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粉煤灰致使混凝土发泡的质量问题分析及预防（一）
发布时间：
2023-01-04 16:15
粉煤灰致使混凝土发泡的质量问题分析及预防（一）
摘要：混凝土在硬化过程中出现明显的体积膨胀，硬化后强度降低。经检测和分析原因为粉煤灰中含有有害杂质，在碱性环境下释放出大量气体，检测到碱性气体为氨气。根据该有害杂质的化学特性，编制标准的检测方法推荐给使用单位作为粉煤灰进场质量控制措施。
关键词：粉煤灰；混凝土；发泡；铝；硫酸铵.
1、沈阳混凝土前言
2010年夏，天津地区某工地，浇筑后的混凝土大量冒出气泡，冒泡的量大，持续时间长。硬化后，混凝土表面形成空鼓，整体体积增大甚至开裂，搅拌站留置的试块也发生了体积膨胀现象，明显高出试模上沿。实测混凝土含气量10%，抗压强度降低30%。该异常现象引起了混凝土生产单位和施工单位的高度重视，初步推断混凝土原材料中的某些化学成分发生异常反应，持续生成气体所致。因此，展开了对所有原材料的排查。
2、沈阳混凝土试验分析
发现这种异常现象之后，立即从生产该批混凝土的搅拌楼筒仓中和料场上提取各种材料，在试验室内进行试拌，并制作试块，膨胀情况相同。于是锁定样品，进行相应的检测。首先排除砂石骨料。检测对象为水泥、粉煤灰、粒化高炉矿渣粉、外加剂。
2.1试验方案
采用胶砂试验的方法。试验为：水+水泥、水+水泥+粉煤灰、水+水泥+矿粉，结果发现，仅仅水+水泥+粉煤灰的胶砂发生了明显的膨胀，而水+水泥及水+水泥+矿粉的胶砂则未发生明显变化，外加剂对此试验无影响。 因此初步推断在各种组成材料中，粉煤灰有异常。参考资料介绍，相似的工程案例，粉煤灰中混有金属铝造成质量问题发生。根据化学反应特性，金属铝与强碱反应生成氢气，化学反应式如下：
2A1+2H20+20H-=2AlO2-+3H2↑
因此，将水泥、粉煤灰、矿粉样品分别投入（60～70）℃的水中，观察，并未发生释放气体的反应，重复试验后仍未发生。而将样品放入氢氧化钠溶液中则只有粉煤灰发生剧烈的反应，释放出气体，该气体具有强烈的刺鼻气味。说明杂质并不是铝或者不单纯是铝。该气体可使湿润的红色石蕊试纸变蓝，初步推断生成的气体为氨气，化学反应式如下：
NH4++OH-=NH3 ↑+H2O
2.2进一步分析
粉煤灰样品（编号F3）可直接闻到刺鼻的气味，疑为氨味（参考资料反映2009年春在上海曾发生类似事件，并检出氨），颜色为土黄色，粉煤灰样品（编号F4）无明显气味，颜色黑灰，见图4：
2.2.1X射线衍射（XRD）检测
对粉煤灰、磨细矿粉进行XRD试验，结果见图5、图6和图7：（样品说明：F1-F5为粉煤灰，K1为磨细矿渣粉）
由XRD的分析结果可知：所检的材料中均未检出单质铝，有质量问题的粉煤灰中检出硫酸铵和硫代硫酸铵。
2.2.2氨含量检测
将有质量问题的两个粉煤灰样品送检国家无机盐产品质量监督检验中心，对该粉煤灰与碱反应生成的气体进行成分判定并测定含量。结果为：粉煤灰样品中加入氢氧化钠后释放出的碱性气体为氨气，氨的含量分别为：0.034%和0.024%（检验方法：GB2946-1992）。氨的存在对建筑物的室内空气质量产生危害，在建设工程中是不允许的。
3、问题粉煤灰来源调查
3.1粉煤灰生成过程
粉煤灰来自于火力发电厂，作者走访了天津和河北的部分电厂，了解粉煤灰的生成过程及脱硫工艺。
大多电厂粉煤灰均是收尘所得，其中以电收尘居多。从燃煤炉出来的烟气首先经过电收尘，在不同的电场作用下， 收集到不同细度的粉煤灰进入不同的筒仓盛放。这个环节收尘的效率一般超过95%，而剩余的含有很少量粉煤灰的高温烟气在引风机的作用下进入烟囱，在进入烟囱之前实施对烟气的脱硫和脱硝作业。上述过程就是典型的粉煤灰生成过程和脱硫工艺。可见，粉煤灰的生成与脱硫工艺是先后关系，不可能产生混淆。
3.2烟气脱硫工艺调查
我国目前的经济条件和技术条件还不允许象发达国家那样投入大量的人力和财力，并且在对二氧化硫的治理方面起步很晚，国内一些电厂的烟气脱硫装置大部分是从欧洲、美国、日本引进的技术，由于近几年国家环保要求的严格，脱硫工程是所有新建电厂必须建设的。因此我国开始逐步以国外的技术为基础研制适合自己国家的脱硫技术。石灰石—石膏法脱硫工艺是世界上应用最广泛的一种脱硫技术，自从2002年在300MW机组国产化示范以来，在我国已经进入推广阶段。氨法烟气脱硫技术是近几年在国内开始采用的，适用范围广，不受燃煤含硫量、锅炉容量的限制。由于吸收剂氨比石灰石或石灰活性大，因而氨法脱硫装置对煤质变化、锅炉负荷变化的适应性强。这在我国能源供应紧张、来什么煤烧什么煤的情况下，更显现出它的优势。氨法烟气脱硫工艺是以氨(废氨水、液氨、碳铵或氨水等)为原料，回收烟气中的SO2，生产高价值的化肥，脱硫原料成本完全可以从回收产品中得到抵扣，还会产生一定的经济效益。投资低，运行成本低，不产生二次污染，无废水，无废渣。此法符合循环经济规律，可实现脱硫过程的零消耗。氨法脱硫的特点之一是煤中含硫越高，硫酸铵的产量就越大；同时，煤也越便宜，业主所得到的利润就越大。氨法脱硫的工艺在黑龙江、辽宁、天津、山东、江苏、四川、上海都有应用。
3.3粉煤灰的供应现状
随着建设工程项目的增多以及粉煤灰应用技术的成熟，市场对粉煤灰的需求量骤增，导致对粉煤灰的需求加大，出现了明显的供不应求的状况，加之燃煤电厂并不把粉煤灰作为重要的产品售出，只是作为一种废弃物进行处理，只要满足环保的要求即可，所以粉煤灰的质量水平很难得到保证。而粉煤灰的供应商（运输单位）为了满足供给需求和获得更大的经济利益，到处购买，导致料源不固定，甚至出现混装拼凑的情况。而对粉煤灰的二次加工更增加了引入不明杂质的可能性，使得粉煤灰的品质变化进一步加大。
4、综合分析
结合试验检验分析以及对粉煤灰来源的调查情况，分析推测：
1）导致混凝土发泡膨胀的主要原因是粉煤灰中含有有害杂质，在混凝土加水搅拌和水化过程的强碱性环境下，发生释放大量气体的反应引起的。
2）粉煤灰中含有大量的氨，主要来源猜测为：①非常规的氨法脱硫残余②脱硫产物人为混入粉煤灰的运输环节。
3）在本次质量问题调查中，未在有问题的粉煤灰中检出单质铝的存在，但据专家推断：在碱性环境下，发生剧烈的释放气体的反应很可能是单质铝所致，而受XRD检测方法限制（结晶态不良或含量低），未能在衍射图谱中真实反映也是可能的。铝的存在有客观可能的条件，即：电厂为做到零排放，将一部分粉煤灰生产加气混凝土砌块，铝粉是发泡剂，生产中必不可少。
5、预防措施
根据有害杂质（铝及铵盐）的化学共性：在碱性溶液环境下，发生释放气体的反应。因此，模拟新拌混凝土的强碱性环境，主要的检验试剂选用氢氧化钠溶液。为加快反应进程，缩短试验检测的时间，选择试验的化学反应温度60-70℃。编制详细的检验方法作为企业标准，供同行们参考使用。
6、沈阳混凝土--结论
造成混凝土"冒泡"进而引起体积膨胀的原因是粉煤灰中含有硫酸铵和硫代硫酸铵及氨气，并有单质铝存在的可能。不论是哪种有害杂质，均在碱性环境条件下发生剧烈的释放气体的反应而对混凝土形成危害，根据该特性而编制的检验方法对上述有害杂质都是有效的，并且检验方法操作简便，时间短，费用低。
7、沈阳混凝土--呼吁
多次的在全国的不同地方（浙江、上海、天津）发生类似的粉煤灰质量问题，说明不是偶然事件，应该引起混凝土生产企业、粉煤灰供应商和火电厂的重视，积极查找产生问题的根源，并予以消除，不论是工艺的缺陷还是管理漏洞。本身粉煤灰的利用就是节能减排的良好举措，切不可让技术人员已熟练应用多年的工业废弃物-粉煤灰成为混凝土的阴毒杀手，给建设工程带来灾难性的损失。
