生石灰消化性能對大摻量CFB 固硫灰蒸壓加氣混凝土性能影響研究

歐天安，黎宇平，潘榮偉

（廣西建筑材料科學研究設計院有限公司，廣西 南寧 530022）

0 引言

CFB 固硫灰是采用循環(huán)流化床燃煤脫硫技術產生的一類固體廢棄物，產量大且具有一定污染性[1]。以CFB 固硫灰制備蒸壓加氣混凝土，可實現變廢為寶，對環(huán)境保護和促進發(fā)電廠可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義[2]。

CFB 固硫灰形成的溫度為850～900 ℃，非晶玻璃態(tài)物質比傳統粉煤灰要少，導致固硫灰結構疏松多孔、活性低、吸水量大、流動性差。在固硫灰用量較大時，加氣混凝土料漿稠度大引起發(fā)氣困難，砌塊氣孔分布不均勻，抗壓強度低。生石灰作為重要的鈣質材料，其消化性能對加氣混凝土料漿稠化和發(fā)氣的適配性影響較大。本實驗主要通過研究生石灰消化性能對制備固硫灰蒸壓加氣混凝土性能的影響，改善料漿發(fā)氣性能，改善加氣混凝土砌塊性能。

1 實驗

1.1 原材料

1.1.1 原材料來源

CFB 固硫灰：百色百礦集團發(fā)電廠循環(huán)流化床排放；粉煤灰：發(fā)電廠，Ⅱ級；水泥：海螺牌，P·O42.5 水泥；鋁粉，石灰石，標準砂，自來水。CFB 固硫灰、粉煤灰的主要化學成分如表1所示，石灰石的主要化學成分如表2 所示。

表1 固硫灰、粉煤灰的主要化學成分 %

表2 石灰石的主要化學成分 %

1.1.2 原材料處理

石灰石：按照1150 ℃煅燒300 min，1300 ℃煅燒300 min的條件分別制備中燒、過燒石灰。按照德國工業(yè)標準DIN EN 459-2-2010《Building lime-Part2：Fest methods》測試石灰活性。

1.1.3 原材料性能

（1）固硫灰與粉煤灰的性能

固硫灰的XRD 圖譜如圖1 所示。

圖1 固硫灰的XRD 圖譜

由圖1 可知，固硫灰中的主要晶態(tài)礦物為α-石英、Ⅱ-無水石膏、方解石。

固硫灰、粉煤灰的SEM 照片如圖2、圖3 所示。

圖2 固硫灰的SEM 照片

由圖2、圖3 可知，與粉煤灰相比，固硫灰主要呈層片狀的疏松多孔結構，這是固硫灰需水量大的原因。

圖3 粉煤灰的SEM 照片

固硫灰的熱重分析的測試結果如圖4 所示。

圖4 固硫灰熱重分析

由圖4 可知，最開始的吸熱峰和失重對應的是固硫灰吸收的水汽燒失；在600 ℃失重的過程中存在一個明顯的放熱峰，是固硫灰中剩余的碳燒失引起。

固硫灰、粉煤灰的活性指數按照GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》進行測試，測得粉煤灰、固硫灰的強度活性指數分別為81.8%、77.3%，粉煤灰的較高，說明粉煤灰非晶玻璃態(tài)物質多于固硫灰，活性更高。固硫灰的粉煤灰特性結果如表3 所示。

表3 固硫灰的粉煤灰特性

（2）石灰的性能

石灰消化性能如圖5 和表4 所示。

表4 石灰消化性能

圖5 石灰消化性能測試

由表4 可知，消化速度：4#＞2#＞3#＞1#，即添加0.05%氯化鈉可加快石灰的消化[3]，得到的氫氧化鈣懸濁液黏度高，流動性差。而添加0.05%蔗糖則減緩了石灰的消化[4]。

1.2 實驗方案

本實驗確定以m（固硫灰）∶m（生石灰）∶m（水泥）=70∶18∶12，鋁粉用量0.06%，水料比為0.8 的配比制備蒸壓加氣混凝土砌塊（空白組實驗以Ⅱ級粉煤灰替代固硫灰）。按照表5 實驗設計方案研究石灰消化性能對固硫灰蒸壓加氣混凝土坯體形成過程和制品的影響。

表5 實驗方案

（1）形成過程：

①料漿流動性測試：把流動性測試模具放在水平桌面，將攪拌好的凈漿迅速注入截錐圓模內，用刮刀刮平，將截錐圓模按垂直的方向提起，任水泥凈漿在玻璃板上流動，當料漿不再擴散后，用直尺量取流動部分互相垂直的2 個方向的最大直徑，取3 次測量的平均值作為料漿的流動度。

②料漿流變性能測試：本試驗采用Brookfield DV-Ⅱ+黏度計對料漿0、5、10、15 min 的流變性能進行測試。

③加氣混凝土發(fā)氣情況測試：通過測算漿體的發(fā)氣膨脹速率和膨脹率研究加氣混凝土漿體發(fā)氣情況，本試驗的測試方法為：將100 mL 漿體灌注入200 mL 量筒中，每2 min 記錄1 次發(fā)氣高度，直到高度不再變化，計算料漿膨脹速率和膨脹率。

（2）加氣混凝土強度測試

將攪拌好的料漿倒入在50 ℃恒溫干燥箱中預熱過的70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 模具。然后放入50 ℃、相對濕度90%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至7 d，將脫模后的坯體放入蒸壓釜中，在195 ℃和1.2 MPa 下蒸壓養(yǎng)護8 h，以獲得最終的固硫灰蒸壓加氣混凝土樣品。

2 結果與分析

2.1 固硫灰和粉煤灰蒸壓加氣混凝土性能研究

2.1.1 不同原料對加氣混凝土料漿流動性的影響

粉煤灰加氣混凝土料漿、固硫灰加氣混凝土料漿流動度分別為222、192 mm，粉煤灰加氣混凝土料漿流動度大，原因是固硫灰微觀結構疏松多孔，吸水量大，粉煤灰結構呈球狀致密，吸水量少。

2.1.2 不同原料對加氣混凝土流變性能的影響

不同原料料漿在不同發(fā)氣時間點下剪切應力的變化如圖6 所示。

圖6 不同原料對加氣混凝土料漿經時剪切應力的影響

由圖6 可知，隨著發(fā)氣時間的延長，料漿的起始剪切應力提高，這是由于隨著時間延長，水化作用導致體系內自由水減少，料漿稠化導致剪切應力提高。由于粉煤灰吸水性比固硫灰差，體系內自由水較多，水合產物分子間作用力小，粉煤灰加氣混凝土料漿剪切應力小于固硫灰加氣混凝土料漿。

不同原料加氣混凝土料漿在不同發(fā)氣時間點下表觀黏度的變化如圖7 所示。經時表觀黏度的大小變化與剪切應力大小變化相對應。

圖7 不同原料對加氣混凝土料漿經時表觀黏度的影響

2.1.3 不同原料對料漿發(fā)氣過程的影響（見圖8）

圖8 不同原料對料漿發(fā)氣過程的影響

由圖8 可知，加氣混凝土料漿發(fā)氣過程分為3 個階段：（1）快速發(fā)氣膨脹階段，鈣質材料水化生成的Ca（OH）2在溶液狀態(tài)下和鋁粉反應放出氫氣，料漿迅速稠化；（2）平穩(wěn)發(fā)氣膨脹階段，料漿稠化以及料漿氫氧化鈣減少導致發(fā)氣膨脹速度減緩；（3）發(fā)氣結束或發(fā)氣膨脹速率緩慢階段，料漿進一步稠化，發(fā)氣基本結束或緩慢放氣。

固硫灰吸水量大，料漿稠化過快，大大增加了發(fā)氣的阻力，導致發(fā)氣時間短，發(fā)氣膨脹度低；粉煤灰的料漿流動性好，稠化速度和發(fā)氣膨脹速度匹配度比較高，發(fā)氣膨脹度高。

2.1.4 不同原料對蒸壓加氣混凝土砌塊強度的影響

固硫灰蒸壓加氣混凝土抗壓強度3.2 MPa，未達到GB/T 11968—2020《蒸壓加氣混凝土砌塊》中B06、A3.5 加氣混凝土砌塊的強度要求，粉煤灰蒸壓加氣混凝土的抗壓強度為3.6 MPa，強度達標。造成區(qū)別的原因在于，固硫灰是流化床低溫（850～900 ℃）煅燒得到，SiO2和Al2O3網絡結構緊密，玻璃非晶態(tài)物質少、活性低，形成的水化產物少；而粉煤灰是高溫煅燒（1300～1500 ℃）得到，該溫度下SiO2和Al2O3已處于熔融狀態(tài)，冷卻后玻璃非晶態(tài)物質多、活性高，形成的水化產物多。

粉煤灰蒸壓加氣混凝土、固硫灰蒸壓加氣混凝土絕干密度分別為636、640 kg/m3，絕干密度的高低與料漿發(fā)氣性能密切相關，由于固硫灰加氣混凝土料漿發(fā)氣量少，砌塊內的氣孔少，因此絕干密度比粉煤灰蒸壓加氣混凝土砌塊稍高。

2.2 石灰消化性能對加氣混凝土性能的影響

2.2.1 石灰消化性能對加氣混凝土料漿流動性影響

中燒石灰加氣混凝土料漿、過燒石灰加氣混凝土料漿、中燒石灰+蔗糖加氣混凝土料漿、中燒石灰+氯化鈉加氣混凝土料漿初始流動度分別為192、222、230、180 mm。石灰消化越快，料漿初始流動度越低，反之料漿初始流動度越高。

2.2.2 石灰消化性能對加氣混凝土流變性能的影響

石灰消化性能對料漿經時剪切應力的影響如圖9 所示。

由圖9 可知，相同剪切速率下，消化性能對料漿剪切應力影響關系為消化越慢，初始料漿剪切應力越低，由于石灰消化越快，水化生成氫氧化鈣速度越快，放出熱量越多，溶液的OH-數量增多和溫度的升高促進固硫灰的硅鋁組分溶解，并發(fā)生水化反應，消耗體系內自由水，導致剪切應力越高；反之，消化越慢，剪切應力越低。而添加0.05%蔗糖的料漿剪切應力最低，是由于蔗糖可吸附在水化產物分子上，形成空間位阻，減小分子間作用力造成。

圖9 石灰消化性能對料漿經時剪切應力的影響

消化性能對料漿在不同發(fā)氣時間點下表觀黏度的影響如圖10 所示。在相同剪切速率下，消化越快的料漿，表觀黏度越大，這與剪切應力大小變化相對應。

圖10 石灰消化性能對料漿經時表觀黏度的影響

2.2.3 石灰消化性能對發(fā)氣過程的影響

消化性能對料漿發(fā)氣的影響如圖11 所示。

圖11 石灰消化對發(fā)氣時長和發(fā)氣量的影響

由圖11 可見，以中燒石灰加氣混凝土料漿發(fā)氣時間為對照組，添加0.05%氯化鈉實驗組，發(fā)氣時間從14 min 減少到10 min，發(fā)氣膨脹高度從80 mm 下降到76 mm，說明消化越快，料漿稠化越快，阻礙鋁粉發(fā)氣，導致發(fā)氣時間縮短，發(fā)氣量減少。過燒石灰實驗組，發(fā)氣時間從14 min 延長到18 min，發(fā)氣膨脹高度從80 mm 提高到83 mm；添加0.05%蔗糖實驗組，發(fā)氣時間從14 min 延長到20 min，發(fā)氣膨脹高度從80 mm 提高到86 mm，適當減緩消化，可以優(yōu)化稠化和發(fā)氣速率的適配性，減小鋁粉發(fā)氣阻力，增加發(fā)氣量。

2.2.4 石灰消化性能對固硫灰蒸壓加氣混凝土砌塊強度的影響

以中燒石灰蒸壓加氣混凝土實驗為對照組，添加0.05%氯化鈉加速消化，發(fā)氣時間縮短，發(fā)氣量減少，絕干密度從640 kg/m3提高到651 kg/m3，抗壓強度從3.2 MPa 提高到3.4 MPa，抗壓強度的提高是絕干體積密度提高造成的。添加0.05%蔗糖延緩消化后，料漿發(fā)氣情況得到改善，加氣混凝土孔隙增多，絕干密度從640 kg/m3下降至629 kg/m3，抗壓強度從3.2 MPa 提高至3.6 MPa，原因是添加蔗糖減緩了消化反應，增大溶液中Ca2+和OH-濃度，促進了固硫灰中非晶態(tài)SiO2和Al2O3的溶解，產生更多的水化產物，使得砌塊在絕干體積密度降低的情況下保持抗壓強度不降低；值得一提的是，使用過燒石灰也能延緩消化，絕干密度為637 kg/m3，但過燒石灰是由于其活性低引起消化緩慢，對水化反應不利，能夠提供強度的水化產物生成少，砌塊的抗壓強度也低，為3.0 MPa。

3 結論

（1）與Ⅱ級粉煤灰相比，固硫灰微觀結構疏松、活性低、吸水量大、流動性差，大量用于制備加氣混凝土會造成發(fā)氣時間短、發(fā)氣量少、抗壓強度低的問題，難以達到GB/T 11968—2020 中B06、A3.5 加氣砌塊產品標準的要求。

（2）加快石灰消化會加快料漿稠化速度，增大發(fā)氣阻力，影響料漿正常發(fā)氣，不利于砌塊氣孔生成；延緩石灰消化可以改善料漿發(fā)氣情況，但過燒石灰活性低，對水化反應造成不利影響，從而導致大摻量固硫灰蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓強度過低。

（3）添加少量的蔗糖可以適當減緩石灰消化，蔗糖分子吸附在水化產物分子上形成位阻效應，改善料漿流動性，料漿稠化和發(fā)氣匹配度高，同時利用蔗糖加大了氫氧化鈣溶液的過飽和度，提高了溶液中OH-的濃度，破壞固硫灰中SiO2和Al2O3的網絡結構，增大了固硫灰SiO2和Al2O3的溶解度，生成更多的水化產物，保證砌塊強度不降低的同時降低固硫灰蒸壓加氣混凝土砌塊體積密度。