它所带来的负面影响，即所谓扬其所长，避其所短，克其所害。

笔者在研究粉煤灰效应时发现，粉煤灰效应的发挥与使用方法有着密切的关系，这就为粉煤灰资源科学的利用提供了可能性。从本质上讲，开展粉煤灰资源科学利用研究的一个重要内容就是根据实际需要，寻找合适的方法，引导粉煤灰的潜能朝着所需要的方向发挥。

2 粉煤灰利用方式及其各种效应利用状况分析

从粉煤灰在水泥基胶凝材料中的利用来说，大体有三种利用方式:①作为水泥生产的原材料，用于水泥生料的配料；②作为水泥的混合材，与熟料一起粉磨而生产水泥；③作为混凝土的掺合料来制备混凝土。

粉煤灰用于水泥生料的配料，在使用过程中经过了粉磨－煅烧－粉磨过程。在粉磨过程中，粉煤灰颗粒的外观形貌、表面性质、颗粒级配等物理性质都发生了变化，形成了新的外观形貌、表面性质和颗粒级配。因此，粉煤灰原始的形态效应几乎是没有用的,而新的形态效应是通过外力作用后产生的，不是粉煤灰本来的潜能。在煅烧过程中，粉煤灰的活性也发生了本质上的变化。同时,经过粉磨－煅烧－粉磨，粉煤灰已经变成了水泥的一个组成部分，不再是微集料了。由此看来，将粉煤灰作为一种原材料来用于生料配料，它的三个效应几乎是没有用的。所能利用的仅仅是它的一些表面能以及它的活性和所含有的碳提供的一些热能，这些潜能的提供体现在生料的易磨性和易烧性上。粉煤灰作为原材料来用于水泥生料的配料，主要目的不在于利用它的潜能，而在于利用它的化学组成。因此，作为这一用途的粉煤灰，主要是注重它的化学组成，而不是它的潜能。一些具有较好形态效应和微集料效应及较高活性的粉煤灰以这一方式利用，实际上是一种资源的浪费。因为粉煤灰中蕴藏的巨大潜能在使用过程中已遭到破坏。相反地，一些含碳量较高、活性较低的粗颗粒，只要其化学组成是合适的，以这一种方式利用往往是恰当的。以这一种方式利用低品位粉煤灰，它的含碳量高的缺点被掩盖，甚至成为一种有用的组分而参与燃烧，提供热量。它的低活性在煅烧过程中得到提高，它颗粒较粗的缺点也在粉磨过程中得到改善。

粉煤灰作为水泥混合材来使用。同样，在粉磨过程中粉煤灰颗粒的外观形貌、表面性质、颗粒级配等物理性质都发生了变化。但由于不参与煅烧，粉煤灰的活性基本上不发生变化，仅仅在粉磨过程中由于表面能的提高而略有提高。粉煤灰颗粒的强度、与水化产物的亲合性没有发生变化。因此，粉煤灰作为水泥混合材时,它的形态效应是没有用的，而它的活性效应和微集料效应在使用过程中得到了充分的体现。同时，由于粉磨作用，粉煤灰的活性效应和微集料效应在一定程度上得到增强。由此看来，选择作为水泥混合材的粉煤灰，最重要的是它的活性效应和微集料效应,形态效应则是次要的。由于在这种场合下,粉煤灰的形态效应得不到利用，一些具有很好形态效应的粉煤灰用作为水泥混合材，它的这一潜能是浪费掉的,这也是资源的一种浪费。

粉煤灰作为混凝土的掺合料来使用。以这种方式使用粉煤灰，在使用前粉煤灰没有经过任何的处理，因此，它的形态效应、活性效应和微集料效应既没有遭到破坏，也没有得到改善，而是得到充分的体现。对于一些品位较高的粉煤灰，以这种方式利用，其优越性能则能得到充分的体现。反之，对于一些品位较低的粉煤灰，这种利用方式也充分暴露了它们的缺点。

由此看来，不同的利用方式可以利用粉煤灰的不同潜能。因此，对于粉煤灰资源不仅要提出综合利用，而且要提出科学地利用。只有科学地利用，才能使粉煤灰的潜能得到充分的发挥，真正做到物尽其用。这是一个很值得研究且有很大潜力的领域，应该引起科学工作者和工程师们的重视。

[1]唐明述.水泥混凝土与可持续发展[R].北京:中国硅酸盐学会第五届学术年会,2003,9,19.

[2]沈旦申.粉煤灰混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1989.

[3]王爱勤.粉煤灰三大效应的研究及其在三峡工程中大应用[D].南京:博士学位论文,东南大学,1999,11.