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摘要：本文采用化学激活的方法来研究提高粉煤灰的活性。通过设计实验方案：以粉煤灰、水泥、激发剂为粉煤灰砌块的原料，从配合比入手，通过设计多组配方，进行正交实验，研究得出理想的高强度粉煤灰砌块的实验配方。
关键词：粉煤灰；高强度；砌块；化学激活
粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。用于生产建材产品，从节省自然资源、节约能源、节省土地、减少废物对环境的危害，以及推动新型建筑材料的发展等诸方面均有显著的效益和重要的意义。
我国粉煤灰综合利用率由1994年的35%提高到2011年的68%。“十一五”期间，粉煤灰综合利用率保持在67%左右，超过了美国等发达国家。但近年来我国火力发电发展较快，粉煤灰产量逐年增加，粉煤灰综合利用在我国区域发展不平衡的问题较为突出。所以我国鼓励在具备条件的建筑筑路登工程中使用符合国家或行业质量标准的粉煤灰及其制品。因此，我们可以利用粉煤灰的性能有效地替代部分水泥，提高建筑的强度。
但是因粉煤灰活性较低，导致其建材制品强度不足。究其原因是因为粉煤灰的活性没有很好的激发出来。因此，研究提高粉煤灰活性的措施是解决粉煤灰利用率的主要问题。
一、粉煤灰的活性
粉煤灰的活性一般包括物理活性和化学活性。
粉煤灰的物理活性产生的效应包括减水效应和微集料效应。减水效应也称颗粒形态效应，主要是指粉煤灰中球形玻璃体起滚珠轴承作用，从而使掺粉煤灰体系的流动性提高，起减水作用；微集料效应是指粉煤灰颗粒充当微小集料，均匀分布在体系之中，填充孔隙和毛细孔，改善体系的孔结构和增大密实度。
粉煤灰的化学活性指粉煤灰的火山灰性质，它来源于煤粉在高温燃烧后收缩成球状液珠后迅速冷却而形成的玻璃体中可溶性SiO2 与Al2O3。。它们在有水的条件下，可与氢氧化钙在常温下反应生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙。与火山灰质材料一样，当与石灰、水泥熟料等碱性物质混合并加水搅拌成胶泥状态后，便可凝结、硬化，并具有一定的强度。粉煤灰的化学活性取决于化学成分、物理性能及结构特征。高温熔融并骤冷的粉煤灰含有大量表面光滑的玻璃珠，这些玻璃珠还有较高的化学性能，是粉煤灰具有活性的主要矿物相。玻璃珠的活性成分SiO2和Al2O3量越多，活性越高。由于粉煤灰中的玻璃体是保持在高温液态结构排列方式的介稳结构，在常温常压下很稳定，表现出较高的化学稳定性。因此在自然环境下一般要养护一个月或更长时间激发，化学活性才能激发出来。
二、不同激活方法的比较
粉煤灰活性激发的方法有物理激发、化学激发和物理化学激发。
（1）物理激发：粉煤灰的粉磨，分选和养护温度的控制。物理激发的原理利用了粉煤灰的形态效应和微集料效应，虽然能提高粉煤灰的早期强度，但其活化程度有限。如机械粉磨激发粉煤灰活性虽然工艺简单、成本较低，但是由于机械粉磨的激发效果随粉煤灰粒径的减小而呈指数下降，而且细磨粉煤灰对体系的而对玻璃体表面破坏带来的活性效应还在其次，因此机械粉磨较适用于粗灰，对细灰的作用不是很明显，难以较大幅度地提高粉煤灰的活性。
（2）化学激发：各类碱、硫酸盐或多种复合剂激发。只要直接在水泥—粉煤灰体系中，加入少量的化学激发剂就可达到激发活性的目的。
（3）物理化学激发：表面改性，水热预处理，压蒸法等。该法活化程度高，而且不受粉煤灰掺入量的限制，但该种方法需要额外的热力设备，工艺过程复杂，限制了其在实际中的应用。
三、粉煤灰的化学激活方法原理
多数粉煤灰中虽然含有大量的铝硅酸盐玻璃体，但是其中[SiO4]4-聚合度很高，结构致密，化学性质稳定，其火山活性是潛在的，活性发挥的速度缓慢，粉煤灰主要成分是酸性氧化物，呈弱酸性，因而在碱性环境中其活性最容易激活，同时Na+和K+等阳离子对提高玻璃体的反应也有一定作用，它们是硅酸盐玻璃网络的改变及，促使网络解聚。因此，根据粉煤灰活性激活的原理，大致有以下四类的的激活措施：碱激活剂，是改变酸碱性，提高OH-的浓度，常用的有生石灰、熟石灰、KOH、NaOH等。水泥激活，水泥粉煤灰拌水后，首先是水泥熟料矿物水化，熟料矿物水化形成的Ca（OH）2与活性成分反应，生成水化硅酸钙，水化硅酸钙与Ca（OH）2进一步反应形成AFt或AFm，盐激活、硫酸盐、碳酸盐和氯酸盐均能有效提高粉煤灰体系的活性，进而提高粉煤灰结合料的强度有明显作用，符合激活，一般来说，符合激活的效果优于单独激活，如碳酸盐与石灰复合激活，矿物复合激活，水泥和石灰符合激活等。
常用的化学激发方法有碱激发、硫酸盐激发、氯盐激发和复合激发。Ca2+是形成胶凝性水化物的必要条件，而由于粉煤灰与水泥相比，粉煤灰中CaO量非常低，所以在所有的激发方法中必须提供充足的Ca2+。本文采用 石膏、熟石灰、纯碱、石灰+石膏的化学激活法。
（一）实验材料
根据我国GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》该粉煤灰为C类粉煤灰，由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰。其特征是CaO含量较高，SiO2含量较低。C类粉煤灰的特点为：细度大、密度高、需水量小强度贡献大。
根据JC/T 409-2001《硅酸盐建筑制品用粉煤灰》适用于加气混凝土，硅酸盐建筑制品用粉煤灰、按细度、烧失量、二氧化硅和三氧化硫含量为Ⅱ级粉煤灰。
（二）实验方案
该实验采用正交设计法，其实验方法如下：将烘干的水泥、粉煤灰、激发剂按量称取、混合、加水、搅拌均匀，制备成40×40×160（单位：㎜）试件，自然条件下养护28天，进行试件的抗压强度、抗折强度等性能测定，实验结果如下： 1.硫酸盐激发
三、碳酸盐激发
（三）数据分析：
由表3-3可见，当水泥量一定时，用石膏取代定量的粉煤灰后随着石膏含量的增加实验试件的28天的抗折强度和抗压强度均有提高。
由表3-4可见，当用纯碱取代定量粉煤灰并提高纯碱的掺量后，实验试件28天抗折强度和抗压强度均有所降低。
由表3-5可见，当用熟石灰取代定量粉煤灰时实验试件28天后强度明显降低。将此实验数据作为基准实验进行分析。
由表3-6可见，当采用1：1的石膏和石灰组成的复合激发剂作为粉煤灰的活性激发剂时，和其他实验结果对比试件抗折和抗压强度明显不足。
相比之下，摻加石膏和熟石灰均能显著提高砌块的强度。而用复合激发剂（熟石灰、石膏）作为激发剂时与基准实验对比强度明显不足。
成本分析
经过调查，熟石灰价格200～300元/吨、石膏400～500元/吨、纯碱2000元/吨。通过分析我们认为纯碱成本太高且在相同的条件下强度不理想，应予以摒弃。由于熟石灰与石膏均能提高粉煤灰砌块的强度，但在强度基本相同的情况下，配方中石膏掺入量3%和石灰掺入量1%对粉煤灰强度的影响基本相同，但成本却不同。考虑企业的生产效益和生产工艺，在分析综合成本的基础上，建议使用熟石灰作为粉煤灰活性激发剂不但显著提高砌块的强度，而且成本低廉，经济效益较好。
结论
化学激发后的粉煤灰其活性将有所提高，用作粉煤灰砌块中不仅提高了粉煤灰的利用率也降低了水泥的使用量。通过对实验结果的对比分析同时结合配方成本，对于粉煤灰（C类）添加熟石灰能显著提高砌块的强度，是化学激活方法提高粉煤灰活性的理想方案。
参考文献：
[1]丁益 任启芳 粉煤灰活化处理技术与应用进展 安徽建筑工业学院学报：2009.6
[2]徐雪峰 陈葆 刘梦溪 提高粉煤灰活性方法研究 江苏煤炭研究所2004.1
[3]张令茂 方咸君 秦建中.西安冶金建材学院学报，1983
[4]韦巧燕，李坚斌，刘曼萍，邓立高.参加本科大学生创新性实验心得与体会.广西大学学报，2009
[5]康永，粉煤灰的应用现状. 陕西金泰氯碱化工有限公司技术中心. 中国粉体工业报，2010
[6]建筑工程材料/王福川编.-西安：陕西科学技术出版社，2002
关键词：粉煤灰；高强度；砌块；化学激活
粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国火电厂粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等。用于生产建材产品，从节省自然资源、节约能源、节省土地、减少废物对环境的危害，以及推动新型建筑材料的发展等诸方面均有显著的效益和重要的意义。
我国粉煤灰综合利用率由1994年的35%提高到2011年的68%。“十一五”期间，粉煤灰综合利用率保持在67%左右，超过了美国等发达国家。但近年来我国火力发电发展较快，粉煤灰产量逐年增加，粉煤灰综合利用在我国区域发展不平衡的问题较为突出。所以我国鼓励在具备条件的建筑筑路登工程中使用符合国家或行业质量标准的粉煤灰及其制品。因此，我们可以利用粉煤灰的性能有效地替代部分水泥，提高建筑的强度。
但是因粉煤灰活性较低，导致其建材制品强度不足。究其原因是因为粉煤灰的活性没有很好的激发出来。因此，研究提高粉煤灰活性的措施是解决粉煤灰利用率的主要问题。
一、粉煤灰的活性
粉煤灰的活性一般包括物理活性和化学活性。
粉煤灰的物理活性产生的效应包括减水效应和微集料效应。减水效应也称颗粒形态效应，主要是指粉煤灰中球形玻璃体起滚珠轴承作用，从而使掺粉煤灰体系的流动性提高，起减水作用；微集料效应是指粉煤灰颗粒充当微小集料，均匀分布在体系之中，填充孔隙和毛细孔，改善体系的孔结构和增大密实度。
粉煤灰的化学活性指粉煤灰的火山灰性质，它来源于煤粉在高温燃烧后收缩成球状液珠后迅速冷却而形成的玻璃体中可溶性SiO2 与Al2O3。。它们在有水的条件下，可与氢氧化钙在常温下反应生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙。与火山灰质材料一样，当与石灰、水泥熟料等碱性物质混合并加水搅拌成胶泥状态后，便可凝结、硬化，并具有一定的强度。粉煤灰的化学活性取决于化学成分、物理性能及结构特征。高温熔融并骤冷的粉煤灰含有大量表面光滑的玻璃珠，这些玻璃珠还有较高的化学性能，是粉煤灰具有活性的主要矿物相。玻璃珠的活性成分SiO2和Al2O3量越多，活性越高。由于粉煤灰中的玻璃体是保持在高温液态结构排列方式的介稳结构，在常温常压下很稳定，表现出较高的化学稳定性。因此在自然环境下一般要养护一个月或更长时间激发，化学活性才能激发出来。
二、不同激活方法的比较
粉煤灰活性激发的方法有物理激发、化学激发和物理化学激发。
（1）物理激发：粉煤灰的粉磨，分选和养护温度的控制。物理激发的原理利用了粉煤灰的形态效应和微集料效应，虽然能提高粉煤灰的早期强度，但其活化程度有限。如机械粉磨激发粉煤灰活性虽然工艺简单、成本较低，但是由于机械粉磨的激发效果随粉煤灰粒径的减小而呈指数下降，而且细磨粉煤灰对体系的而对玻璃体表面破坏带来的活性效应还在其次，因此机械粉磨较适用于粗灰，对细灰的作用不是很明显，难以较大幅度地提高粉煤灰的活性。
（2）化学激发：各类碱、硫酸盐或多种复合剂激发。只要直接在水泥—粉煤灰体系中，加入少量的化学激发剂就可达到激发活性的目的。
（3）物理化学激发：表面改性，水热预处理，压蒸法等。该法活化程度高，而且不受粉煤灰掺入量的限制，但该种方法需要额外的热力设备，工艺过程复杂，限制了其在实际中的应用。
三、粉煤灰的化学激活方法原理
多数粉煤灰中虽然含有大量的铝硅酸盐玻璃体，但是其中[SiO4]4-聚合度很高，结构致密，化学性质稳定，其火山活性是潛在的，活性发挥的速度缓慢，粉煤灰主要成分是酸性氧化物，呈弱酸性，因而在碱性环境中其活性最容易激活，同时Na+和K+等阳离子对提高玻璃体的反应也有一定作用，它们是硅酸盐玻璃网络的改变及，促使网络解聚。因此，根据粉煤灰活性激活的原理，大致有以下四类的的激活措施：碱激活剂，是改变酸碱性，提高OH-的浓度，常用的有生石灰、熟石灰、KOH、NaOH等。水泥激活，水泥粉煤灰拌水后，首先是水泥熟料矿物水化，熟料矿物水化形成的Ca（OH）2与活性成分反应，生成水化硅酸钙，水化硅酸钙与Ca（OH）2进一步反应形成AFt或AFm，盐激活、硫酸盐、碳酸盐和氯酸盐均能有效提高粉煤灰体系的活性，进而提高粉煤灰结合料的强度有明显作用，符合激活，一般来说，符合激活的效果优于单独激活，如碳酸盐与石灰复合激活，矿物复合激活，水泥和石灰符合激活等。
常用的化学激发方法有碱激发、硫酸盐激发、氯盐激发和复合激发。Ca2+是形成胶凝性水化物的必要条件，而由于粉煤灰与水泥相比，粉煤灰中CaO量非常低，所以在所有的激发方法中必须提供充足的Ca2+。本文采用 石膏、熟石灰、纯碱、石灰+石膏的化学激活法。
（一）实验材料
根据我国GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》该粉煤灰为C类粉煤灰，由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰。其特征是CaO含量较高，SiO2含量较低。C类粉煤灰的特点为：细度大、密度高、需水量小强度贡献大。
根据JC/T 409-2001《硅酸盐建筑制品用粉煤灰》适用于加气混凝土，硅酸盐建筑制品用粉煤灰、按细度、烧失量、二氧化硅和三氧化硫含量为Ⅱ级粉煤灰。
（二）实验方案
该实验采用正交设计法，其实验方法如下：将烘干的水泥、粉煤灰、激发剂按量称取、混合、加水、搅拌均匀，制备成40×40×160（单位：㎜）试件，自然条件下养护28天，进行试件的抗压强度、抗折强度等性能测定，实验结果如下： 1.硫酸盐激发
三、碳酸盐激发
（三）数据分析：
由表3-3可见，当水泥量一定时，用石膏取代定量的粉煤灰后随着石膏含量的增加实验试件的28天的抗折强度和抗压强度均有提高。
由表3-4可见，当用纯碱取代定量粉煤灰并提高纯碱的掺量后，实验试件28天抗折强度和抗压强度均有所降低。
由表3-5可见，当用熟石灰取代定量粉煤灰时实验试件28天后强度明显降低。将此实验数据作为基准实验进行分析。
由表3-6可见，当采用1：1的石膏和石灰组成的复合激发剂作为粉煤灰的活性激发剂时，和其他实验结果对比试件抗折和抗压强度明显不足。
相比之下，摻加石膏和熟石灰均能显著提高砌块的强度。而用复合激发剂（熟石灰、石膏）作为激发剂时与基准实验对比强度明显不足。
成本分析
经过调查，熟石灰价格200～300元/吨、石膏400～500元/吨、纯碱2000元/吨。通过分析我们认为纯碱成本太高且在相同的条件下强度不理想，应予以摒弃。由于熟石灰与石膏均能提高粉煤灰砌块的强度，但在强度基本相同的情况下，配方中石膏掺入量3%和石灰掺入量1%对粉煤灰强度的影响基本相同，但成本却不同。考虑企业的生产效益和生产工艺，在分析综合成本的基础上，建议使用熟石灰作为粉煤灰活性激发剂不但显著提高砌块的强度，而且成本低廉，经济效益较好。
结论
化学激发后的粉煤灰其活性将有所提高，用作粉煤灰砌块中不仅提高了粉煤灰的利用率也降低了水泥的使用量。通过对实验结果的对比分析同时结合配方成本，对于粉煤灰（C类）添加熟石灰能显著提高砌块的强度，是化学激活方法提高粉煤灰活性的理想方案。
参考文献：
[1]丁益 任启芳 粉煤灰活化处理技术与应用进展 安徽建筑工业学院学报：2009.6
[2]徐雪峰 陈葆 刘梦溪 提高粉煤灰活性方法研究 江苏煤炭研究所2004.1
[3]张令茂 方咸君 秦建中.西安冶金建材学院学报，1983
[4]韦巧燕，李坚斌，刘曼萍，邓立高.参加本科大学生创新性实验心得与体会.广西大学学报，2009
[5]康永，粉煤灰的应用现状. 陕西金泰氯碱化工有限公司技术中心. 中国粉体工业报，2010
[6]建筑工程材料/王福川编.-西安：陕西科学技术出版社，2002