硅酸鹽固廢循環流化床脫硫粉煤灰在混凝土中應用的試驗研究

鄧天明，張凱峰，劉文歡，馮紹航，高澤勇，鄒月超

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

硅酸鹽固廢循環流化床脫硫粉煤灰在混凝土中應用的試驗研究

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

循環流化床工藝產生的脫硫粉煤灰因其性能特征沒有得到廣泛應用，通過堆放或填埋處理既浪費資源又污染環境。通過循環流化床脫硫粉煤灰與普通煤粉爐粉煤灰的對比試驗，研究了脫硫粉煤灰對混凝土流動性及強度的影響。結果表明：與煤粉爐粉煤灰相比，脫硫粉煤灰需水量比大，28d 活性指數大。摻脫硫粉煤灰的混凝土初始流動性小，坍落度損失大，7d、28d強度均高于基準試樣，C60混凝土7d 強度占28d 強度的88% 左右，表現為早期強度高。

循環流化床（CFBC）；脫硫粉煤灰；流動性；強度

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分的褐煤、次煙煤等劣質煤用于火力發電，循環流化床鍋爐（CFBC）燃煤技術是我國火電廠目前廣泛采用的一種適用于劣質煤或高硫煤的一種較先進的潔凈燃煤技術，在設備投資、煤種適應性和脫硫等方面有著明顯的優勢[1]。

據統計，我國 CFBC 脫硫灰渣年排放量在2000萬t左右[2]，隨著國家對燃煤 SO2排放控制力度的加強以及我國電力高速發展，更多的 CFBC 電廠將建成投產，這預示著脫硫灰渣的排放量將會高速增長。脫硫 CFBC 的燃燒溫度通?？刂圃?00℃左右，遠低于煤粉爐1400℃的燃燒溫度，因為煤燃燒未達到形成液相形成的溫度，脫硫粉煤灰通常呈現疏松多孔狀[2]，脫硫時需要加入鈣質脫硫劑，脫硫灰中 SO3及 f-CaO含量均較高。目前國內對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，對脫硫灰作為摻合料在混凝土中的應用研究較少。本試驗研究通過摻脫硫灰及煤粉爐粉煤灰混凝土對比試驗分析，討論脫硫灰對混凝土工作性能及強度的影響，為脫硫灰在混凝土中的應用提供依據。

1　原材料

采用陜西某電廠循環流化床脫硫粉煤灰，選擇三批脫硫粉煤灰進行對比試驗，選用陜西市場上常用的煤粉爐粉煤灰進行試驗。脫硫粉煤灰（代號為 CFBCF）及煤粉爐粉煤灰（代號為 FA）的化學組成采用樣品恒重后的熒光分析法，結果如表1所示。

表1　脫硫粉煤灰及煤粉爐粉煤灰化學組成　%

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

試驗用粗骨料為卵石及碎石，卵石為5～31.5mm 連續級配；碎石為5～20mm 連續級配，針片狀含量為3%，壓碎指標為7%；細骨料為渭河河砂，砂的細度模數為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

2.1試樣性能試驗

參照現行國家標準 GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》對脫硫灰及粉煤灰進行細度、需水量比、燒失量、活性指數及安定性進行試驗。

2.2混凝土試驗

試配的思路為：用粉煤灰配制工作性能及強度滿足要求的 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，檢測混凝土拌合物工作性能和強度。

經過配合比優化確定 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

按照現行國家標準 GB/T50080－2002《普通混凝土拌合物性能試樣方法標準》對混凝土拌合物的出機坍落度、擴展度，2h 坍落度、擴展度進行測試，按照現行國家標準 GB/T50081－2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》對硬化混凝土7d、28d 抗壓強度進行測試。

3　試驗結果及分析

3.1試樣性能試驗結果及分析

脫硫灰各項指標均滿足 Ⅲ 級灰的要求。脫硫灰的細度越大，需水量比越大，表明脫硫灰的粗顆粒越多，減水效果越差。CFBCF2的活性指數最高，由化學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的細度小于粉煤灰，需水量比高于粉煤灰，這是因為脫硫灰的顆粒形貌不規則，多為長條狀、片狀、楔形，顆粒球形度很差。脫硫灰的安定檢測結果合格。具體試驗結果如表4所示。

表4　脫硫灰及粉煤灰檢測結果

3.2混凝土試驗結果及分析

摻脫硫灰的 C30混凝土拌合物出機坍落度及擴展度小于粉煤灰，CFBC2-30出機坍落度及擴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坍落度及擴展度大于摻脫硫灰的混凝土，CFBCF1-60出機坍落度及擴展度與 CFBCF3-60接近，二者出機坍落度及擴展度明顯大于 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。具體試驗結果如表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，且脫硫灰的微觀結構有利于其火山灰活性的發揮[4]，摻有脫硫灰的混凝土的水化反應更快，生成的水化產物將減水劑包裹，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 抗壓強度均滿足設計要求，且均高于粉煤灰混凝土。CFBCF2-30的7d、28d 抗壓強度與 FA-30差值分別為3.18MPa、3.41MPa，CFBCF1-30與 CFBCF3-30的7d、28d 抗壓強度接近，略高于FA-30。CFBCF2-60的7d、28d 抗壓強度與FA-60差值分別為16.12MPa、6.48MPa，CFBCF1-60與 CFBCF3-60的7d、28d抗壓強度與 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度的差值小于 C60混凝土，C60混凝土7d 強度的差值大于28d 強度差值。具體試驗結果參見表6。

表5　C30及 C60混凝土拌合物工作性能試驗結果

表6　C30及 C60混凝土抗壓強度試驗結果

脫硫灰的28d 活性指數高于粉煤灰，脫硫灰混凝土28d強度高于粉煤灰混凝土。脫硫灰的火山灰反應活性高于粉煤灰，混凝土中水溶液的 Ca(OH)2含量是發生火山灰反應的必要條件。C60混凝土的水泥用量高，早期反應產生較多的Ca(OH)2，此時脫硫灰的火山灰反應程度高于粉煤灰，脫硫灰混凝土7d 強度較粉煤灰高14MPa 左右，隨著水化反應的逐步進行，脫硫灰與粉煤灰火山灰反應程度差距縮小，混凝土28d 強度差值為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程度差異不明顯，7d 及28d 強度差值接近。

4　結論

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

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

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

[2] 錢覺時，鄭洪偉，宋遠明，等．流化床燃煤固硫灰渣的特性[J]．硅酸鹽學報，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 強度分別約為27MPa、42MPa，C60混凝土7d、28d 強度分別約為63MPa、72MPa，均高于粉煤灰混凝土。摻脫硫灰 C60混凝土早期強度增長更快，7d 強度約占28d 強度的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] 宋遠明，錢覺時，王智，等．固硫灰渣的微觀結構與火山灰反應特性[J]．硅酸鹽學報，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用研究[D]．武漢：武漢理工大學[A]，2010．

［通訊地址］陜西省西安市長安區王寺鎮西街中建西部建設北方有限公司研發中心（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。