硅酸鹽固廢循環(huán)流化床脫硫粉煤灰在混凝土中應(yīng)用的試驗(yàn)研究

鄧天明，張凱峰，劉文歡，馮紹航，高澤勇，鄒月超

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西　西安　710065；2.西安建筑科技大學(xué)，陜西　西安　710055；3. 陜西華電瑤池發(fā)電有限公司，陜西　咸陽　713500）

硅酸鹽固廢循環(huán)流化床脫硫粉煤灰在混凝土中應(yīng)用的試驗(yàn)研究

鄧天明1，張凱峰1，劉文歡2，馮紹航2，高澤勇3，鄒月超3

（1. 中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西西安710065；2.西安建筑科技大學(xué)，陜西西安710055；3. 陜西華電瑤池發(fā)電有限公司，陜西咸陽713500）

循環(huán)流化床工藝產(chǎn)生的脫硫粉煤灰因其性能特征沒有得到廣泛應(yīng)用，通過堆放或填埋處理既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。通過循環(huán)流化床脫硫粉煤灰與普通煤粉爐粉煤灰的對(duì)比試驗(yàn)，研究了脫硫粉煤灰對(duì)混凝土流動(dòng)性及強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：與煤粉爐粉煤灰相比，脫硫粉煤灰需水量比大，28d 活性指數(shù)大。摻脫硫粉煤灰的混凝土初始流動(dòng)性小，坍落度損失大，7d、28d強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)試樣，C60混凝土7d 強(qiáng)度占28d 強(qiáng)度的88% 左右，表現(xiàn)為早期強(qiáng)度高。

循環(huán)流化床（CFBC）；脫硫粉煤灰；流動(dòng)性；強(qiáng)度

0　前言

我國火電廠的燃煤方式正日漸變化，近年更多的具有高揮發(fā)分的褐煤、次煙煤等劣質(zhì)煤用于火力發(fā)電，循環(huán)流化床鍋爐（CFBC）燃煤技術(shù)是我國火電廠目前廣泛采用的一種適用于劣質(zhì)煤或高硫煤的一種較先進(jìn)的潔凈燃煤技術(shù)，在設(shè)備投資、煤種適應(yīng)性和脫硫等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國 CFBC 脫硫灰渣年排放量在2000萬t左右[2]，隨著國家對(duì)燃煤 SO2排放控制力度的加強(qiáng)以及我國電力高速發(fā)展，更多的 CFBC 電廠將建成投產(chǎn)，這預(yù)示著脫硫灰渣的排放量將會(huì)高速增長。脫硫 CFBC 的燃燒溫度通?？刂圃?00℃左右，遠(yuǎn)低于煤粉爐1400℃的燃燒溫度，因?yàn)槊喝紵催_(dá)到形成液相形成的溫度，脫硫粉煤灰通常呈現(xiàn)疏松多孔狀[2]，脫硫時(shí)需要加入鈣質(zhì)脫硫劑，脫硫灰中 SO3及 f-CaO含量均較高。目前國內(nèi)對(duì)脫硫灰的研究主要集中在水化特性[3-4]、制備道路材料[5-6]等，對(duì)脫硫灰作為摻合料在混凝土中的應(yīng)用研究較少。本試驗(yàn)研究通過摻脫硫灰及煤粉爐粉煤灰混凝土對(duì)比試驗(yàn)分析，討論脫硫灰對(duì)混凝土工作性能及強(qiáng)度的影響，為脫硫灰在混凝土中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1　原材料

采用陜西某電廠循環(huán)流化床脫硫粉煤灰，選擇三批脫硫粉煤灰進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，選用陜西市場(chǎng)上常用的煤粉爐粉煤灰進(jìn)行試驗(yàn)。脫硫粉煤灰（代號(hào)為 CFBCF）及煤粉爐粉煤灰（代號(hào)為 FA）的化學(xué)組成采用樣品恒重后的熒光分析法，結(jié)果如表1所示。

表1　脫硫粉煤灰及煤粉爐粉煤灰化學(xué)組成　%

水泥為陜西聲威 P·O42.5水泥，物理性能如表2所示。

表2　水泥物理性能

試驗(yàn)用粗骨料為卵石及碎石，卵石為5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配；碎石為5～20mm 連續(xù)級(jí)配，針片狀含量為3%，壓碎指標(biāo)為7%；細(xì)骨料為渭河河砂，砂的細(xì)度模數(shù)為2.5，含泥量為2.6%；外加劑為市售聚羧酸高效減水劑，分為固含量為10% 的低濃減水劑及固含量為20% 的高濃減水劑兩種。

2　試驗(yàn)

2.1試樣性能試驗(yàn)

參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對(duì)脫硫灰及粉煤灰進(jìn)行細(xì)度、需水量比、燒失量、活性指數(shù)及安定性進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2混凝土試驗(yàn)

試配的思路為：用粉煤灰配制工作性能及強(qiáng)度滿足要求的 C30、C60混凝土，確定配合比；用脫硫灰按100% 比例等量取代粉煤灰配制 C30、C60混凝土，檢測(cè)混凝土拌合物工作性能和強(qiáng)度。

經(jīng)過配合比優(yōu)化確定 C30、C60混凝土配合比如表3所示，C30選用低濃減水劑，C60選用高濃減水劑。

表3　混凝土配合比

按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T50080－2002《普通混凝土拌合物性能試樣方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土拌合物的出機(jī)坍落度、擴(kuò)展度，2h 坍落度、擴(kuò)展度進(jìn)行測(cè)試，按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T50081－2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)硬化混凝土7d、28d 抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1試樣性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

脫硫灰各項(xiàng)指標(biāo)均滿足 Ⅲ 級(jí)灰的要求。脫硫灰的細(xì)度越大，需水量比越大，表明脫硫灰的粗顆粒越多，減水效果越差。CFBCF2的活性指數(shù)最高，由化學(xué)成分分析知第二批脫硫灰 SiO2和 Al2O3的含量高于 CFBCF1及 CFBCF3。CFBCF1及 CFBCF3的細(xì)度小于粉煤灰，需水量比高于粉煤灰，這是因?yàn)槊摿蚧业念w粒形貌不規(guī)則，多為長條狀、片狀、楔形，顆粒球形度很差。脫硫灰的安定檢測(cè)結(jié)果合格。具體試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　脫硫灰及粉煤灰檢測(cè)結(jié)果

3.2混凝土試驗(yàn)結(jié)果及分析

摻脫硫灰的 C30混凝土拌合物出機(jī)坍落度及擴(kuò)展度小于粉煤灰，CFBC2-30出機(jī)坍落度及擴(kuò)展度明顯小于其它摻脫硫灰混凝土。與 C30混凝土類似，C60粉煤灰混凝土拌合物出機(jī)坍落度及擴(kuò)展度大于摻脫硫灰的混凝土，CFBCF1-60出機(jī)坍落度及擴(kuò)展度與 CFBCF3-60接近，二者出機(jī)坍落度及擴(kuò)展度明顯大于 CFBCF2-60。摻脫硫灰的 C30、C60混凝土拌合物坍落度損失大于粉煤灰混凝土，2h 后坍落度均在140mm以內(nèi)。具體試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

脫硫灰的需水量比均大于105%，較粉煤灰97% 更高，脫硫灰呈疏松多孔狀，對(duì)減水劑有一定的吸附，降低減水劑的減水作用，在單方用水量及外加劑用量相同的情況下，摻脫硫灰的混凝土拌合物流動(dòng)性較粉煤灰混凝土更差。脫硫灰的火山灰活性明顯高于粉煤灰，且脫硫灰的微觀結(jié)構(gòu)有利于其火山灰活性的發(fā)揮[4]，摻有脫硫灰的混凝土的水化反應(yīng)更快，生成的水化產(chǎn)物將減水劑包裹，使減水劑失去分散膠材顆粒的作用，膠材顆粒絮凝增多，從而造成混凝土拌合物流動(dòng)性損失。摻有脫硫灰的混凝土2h 坍落度損失明顯大于粉煤灰混凝土。

摻脫硫灰的 C30、C60混凝土7d、28d 抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，且均高于粉煤灰混凝土。CFBCF2-30的7d、28d 抗壓強(qiáng)度與 FA-30差值分別為3.18MPa、3.41MPa，CFBCF1-30與 CFBCF3-30的7d、28d 抗壓強(qiáng)度接近，略高于FA-30。CFBCF2-60的7d、28d 抗壓強(qiáng)度與FA-60差值分別為16.12MPa、6.48MPa，CFBCF1-60與 CFBCF3-60的7d、28d抗壓強(qiáng)度與 FA-60差值接近，且小于16.12MPa、6.48MPa。摻脫硫灰 C30混凝土與粉煤灰混凝土強(qiáng)度的差值小于 C60混凝土，C60混凝土7d 強(qiáng)度的差值大于28d 強(qiáng)度差值。具體試驗(yàn)結(jié)果參見表6。

表5　C30及 C60混凝土拌合物工作性能試驗(yàn)結(jié)果

表6　C30及 C60混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

脫硫灰的28d 活性指數(shù)高于粉煤灰，脫硫灰混凝土28d強(qiáng)度高于粉煤灰混凝土。脫硫灰的火山灰反應(yīng)活性高于粉煤灰，混凝土中水溶液的 Ca(OH)2含量是發(fā)生火山灰反應(yīng)的必要條件。C60混凝土的水泥用量高，早期反應(yīng)產(chǎn)生較多的Ca(OH)2，此時(shí)脫硫灰的火山灰反應(yīng)程度高于粉煤灰，脫硫灰混凝土7d 強(qiáng)度較粉煤灰高14MPa 左右，隨著水化反應(yīng)的逐步進(jìn)行，脫硫灰與粉煤灰火山灰反應(yīng)程度差距縮小，混凝土28d 強(qiáng)度差值為5MPa 左右。C30混凝土水泥用量低，混凝土水溶液中 Ca(OH)2含量小，脫硫灰與粉煤灰火山灰反應(yīng)程度差異不明顯，7d 及28d 強(qiáng)度差值接近。

4　結(jié)論

（1）脫硫灰的28d 活性指數(shù)均在78% 以上，較粉煤灰更高，脫硫灰中 SiO2及 Al2O3含量越高，28d 活性指數(shù)越高。

（2）脫硫灰的需水量比均大于107%，細(xì)度接近的情況下，脫硫灰的需水量比大于粉煤灰，細(xì)度及燒失量滿足Ⅱ級(jí)灰要求時(shí)，需水量比只能滿足 Ⅲ 級(jí)灰要求。

[1]陳干錦．循環(huán)流化床鍋爐在我國的發(fā)展[J]．鍋爐技術(shù)，2002,33(7)：1–6．

[2] 錢覺時(shí)，鄭洪偉，宋遠(yuǎn)明，等．流化床燃煤固硫灰渣的特性[J]．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008,36(10)：1396-1400．

（3） 在單方用水量及外加劑用量相同的情況下，摻脫硫灰的混凝土初始坍落度比粉煤灰混凝土低50mm 左右，2h坍落度損失比粉煤灰混凝土高50mm 左右。

（4）摻有脫硫灰的 C30混凝土7d、28d 強(qiáng)度分別約為27MPa、42MPa，C60混凝土7d、28d 強(qiáng)度分別約為63MPa、72MPa，均高于粉煤灰混凝土。摻脫硫灰 C60混凝土早期強(qiáng)度增長更快，7d 強(qiáng)度約占28d 強(qiáng)度的88%，高于粉煤灰混凝土的75%。

[3] ANTHONY E J．Agglomeration and strength development of deposits in CFB boilers firing high-sulfur fuels [J]．Fuel,2000,79(15):1933–1942．

[4] 宋遠(yuǎn)明，錢覺時(shí)，王智，等．固硫灰渣的微觀結(jié)構(gòu)與火山灰反應(yīng)特性[J]．硅酸鹽學(xué)報(bào)，2006,34(12)：1542–1546．

[5] QIAO D，QIAN J S，WANG Q Z，et al.Utilization of sulfate–rich solid wastes in rural road construction in the Three Gorges Reser voir[J].Resources Conservation and Recycling，2010(54)：1368-1376.

[6] 范志勇．干法煙氣脫硫渣在水泥與道路材料中的應(yīng)用研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué)[A]，2010．

［通訊地址］陜西省西安市長安區(qū)王寺鎮(zhèn)西街中建西部建設(shè)北方有限公司研發(fā)中心（710116）

鄧天明（1987—），男，碩士研究生，從事高性能混凝土與綠色建材研究。