摘 要

我国是以煤炭为主要能源的国家，大部分电力由煤炭产生， 与此同时会产生大量的燃煤灰渣。循环流化床燃烧技术是一种燃烧效率高、硫氧化物、氮氧化物排放量低、适应性好的燃烧技术，能够大大的减少污染物的排放。混凝土是当下使用范围最大的建筑材料，全球历年混凝土需求量高达115亿t。由于混凝土密度大、内部体积会随温度产生变化、抗拉强度低、抗渗性和耐久性不足等缺点，改善混凝土性能成为当下热点，而添加纤维是一种改善混凝土抗裂性能的重要手段，在混凝土中加入抗拉强度高、延展性好的纤维，能有效改善混凝土强度、抗裂性能。本文以CFB灰渣和轻质陶粒为主要原料，以聚丙烯纤维作增强材料进行轻质隔墙板的制备技术和应用技术研究，来探究纤维对CFB灰渣墙板的增强防裂作用。本实验表明纤维的加入能有效提高混凝土抗折强度，尤其是加入了19mm聚丙烯纤维的组别，其28d抗折强度都能提升10%以上。加入纤维并不一定能提高混凝土抗压强度，仅有加入了长度为19mm的聚丙烯纤维的组别，其抗压强度才有所提高，其他组别抗压强度略有降低或者没有明显变化。抗折抗压强度最好的一组就是19mm聚丙烯纤维掺量为0.5kg/m³的这一组。加入聚丙烯纤维能够有效的提高混凝土抗裂性能，本实验加入的12mm聚丙烯纤维的组别，其平均开裂面积比不加纤维组减少41.9%，效果十分明显。

关键词：CFB灰渣；陶粒；聚丙烯纤维；强度；防裂

Abstract

China is a country with coal as the main energy source, most of the electricity is generated by coal, and at the same time a large amount of coal ash residue will be produced. CFB combustion technology is a kind of combustion technology with high combustion efficiency, low emission of sulfur oxides and nitrogen oxides, and good adaptability, which can greatly reduce the emission of pollutants. Concrete is currently the most widely used building material, with global demand for concrete reaching 11.5 billion tons annually. Due to the density of concrete, internal volume can produce change with temperature, low tensile strength, permeability resistance and durability inadequate faults, improve the concrete performance become the hot spot, and add the fiber is a kind of important means to improve crack resistance of concrete, the concrete with high tensile strength and good ductility fiber, can effectively improve concrete strength and crack resistance. This experiment shows that the addition of fiber can effectively improve the flexural strength of concrete, especially the addition of 19mm polypropylene fiber group, its 28d flexural strength can be improved by more than 10%. The addition of fiber does not necessarily improve the compressive strength of concrete. Only the addition of polypropylene fiber with a length of 19mm can improve the compressive strength of concrete, while the compressive strength of other groups decreases slightly or has no obvious change. The group with the best flexural and compressive strength is the group with a content of 0.5kg/m3 of 19mm polypropylene fiber.The addition of polypropylene fiber can effectively improve the crack resistance of concrete. In this experiment, the average cracking area of the 12mm polypropylene fiber group was 41.9% less than that of the group without fiber, which had a significant effect.

Keywords:CFB ash; Ceramsite. Polypropylene fiber; Strength;anti- crack

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 3

1.1选题背景 3

1.2 循环流化床固硫灰渣 3

1.2.1 循环流化床固硫技术 3

1.2.2 CFB灰渣的基本性质 4

1.3 纤维混凝土 4

1.3.1 纤维的种类 4

1.3.2 纤维的作用 5

1.4 国内外研究现状 5

1.4.1 纤维混凝土国外研究现状 5

1.4.2 纤维混凝土国内研究现状 6

1.5 研究目的、主要内容和技术方案 6

1.5.1 研究目的 7

1.5.2 主要内容 7

1.5.3 实施方案 7

第2章 实验原材料和试验方法 8

2.1原材料 8

2.1.1水泥 9

2.1.2 CFB粉煤灰 9

2.1.3 CFB炉渣 10

2.1.4 陶粒 12

2.1.5 聚丙烯纤维 12

2.1.6 减水剂 13

2.2试验方法 13

2.2.1XRF分析固硫灰渣组成 13

2.2.2集料性能测试 14

2.2.3试件制作与养护 15

2.2.4砂浆抗折抗压强度测试 17

2.2.5混凝土试件的强度测试 18

2.2.6 混凝土早期抗裂性能测试 20

第3章 纤维对CFB灰渣墙板增强防裂作用研究 21

3.1搅拌方式对纤维分散性的影响 21

3.1.1原材料准备 21

3.1.2 砂浆制备 21

3.2 纤维混凝土力学性能试验 23

3,2.1配合比设计 23

3.2.2抗折抗压性能测试以及分析 23

3.3 不同类型砂浆对纤维的影响 27

3.3.1 砂浆配合比设计 27

3.3.2 强度测试与分析 27

3.4 混凝土早期抗裂实验 28

3.4.1 混凝土平板开裂配方设定 28

3.4.2 裂缝测量 29

3.5 纤维混凝土抗裂机理 31

3.5.1复合材料混合定律 31

3.5.2 纤维间距理论 31

第4章 结论与展望 32

参考文献 34

致谢 36

第1章 绪论

1.1选题背景

我国是以煤炭为主要能源的国家，煤炭在我国能源生产中的比重保持在70%左右，燃煤产生大量灰渣污染环境，燃煤灰渣资源化利用是解决燃煤环境污染的重要途径^[1]。普通燃煤技术会排放产生大量的含氮和硫的烟气，对环境污染非常大，其引起的酸雨问题会对生态系统、人体健康、建筑物等产生破坏，同时造成河流污染。

循环流化床燃烧技术是一种燃烧效率高、硫氧化物、氮氧化物排放量低、适应性好的燃烧技术。此技术能够大大的减少燃煤时有害气体的排放，所得到的灰渣能够被利用到混凝土的生产当中。混凝土是建材行业目前使用范围最大的建筑材料，由于混凝土内部体积会随温度产生变化、密度大、抗折强度低、耐久性和抗渗性不足等缺点，混凝土性能亟待改善，添加纤维是一种改善混凝土抗裂性能的重要手段^[2]。

纤维具有抗拉强度大、韧性高等混凝土所不具备的优点，将纤维加入到混凝土中可以抑制混凝土内部裂纹扩展进而起到增韧的效果。在混凝土中掺加纤维所产生的增强、阻裂效果主要取决于纤维本身的分散性好坏、抗拉强度、纤维与基体的粘接性以及纤维的长径比、掺量。每种纤维所具备的改善能力也不同，常用于混凝土中的纤维有钢纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维等^[3]。纤维不同的长径以及纤维的掺量比对纤维改善混凝土能力也有很大影响。

因此以节能减排为目的将灰渣运用到混凝土中，并研究纤维对墙板的增强防裂作用是具有可行性的。

1.2 循环流化床固硫灰渣

1.2.1 循环流化床固硫技术

燃煤中所使用的固硫技术基本上能分为燃烧前固硫、燃烧中固硫以及燃烧后固硫三类。燃烧前固硫技术因只能脱去无机硫且费用较高而不适用，燃烧后固硫效率太低且设备庞大而不适用^[4]。

循环流化床燃烧技术是一种燃烧效率高、硫氧化物、氮氧化物排放量低、适应性好的燃烧技术。循环流化床燃烧技术在燃烧过程中固硫是通过在锅炉燃煤的同时，向锅炉中喷射石灰石等固硫剂，固硫剂在高温中煅烧分解产生的CaO与煤燃烧放出的SO₂气体生成固态物质留在锅炉渣中，从而大大减少污染物排放。

1.2.2 CFB灰渣的基本性质

循环流化床燃烧技术的特别导致燃烧的剩余的废渣含量不同于普通锅炉产生的粉煤灰，固硫灰渣的化学组成取决于所燃烧的原煤和添加的固硫剂的化学成分。原煤中含有粘土矿物，经过燃烧后残渣主要有SiO₂、Al2O₃、Fe₃O₄、CaO、MgO等成分，固硫灰渣CaO、SO₃、f—CaO比粉煤灰要高，其中SO₃主要以硬石膏的形式存在^[5]。固硫灰渣中含有无定型碳，其原因在于循环流化床锅炉的燃烧温度在850-900℃之间，而普通煤粉炉中燃烧温度为1200-1400℃，因此其中未燃尽的碳含量比较高，导致固硫灰渣烧失量比粉煤灰大。由于燃烧温度不高，固硫灰渣在中温区生成，未燃物并未熔融，因此固硫灰渣在颗粒形貌上呈现不规则状，且表面属于疏松多孔结构，需水量很大，与圆球状粉煤灰形貌差别很大^[6]。在燃烧过程中，黏土矿物分解成活性氧化铝和氧化硅，这导致固硫灰渣火山灰活性很高，还具有一定的自发水硬性，而普通粉煤灰在高温下未燃物融化在表面形成致密的玻璃态物质阻隔了内部活性物质同外部反应，因此普通粉煤灰火山灰活性很低。将固硫灰渣应用到混凝土中有很大的发展前景^[7][8]。

图1.1固硫灰 图1.2固硫渣

1.3 纤维混凝土

1.3.1 纤维的种类

弹性模量高的纤维能够有效的改善水泥石和混凝土的韧性以及防裂性能。纤维的种类有很多，每种纤维所具备的改善能力也不同，常用于混凝土中的纤维有钢纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维以及碳纤维等。每种纤维有自己的优点也各自的缺点，选择纤维的种类要考虑分散性、经济性、可行性等方面因素，聚丙烯纤维价廉而且分散性好，并且聚丙烯纤维能够很大的增强混凝土的抗冲击性以及抗裂性能。

1.3.2 纤维的作用

纤维加入到水泥石中主要有以下三种作用:

1.提高基体的抗拉强度:水泥基体本身抗拉强度就低，而且混凝土中存在非常多的裂纹缺陷，这导致普通混凝土抗拉强度降低。在混凝土中加入纤维，纤维在混凝土中均匀分布改善了混凝土内部结构，减少了内部缺陷^[9]。在受到拉力时，纤维与混凝土一同受到力的作用，纤维的高韧性便提高了混凝土抗拉强度。

2.阻止裂纹扩展:材料结构破坏很多时候就是微裂纹扩展的结果。混凝土内部或者表面都存在很多裂纹，当裂纹进一步扩展的时候，裂纹尖端会被纤维阻挡并向四周分散引导，这缓解了应力集中所导致的裂纹扩展。

3.提高混凝土韧性及抗冲击性能:高强度纤维均匀分布，在各个方向互相交联形成高弹性网络，混凝土在受到外界冲击的时候，内部的高弹性网能吸收很多冲击能量从而提高了混凝土的抗冲击性能以及材料韧性^[10]。

1.4 国内外研究现状

纤维在混凝土中的应用并不是新奇的手段，从古便有这种做法，具有悠久的历史。千年之前便有人将植物的稻草秸秆掺入泥浆中来加固房屋。随着科学的进步发展，纤维的种类也是越来越多了，纤维按其性质主要分为：金属纤维、无机纤维和有机纤维。在20世纪就有一些发达国家在纤维混凝土研究方面取得进展，目前世界上有许多国家正在大量使用纤维混凝土。

1.4.1 纤维混凝土国外研究现状

纤维混凝土发展于二十世纪初，最先被大量应用于研究和应用的是钢纤维。早在1910年，美国H.P.Porter就研究过在水泥混凝土中添加钢纤维，并发表了第一篇钢纤维混凝土论文。20世纪60年代中期，Goidfein将合成纤维作为水泥砂浆增强材料，发现聚乙烯、尼龙、聚丙烯等纤维对砂浆的抗冲击性能有提高作用^[11]。1995年N.Rajagopalan等完成了钢筋混凝土梁在多次冲击载荷下冲击性能的研究。近十几年来，美国以及加拿大早已在混凝土工程中广泛使用合成纤维的预拌混凝土^[12]。Houssam A^[13]、R.D Toledo Filho^[14]、N.Banthia^[15]等研究认为聚丙烯纤维可以限制混凝土早期裂纹产生和发展，可以延缓裂纹尖端应力集中现象。

一些大型化学生产公司例如3M公司、日本帝子公司等都前前后后研发出来了多种用于水泥混凝土中的纤维品种，在高速公路、地铁、桥梁等工程中早已得以应用^[16]。

杜拉纤维是美国希尔兄弟化工生产的聚丙烯纤维，被广泛使用于混凝土中，大量的工程实践表明该纤维能大量减少混凝土微裂纹扩展。在路面施工上，美国大量利用了聚丙烯纤维混凝土，丹佛机场机库、跑道、墨西哥市一购物中心都用到了聚丙烯纤维混凝土，并且效果非常好。

1.4.2 纤维混凝土国内研究现状

纤维混凝土技术是从70年代传入中国的，起步于钢纤维和玻璃纤维。在1986年，第一届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议在大连召开了。大连理工大学的黄承逵、赵国藩合作研究了计算低弹性模量纤维混凝土构件抗弯承载力的指标和计算方法。纤维混凝土理论研究表明了，纤维对混凝土的改善很可能并不是增强其强度而是增加其抗裂性能^[17]。中国建材科学沈荣喜研究员研究了低掺率合成纤维在混凝土中的应用作用机制，归纳总结出了纤维增强材料的特点，明确表明低掺率合成纤维在混凝土中的增韧和阻裂作用^[11][18]。清华大学刘数华等研究者测量了聚丙烯纤维混凝土性能，分析出了聚丙烯纤维对高强度混凝土抗裂性能、脆性的改善作用^[19]。

胡金生等^[20]研究了纤维的增韧特性，试验结果说明：聚丙烯纤维掺量在0.9-1.5kg/m³的试块韧性最好，比普通混凝土韧性指标高18.9%。

李雪英等^[21]对聚丙烯纤维混凝土的力学性能进行了研究，通过实验发现纤维掺量为0.1%时，纤维混凝土坍落度和泌水性都有所下降，且聚丙烯纤维并不能提高混凝土抗压强度，但可以提高混凝土28d抗折强度。

在中国，聚丙烯纤维混凝土早已被广泛运用在建筑行业，如青岛公路桥面、西安市大型立交桥、泰州联通大厦地下室墙等。2000年，浙江省白溪水库采用了聚丙烯纤维混凝土浇筑了33块面板坝。复旦大学用纤维混凝土建造了体育中心的游泳池。由此可以看出，纤维混凝土的应用高潮正在来临。

1.5 研究目的、主要内容和技术方案

1.5.1 研究目的

循环流化床(CFB)燃煤技术是为了适应环境保护的要求而发展起来的先进燃烧技术，具有燃料适应性广、燃烧效率和脱硫效率高等优点。然而由于循环流化床锅炉排放的灰渣与普通锅炉不同，其存在着烧失量大、游离CaO含量高等特点，导致安定性不良的隐患。而加入抗拉强度大的纤维在提高墙板强度的同时，可以很好地克服这一缺点，因此展开纤维对CFB灰渣墙板的增强防裂作用研究。

本课题以CFB灰渣和轻质陶粒为主要原料，以纤维作增强材料进行轻质隔墙板的制备技术和应用技术研究。研究灰渣的特性和加入陶粒后配制的强度，在此基础上添加不同掺量的纤维研究其对CFB灰渣轻质隔墙板的影响，得出其最佳制备工艺。

1.5.2 主要内容

1.测试灰渣的物理化学特性，进行砂浆试验并测试强度，分析制备轻质隔墙板的可行性；

2.研究纤维的掺量和长度对轻质隔墙板的影响。

经过比重、经济性等方面考虑之后选择聚丙烯纤维进行试验，聚丙烯纤维稳定性好、质量轻、价格低廉，通过加入聚丙烯纤维来改善混凝土墙板的强度以及防裂性能。根据砂浆试验结果设计好混凝土配合比，通过加入6mm、12mm、19mm三种不同长度聚丙烯纤维来研究纤维的长度对轻质墙板的影响，同种纤维通过加入不同的掺量来研究纤维的掺量对轻质墙板的影响；

3.测试试块抗压抗折强度，并进行混凝土平板抗裂实验，根据试验结果得出纤维对CFB灰渣墙板的增强防裂的效果。

1.5.3 实施方案

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