粉煤灰

粉煤灰是一种煤燃烧产物，由被驱动的微粒（燃烧燃料的细颗粒）组成与烟气一起排出燃煤锅炉。落到锅炉燃烧室（通常称为火箱）底部的灰称为底灰。在现代燃煤电厂中，飞灰通常由静电除尘器捕获在烟气到达烟囱之前或其他颗粒过滤设备。连同从锅炉底部排出的底灰，称为煤灰。

根据燃烧煤的来源和成分，飞灰的成分差异很大，但所有飞灰都包含大量的二氧化硅(SiO2)（非晶态和结晶态）、氧化铝(Al2O3)和氧化钙（CaO）是含煤岩层中的主要矿物化合物。

飞灰的微量成分取决于具体的煤层成分，但可能包括以下一种或多种微量浓度（高达数百ppm）的元素或化合物：镓、砷、铍、硼、镉、铬、六价铬、钴、铅、锰、汞、钼、硒、锶、铊、钒，以及极少量的二恶英和多环芳烃化合物。它还含有未燃烧的碳。

过去，飞灰通常被排放到大气中，但现在空气污染控制标准要求在排放前通过安装污染控制设备将其捕获。在美国，飞灰通常储存在燃煤电厂或填埋场。大约43%被回收，通常用作火山灰来生产水硬性水泥或水硬性灰泥，并在混凝土生产中替代或部分替代波特兰水泥。火山灰确保混凝土和灰泥的凝固，并为混凝土提供更多的保护，使其免受潮湿条件和化学侵蚀。

在飞灰（或底灰）不是由煤产生的情况下，例如当固体废物在废物发电设施中焚烧以发电时，飞灰可能含有比煤灰更高水平的污染物。在这种情况下，产生的灰烬通常被归类为危险废物。

飞灰材料在悬浮在废气中时凝固，并由静电除尘器或过滤袋收集。由于颗粒悬浮在废气中时会迅速凝固，因此飞灰颗粒通常呈球形，尺寸范围为0.5µm至300µm。快速冷却的主要后果是很少有矿物有时间结晶，主要是无定形的淬火玻璃残留。然而，煤粉中的一些耐火相没有（完全）熔化，而是保持结晶。因此，粉煤灰是一种异质材料。

SiO2、Al2O3、Fe2O3和偶尔的CaO是飞灰中存在的主要化学成分。飞灰的矿物学非常多样化。遇到的主要相是玻璃相，以及石英、莫来石和氧化铁赤铁矿、磁铁矿和/或磁赤铁矿。其他经常识别的相是方石英、硬石膏、游离石灰、方镁石、方解石、钾盐、石盐、硅酸盐、金红石和锐钛矿。含钙矿物钙长石、钙长石、akermanite和各种硅酸钙和铝酸钙与波特兰水泥中发现的相同，可以在富含钙的飞灰中鉴定。汞含量可以达到1ppm，但通常包括在烟煤的0.01–1ppm范围内。其他微量元素的浓度也因燃烧形成它的煤的种类而异。

并非所有飞灰都符合ASTMC618要求，尽管根据应用情况，这可能不是必需的。用作水泥替代品的粉煤灰必须符合严格的施工标准，但美国尚未制定标准的环境法规。75%的飞灰必须具有45µm或更小的细度，并且具有通过烧失量(LOI)测量的碳含量小于4%。在美国，LOI必须低于6%。由于磨煤机性能和锅炉性能的变化，原粉煤灰的粒度分布趋于不断波动。因此，如果在混凝土生产中以最佳方式使用粉煤灰替代水泥，则必须使用选矿对其进行处理机械空气分级等方法。但如果在混凝土生产中使用粉煤灰作为填料替代沙子，也可以使用具有较高LOI的未选粉粉煤灰。尤其重要的是持续的质量验证。这主要通过印度标准局标志或迪拜市的DCL标志等质量控制印章来表示。

燃烧较硬、较旧的xxx煤和烟煤通常会产生F级飞灰。这种飞灰本质上是火山灰，并且含有少于7%的石灰(CaO)。F类粉煤灰的玻璃状二氧化硅和氧化铝具有火山灰性质，需要一种胶结剂，例如波特兰水泥、生石灰或熟石灰，与水混合以反应并产生胶结化合物。或者，将化学活化剂如硅酸钠（水玻璃）添加到F类灰中可以形成地质聚合物。

燃烧较年轻的褐煤或次烟煤产生的粉煤灰除了具有火山灰性质外，还具有一些自胶结性质。在有水的情况下，C类飞灰会随着时间的推移变硬并变强。C类飞灰通常含有超过20%的石灰(CaO)。与F级不同，自粘C级飞灰不需要活化剂。碱和硫酸盐（SO4)C类飞灰中的含量一般较高。

至少有一家美国制造商宣布了一种含有高达50%C级飞灰的飞灰砖。测试表明砖达到或超过了ASTMC216中列出的常规粘土砖的性能标准。它也在ASTMC55，混凝土建筑砖标准规范中混凝土砖的允许收缩范围内。据估计，粉煤灰砖的生产方法将减少砌体建筑的能源消耗高达90%。砖块和摊铺机预计将在2009年底之前以商业数量供应。

过去，燃煤产生的飞灰只是简单地夹带在烟气中并散布到大气中。这引起了环境和健康问题，促使高度工业化国家制定了法律[在哪里？]已将飞灰排放量减少到产生的灰烬的1%以下。在全球范围内，超过65%的燃煤发电站产生的飞灰被丢弃在垃圾填埋场和灰池中。

在室外储存或沉积的灰烬最终会将有毒化合物浸入地下水含水层。出于这个原因，目前围绕飞灰处理的大部分争论都围绕着创建专门填埋的垃圾填埋场，以防止化学化合物渗入地下水和当地生态系统。

由于几十年来煤炭一直是美国的主要能源，因此电力公司通常将其燃煤电厂设在大都市区附近。使环境问题更加复杂的是，燃煤电厂需要大量的水来运行锅炉，导致燃煤电厂（以及后来的飞灰储存盆地）位于大都市附近以及附近经常用作饮用水的河流和湖泊附近城市。许多飞灰盆地没有衬里，而且很容易从附近的河流和湖泊中溢出和泛滥。例如，北卡罗来纳州的杜克能源公司已经卷入了几起与其煤灰储存有关的重大诉讼，并因灰烬泄漏到水盆中而发生泄漏。

近年来，由于垃圾填埋成本的增加和当前对可持续发展的兴趣，粉煤灰的回收利用已成为越来越受关注的问题。截至2017年，美国的燃煤电厂报告生产了3820万短吨（34.7×106t）的飞灰，其中2410万短吨（21.9×106t）被重新用于各种应用。回收飞灰的环境效益包括减少对需要采石的原始材料的需求以及波特兰水泥等材料的廉价替代品。

由于其火山灰性质，粉煤灰被用作混凝土中波特兰水泥的替代品。飞灰作为火山灰成分的使用早在1914年就得到认可，尽管最早值得注意的对其使用的研究是在1937年。罗马的渡槽或万神殿等罗马建筑使用火山灰或火山灰（具有与粉煤灰相似的特性）在其混凝土中作为火山灰。由于火山灰极大地提高了混凝土的强度和耐久性，灰烬的使用是其保存的关键因素。

使用粉煤灰作为波特兰水泥的部分替代品特别适合但不限于C类粉煤灰。“F”级飞灰会对混凝土的夹带空气含量产生挥发性影响，导致抗冻/融破坏能力降低。粉煤灰通常可以替代高达30%质量的波特兰水泥，但在某些应用中可以以更高的剂量使用。在某些情况下，粉煤灰可以增加混凝土的最终强度并提高其耐化学性和耐久性。

粉煤灰能显着改善混凝土的和易性。最近，已开发出用大量粉煤灰（50%的水泥替代）替代部分水泥的技术。对于碾压混凝土(RCC)，在印度马哈拉施特拉邦的Ghatghar大坝项目中，加工粉煤灰的替代价值已达到70%。由于粉煤灰颗粒呈球形，它可以增加水泥的可加工性，同时减少需水量。粉煤灰的支持者声称，用粉煤灰代替波特兰水泥可以减少混凝土的温室气体“足迹”，因为生产一吨波特兰水泥会产生大约一吨CO2，​​而不是CO2。用飞灰生成。新的飞灰生产，即煤的燃烧，每吨飞灰产生大约20至30吨CO2。由于到2010年全球波特兰水泥的产量预计将达到近20亿吨，只要将飞灰的产量作为比较一个给定的。

粉煤灰的特性在工程材料中是不寻常的。与通常用于路堤建设的土壤不同，粉煤灰具有较大的均匀系数，并且由粘土大小的颗粒组成。影响路堤中使用飞灰的工程特性包括粒度分布、压实特性、剪切强度、可压缩性、渗透性和霜冻敏感性。几乎所有用于路堤的飞灰类型都是F类。

土壤稳定化是对土壤进行xxx性的物理和化学改变，以增强其物理特性。稳定可以增加土壤的剪切强度和/或控制土壤的收缩膨胀特性，从而提高路基的承载能力以支撑路面和地基。稳定剂可用于处理从膨胀粘土到粒状材料的各种路基材料。可以使用各种化学添加剂（包括石灰、粉煤灰和波特兰水泥）来实现稳定。适当的设计和测试是任何稳定项目的重要组成部分。这允许建立设计标准，并确定实现所需工程特性的适当化学添加剂和掺合率。稳定过程的好处包括：更高的阻力(R)值、降低可塑性、降低渗透性、降低路面厚度、消除开挖–材料运输/处理–和基础输入、辅助压实、提供进入和进入项目现场的“全天候”通道。与土壤稳定密切相关的另一种土壤处理形式是土壤改良，有时称为“泥浆干燥”或土壤调理。尽管在土壤改良中固有地会发生一些稳定，但区别在于土壤改良只是降低土壤水分以加快施工的一种手段，而稳定可以显着增加材料的剪切强度，从而可以将其结合到土壤中。项目的结构设计。与土壤改良与土壤稳定相关的决定因素可能是现有的水分含量、土壤结构的最终用途以及最终提供的成本效益。用于稳定和改性过程的设备包括：化学添加剂撒布机、土壤搅拌机（取料机）、便携式气动储存容器、运水车、深提升压实机、平地机。

粉煤灰还用作生产可流动填充物（也称为受控低强度材料，或CLSM）的成分，用作自流平、自密实回填材料，以代替压实土或颗粒填充物。可流动填充混合物的强度范围为50至1,200lbf/in²（0.3至8.3MPa)，具体取决于相关项目的设计要求。可流动填充物包括波特兰水泥和填充材料的混合物，并且可以包含矿物掺合料。粉煤灰可以替代波特兰水泥或细骨料（在大多数情况下为河沙）作为填充材料。高飞灰含量的混合物几乎包含所有飞灰，以及少量的波特兰水泥和足够的水以使混合物具有流动性。低飞灰含量混合物包含高百分比的填充材料和低百分比的飞灰、波特兰水泥和水。F类飞灰最适合用于高飞灰含量的混合物，而C类飞灰几乎总是用于低飞灰含量的混合物。

沥青混凝土是一种由沥青结合料和矿物骨料组成的复合材料，通常用于铺设路面。F类和C类飞灰通常都可以用作矿物填料来填充空隙并在沥青混凝土混合物中的较大骨料颗粒之间提供接触点。此应用程序与其他粘合剂（例如波特兰水泥或熟石灰）一起使用或替代其他粘合剂。对于用于沥青路面，飞灰必须符合ASTMD242中概述的矿物填料规格。飞灰的疏水性使路面具有更好的抗剥离性。粉煤灰还被证明可以增加沥青基体的刚度，提高抗车辙性能并增加混合料的耐久性。