含脫硫灰渣氣泡混合輕質(zhì)土硫酸鈉耐久性試驗(yàn)研究

任啟航

(中鐵城建集團(tuán)第一工程有限公司，山西 太原 030024)

1 概述

節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境是我國(guó)的基本國(guó)策。脫硫灰渣是火電廠煙氣脫硫的產(chǎn)物，含硫量較高，在與水泥混合使用時(shí)易生成腐蝕物質(zhì)并造成體積膨脹破壞[1-3]，不利于脫硫灰渣的固廢再利用。目前對(duì)脫硫灰渣的研究大多集中于脫硫灰渣替代水泥等膠凝材料的領(lǐng)域中[4]，如Solem-Tishmack J K等[5]將脫硫灰渣應(yīng)用于砌筑砂漿，表現(xiàn)出良好的工程性能；劉匯東[6]采用同步還原燒焙法降低脫硫灰渣中SO3含量，處理過(guò)后的灰渣符合水泥和混凝土生產(chǎn)用粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)；余方喜[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)脫硫灰渣有較好的溶解性能和活性，具備與水泥材料混合使用的良好條件。為了擴(kuò)寬脫硫灰渣的應(yīng)用范圍，還需要進(jìn)一步對(duì)脫硫灰渣的綜合利用拓寬思路，尋求新的解決辦法。

氣泡混合輕質(zhì)土是一種將水泥、摻合料、水和穩(wěn)定氣泡群充分混合后的新型輕質(zhì)材料，具有輕質(zhì)性、保溫隔熱性和多孔性等。將脫硫灰渣摻入到氣泡混合輕質(zhì)土中，可利用材料的多孔性緩解脫硫灰渣帶來(lái)的膨脹劣化問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的研究較為全面[8-9]，但對(duì)含脫硫灰渣的輕質(zhì)土研究較為少見，特別是對(duì)于硫酸鹽溶液腐蝕下的耐久性研究較少。

本文針對(duì)含脫硫灰渣的氣泡混合輕質(zhì)土，通過(guò)分析輕質(zhì)土在硫酸鈉溶液腐蝕下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，研究輕質(zhì)土的硫酸鈉耐久性能，并借助XRD和SEM電鏡掃描等一系列微觀手段，探究含脫硫灰渣的氣泡混合輕質(zhì)土的硫酸鈉耐久性機(jī)理。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要包括水泥、脫硫灰渣、發(fā)泡劑和水。

本試驗(yàn)所采用的水泥為太原獅頭水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。水泥的化學(xué)成分采用X射線熒光分析獲得，見表1。

表1 水泥各化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

本試驗(yàn)所用脫硫灰渣為太原某電廠生產(chǎn)，采用密度計(jì)法對(duì)灰渣級(jí)配進(jìn)行測(cè)試，得出顆粒級(jí)配曲線，見圖1。從圖1中可以看出灰渣粒徑主要集中在0.05 mm～0.01 mm范圍內(nèi)。

測(cè)試依照GB/T 1596—2017用于水泥和混凝土的粉煤灰，經(jīng)檢驗(yàn)，該樣品中三氧化硫不符合規(guī)范中C類粉煤灰要求，含硫量較高。

本試驗(yàn)采用的發(fā)泡劑為北京亞設(shè)建材科技有限公司所產(chǎn)的YS復(fù)合型發(fā)泡劑，它屬于復(fù)合發(fā)泡劑，由陰離子表面活性劑和動(dòng)物蛋白復(fù)合而成。本次試驗(yàn)中將發(fā)泡劑按1∶40的比例(按質(zhì)量)用水稀釋。發(fā)泡后密度為37.5 kg/m3。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)參考CJJ/T 177—2012氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程的建議。作為探索性試驗(yàn)，試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)四種水泥/脫硫灰渣比例作性能測(cè)試：分別為1∶1，1∶2，1∶3和1∶4，分別對(duì)應(yīng)脫硫灰渣占總物料質(zhì)量的50%，66.7%，75%和80%；為了滿足料漿和易性要求，進(jìn)行了多種水膠比試配試驗(yàn)，最終確定填料中加水質(zhì)量同總物料質(zhì)量的比例為0.7。具體配合比見表2。

表2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)環(huán)境分為標(biāo)準(zhǔn)水環(huán)境養(yǎng)護(hù)和硫酸鈉鹽溶液養(yǎng)護(hù)，鹽溶液中硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%，10%和15%。試樣在清水和鹽溶液環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d后取出，進(jìn)行力學(xué)和微觀試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照CJJ/T 177—2012氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)范中對(duì)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。

試驗(yàn)采用的XRD儀器型號(hào)為L(zhǎng)abX XRD-6000，試驗(yàn)中XRD測(cè)試采用Cu靶，管壓為40 kV，電流30 mA，掃描步長(zhǎng)0.02°，掃描速度100/min，掃描范圍5°～50°。

試驗(yàn)采用的電鏡掃描儀器為TM-3030掃描電子顯微鏡，試驗(yàn)中儀器的放大倍率為300倍～5 000倍。

3 結(jié)果與分析

3.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試樣在不同濃度的硫酸鈉(0%，5%，10%，15%)溶液中浸泡28 d后，其外觀形態(tài)見圖2。

從圖2可以看出當(dāng)含高硫粉煤灰的量為50%時(shí)，在4種濃度的硫酸鈉溶液腐蝕下，試樣的外觀變化不大，表面未出現(xiàn)明顯的坑蝕現(xiàn)象，表現(xiàn)出較好的完整性；當(dāng)含高硫粉煤灰的量為66.7%時(shí)，大部分試樣外觀依然保持較好，沒(méi)有開裂現(xiàn)象，但硫酸鈉濃度為15%的試樣邊緣出現(xiàn)輕微的剝落；當(dāng)含高硫粉煤灰的量為75%時(shí)，試樣表面隨著硫酸鈉濃度的增高而逐漸變粗糙，并伴有白色膏狀物質(zhì)析出，硫酸鈉濃度為10%和15%的試樣出現(xiàn)表皮的腐蝕剝落；而當(dāng)含高硫粉煤灰的量增加到80%時(shí)，只有清水和5%硫酸鈉濃度下的試樣保持良好，10%硫酸鈉濃度下的試樣出現(xiàn)較為嚴(yán)重的破損，而15%硫酸鈉濃度下的試樣則受到嚴(yán)重侵蝕，整體表現(xiàn)潰爛。

以上分析得出，硫酸鈉對(duì)含脫硫灰渣輕質(zhì)土外觀腐蝕的嚴(yán)重程度可歸納為隨高硫粉煤灰含量的增加而增加，隨硫酸鈉濃度的增加而增加。

為探究硫酸鈉溶液對(duì)輕質(zhì)土力學(xué)性能影響，對(duì)浸泡后的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣腐蝕后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖3。

從圖3(a)可以看出，相較于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，在清水養(yǎng)護(hù)以及低濃度的硫酸鈉溶液下，試樣強(qiáng)度整體得到了增強(qiáng)，表明水環(huán)境養(yǎng)護(hù)下，有利于氣泡混合輕質(zhì)土的水化作用，而受硫酸鈉溶液影響，部分高濃度下的強(qiáng)度曲線要低于清水甚至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的強(qiáng)度曲線；整體上氣泡混合輕質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨脫硫灰渣的變化規(guī)律仍然同標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的試樣一致，即隨灰渣含量的增加而先增大后減小，峰值出現(xiàn)在66.7%；區(qū)別于其他曲線，當(dāng)硫酸鈉濃度為15%時(shí)，灰渣從50%增大到66.7%時(shí)的強(qiáng)度增量較小，導(dǎo)致整體峰值并不顯著，同時(shí)灰渣從75%增大到80%時(shí)強(qiáng)度曲線發(fā)生陡降。

圖3(b)則反映出含脫硫灰渣的氣泡混合輕質(zhì)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨硫酸鈉濃度的變化規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn)，不同脫硫灰渣含量下的試樣，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨硫酸鈉濃度的增加而先增加后降低，表明硫酸鈉溶液濃度對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的強(qiáng)度變化有很大影響，低濃度的硫酸鈉對(duì)強(qiáng)度具有提高作用，而當(dāng)硫酸鈉濃度增大到一定程度時(shí)，強(qiáng)度反而還會(huì)降低：對(duì)于含脫硫灰渣的量為50%和66.7%的試樣，當(dāng)硫酸鈉濃度低于10%時(shí)，其強(qiáng)度隨硫酸鈉濃度的增加而增加，當(dāng)硫酸鈉濃度大于10%，強(qiáng)度開始降低；而對(duì)于含脫硫灰渣的量為75%和80%的試樣，強(qiáng)度降低出現(xiàn)得更快。

綜上表明，脫硫灰渣含量較低的氣泡混合輕質(zhì)土要比高含量的試樣對(duì)硫酸鈉溶液腐蝕的抵抗性能更好，表現(xiàn)為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線中的波動(dòng)幅度較小，而對(duì)于脫硫灰渣含量較高的輕質(zhì)土試樣，強(qiáng)度曲線的起伏則較大。

3.2 XRD分析

圖4為含脫硫灰渣的量為75%試樣下的XRD圖譜，可知在不同硫酸鈉濃度下的XRD衍射圖譜各有異同。

3.3 SEM和EDS分析

圖5展示了含脫硫灰渣的量為75%的試樣分別在5%，10%和15%硫酸鈉溶液腐蝕下的SEM圖像和EDS分析。

一般認(rèn)為[11-13]，AFt晶體具有針刺狀或棒狀結(jié)構(gòu)，而石膏晶體則通常呈板狀，亦有呈扁豆?fàn)?，其集合體多呈致密土粒狀或纖維狀。

圖5(a)為5%硫酸鈉濃度下試樣的5 000倍放大圖，可以看到中部孔隙區(qū)域分布著大量土粒狀的石膏晶體集合體，孔隙邊緣處錯(cuò)落生長(zhǎng)著棒狀的AFt晶體，這些腐蝕物質(zhì)占據(jù)了一部分孔隙空間；當(dāng)硫酸鈉濃度達(dá)到10%時(shí)，AFt晶體和石膏晶體對(duì)孔隙的填充作用更加明顯，晶體在生長(zhǎng)過(guò)程中逐漸占據(jù)了胞孔的空間，形成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)體系，在結(jié)晶壓力破壞胞孔壁之前，對(duì)結(jié)構(gòu)密實(shí)起到良好效果，整體結(jié)構(gòu)較5%的試樣更為緊密，見圖5(c)；而當(dāng)硫酸鈉濃度達(dá)到15%時(shí)，土粒狀的石膏晶體更像是附著在基體表面，結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，見圖5(e)。取SEM圖中的方框位置同步做EDS分析，見圖5(b),圖5(d)和圖5(f)，可以發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域中的S元素占據(jù)了較大比重，證明了AFt晶體和石膏晶體的存在。

4 結(jié)語(yǔ)

含脫硫灰渣的氣泡混合輕質(zhì)土對(duì)于硫酸鈉溶液的腐蝕主要受到鹽溶液濃度和脫硫灰渣含量的影響，其中鹽溶液濃度的影響最大。

含脫硫灰渣的氣泡混合輕質(zhì)土抵抗硫酸鈉溶液腐蝕的閾值濃度為10%：低于10%濃度時(shí)，硫酸鈉腐蝕有利于輕質(zhì)土強(qiáng)度的提高，且脫硫灰渣的增多促進(jìn)其強(qiáng)度增強(qiáng)；高于10%濃度時(shí)輕質(zhì)土強(qiáng)度降低，且脫硫灰渣含量增多導(dǎo)致輕質(zhì)土強(qiáng)度下降。

高濃度硫酸鈉溶液腐蝕下的試樣存在比低濃度更強(qiáng)烈的AFt晶體和石膏晶體的衍射峰，按強(qiáng)度大小排列分別為硫酸鈉濃度15%>10%>5%。

在不同濃度的硫酸鈉腐蝕下，腐蝕產(chǎn)物對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土中的孔隙有不同影響：5%濃度下，AFt晶體和石膏晶體填充了部分孔隙空間，10%濃度下，AFt晶體和石膏晶體對(duì)孔隙的填充作用更加明顯，而15%濃度下，孔隙結(jié)構(gòu)相比5%和10%濃度下更為擠密。