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燃煤固硫灰渣混凝土路面材料研究

2020年06月28日 12:00点击数量:79次


燃煤固硫灰渣混凝土路面材料研究


黄煜镔1,2,钱觉时3,张建业3,党玉栋3

(1.重庆大学土木工程学院;2.重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室;3.重庆大学材料科学与工程学院)


摘要: 降低农村公路造价具有重要的现实意义,利用地方工业固体废弃物是一种途径.通过对燃煤固硫灰渣胶凝系统的试验研究,结果表明: 燃煤固硫灰渣表面疏松和阴离子聚合度低的特征 ,使其具有显著的火山灰效应, 可与碱、硫酸盐激发剂组成胶凝系统,其中固硫灰渣占70%以上 ;掺加水泥和增大硫酸盐激发剂掺量能显著改善系统早期性能,硫酸盐掺量宜大于1.5%;燃煤固硫灰渣混凝土具有较好的强度性能和材料韧性,在农村公路中应用具有现实可行性.

关键词: 固硫灰渣;混凝土;农村公路;强度


目前,由于农村公路建设量大面广,资金紧缺是许多地方都面临的困难,因此开展降低农村公路建设造价的研究非常迫切.与此同时,在国内许多地区,地方工业固体废弃物数量巨大,固体废弃物一方面占用大量土地,浪费土地资源,另一方面还通过各种途径污染大气、水体、土壤和生物环境,甚至危害人体健康,因此如果能充分利用固体废弃物作为筑路材料,既可节约建设资金,也具有重要的社会环境效益.


燃煤固硫灰渣(CFB)是指含硫煤与固硫剂(一般为石灰石)以一定比例混合后在流化床锅炉内经850℃—900℃燃烧固硫后排出的固体废弃物.流化床燃煤固硫技术是继原煤脱硫和烟气脱硫之后发展起来的一种较为经济实用的脱硫技术,由于流化床锅炉具备许多优点,国内外已把发展流化床锅炉作为燃用劣质煤并脱硫降硝,解决大气污染问题的一个重要方向.它是通过改进煤的燃烧状态,在煤燃烧过程中加入一定量的脱硫剂,吸收煤燃烧过程中放出的SO2,生成亚硫酸盐或硫酸盐等固定在灰渣中,并随渣一起排出.但在我国推广应用流化床燃煤固硫技术却面临难题,即如何解决固硫后灰渣处理利用的问题,目前实用的灰渣利用技术还很少.


工业固体废弃物建材资源化利用是近年来研究的热点,并且也是大量消纳废弃物的可行途径,然而,作为土木建设的重要领域———公路,固体废弃物的应用却没有受到重视,还缺乏系统的研究与工程实践,开展燃煤固硫灰渣低强度混凝土路面材料的研究与应用就是这方面的尝试,为低造价农村公路提供参考.


1试验原材料与方法


1.1原材料


(1)燃煤固硫灰渣


采用的流化床燃煤固硫灰渣取自重庆涪陵816电厂,经过分析测试,主要化学组成见表1,物理性质如表2. 

    

(2)电石渣


采用的电石渣取自重庆市长寿区化工厂,经过一次脱水处理.通过分析,测得其含水率为40%,主要化学成分见表3.

(3)水泥


重庆地维水泥厂生产的32.5R普通硅酸盐水泥.


(4)硫酸钠


试验室内采用重庆北碚产化学纯,现场试验路采用四川眉山产工业纯市售元明粉.


(5)砂


试验室内采用细度模数为2.4的中砂,含泥量为0.3%,表观密度为2.68g/cm3.试验路采用当地石屑.


1.2试验方法


(1)力学性能


胶砂试件成型、养护及强度检测等试验均参照JTGE30-2005中T0506-2005水泥胶砂 强度检验方法(ISO法)进行.混凝土成型、养护及强度检测等试验参照JTGE30-2005中T0551-2005和T0553-2005进行.


(2)断裂能


试样尺寸为160mm×40mm×40mm,经标准养护至28d后,用自动切割机在砂浆成型面中心沿高度方向切出深度为10mm、宽为2mm的切口,即切高比c/H=0.25.测试仪器采用美国MTS815岩石伺服力学试验系统,控制加载速度为60N/min,跨高比取为3,获得完整的断裂全曲线数据.


2试验结果与分析


2.1燃煤固硫灰渣的火山灰活性研究


与粉煤灰相比,固硫灰渣也属烧粘土质活性掺合料,化学成分主要为硅、铝、铁的氧化物,其次为钙、镁、硫及未燃碳,差别主要在于成分中含有较多无水石膏和固硫剂残留下来的游离CaO,因此固硫灰渣与水混合后会发生火山灰反应,表现为固硫灰渣可在和水混合几小时后即凝结硬化.


水硬性评定主要依据GB12957-2005《用作水泥混合材料的工业废渣活性试验方法》及文献中介绍的方法制作试饼,试饼在温度(20±3)℃,相对湿度大于90%养护箱内养护7d后,再放入17℃—25℃水中浸水1d,然后观察试饼形状完整与否.如试饼边缘清晰完整,则其具有水硬性,反之则无.结果表明:试验采用的816厂流化床固硫灰渣具有明显的水硬性.


燃煤固硫灰渣的火山灰活性评定方法采用“改进水泥熟料28d抗压强度比法”,即以硅酸盐水泥熟料和二水石膏制备标准胶砂试件作为对比样品,以占总胶凝材料质量30%的固硫灰渣取代标准胶砂试件中的硅酸盐水泥熟料后所制备的试件为试验样品,则试验样品与对比样品的28d抗压强度比即可反映固硫灰渣的活性,比值越高表明固硫灰渣的活性越高.试验结果如表4所示,结果表明:燃煤固硫灰渣是一种具有较强活性的火山灰质材料,有可能作为水泥基材料的矿物掺合料.


2.2碱、硫酸盐激发剂对燃煤固硫灰渣火山灰活性的影响


燃煤固硫灰渣在建筑材料中的资源化利用,其价值主要体现在火山灰活性,也即固硫灰渣的利用主要也是对其活性的利用.但通常情况下,这种反应速率较慢,因此,需要采用多种激发措施,以激发固硫灰渣的化学活性,提高固硫灰渣的反应程度.目前,能够激发火山灰质材料活性的物质主要是碱和硫酸盐.碱的存在是激发火山灰活性材料火山灰效应的物质基础,但在含钙低的火山灰活性材料中仅提高系统的碱度并不产生强度,这是因为虽然材料中的玻璃体结构解体,但却没有形成具有胶凝性的水化产物.由于试验中固硫灰渣的钙含量相对较低,因此采用氢氧化钙作为碱性激发剂.在硫酸盐中,Na2SO4是常用的来源广泛而性价比高的火山灰活性激发剂.


由于电石渣的主要成分是氢氧化钙,与消石灰相似,新生电石渣有效氧化钙成分约在60%左右,并且电石渣作为一种比较难以利用的工业废渣,也需要探索其利用途径,因此考虑采用以电石渣取代石灰作为固硫灰渣的碱性激发剂.在胶砂水胶比0.49、硫酸钠3%的条件下,试验研究电石渣固硫灰渣体系中材料比例的变化对强度发展的影响,固硫灰渣∶电石渣分别采用90∶10、80∶20、70∶30,结果如图1所示. 

 

从上图数据可知,电石渣的掺量对体系的强度发展具有明显的影响,作为钙质材料及碱性激发剂,掺量不宜太低,并具有最佳掺量;当固硫灰渣与电石渣的比例为80∶20时,胶凝体系不同龄期的强度均最高,并且28d抗折强度达到4.07MPa,抗压强度14.7MPa,可作为新型胶凝系统进行应用.与普通水泥相比,尽管固硫灰渣-电石渣-硫酸钠胶凝体系强度较低, 但却具有更高的折压比,因此也可能具有更低的材料脆性,提高路面材料的抗裂性能.


2.3水泥对固硫灰渣胶凝体系早期强度的影响


由于固硫灰渣-电石渣-硫酸钠胶凝体系早期强度偏低,同时水泥作为最常见的胶凝材料,其在水化的过程中可以产生大量Ca(OH)2,这些碱也可以作为激发固硫灰活性的碱性钙质材料.因此,研究通过掺加部分水泥替代电石渣以改善胶凝系统的性能,其中水泥既可作为碱激发剂,同时也是强度组分.在胶砂水胶比0.49的条件下,以固硫灰渣∶水泥为80∶20的胶凝体系作为基准组,变化外掺激发剂Na2SO4的掺量,对比水泥与电石渣的早期激发效果,并探讨作为硫酸盐激发剂的Na2SO4掺量对固硫灰渣胶凝体系的影响.试验结果如图2所示. 

 

结果表明,水泥取代电石渣有助于固硫灰渣胶凝体系早期强度的发展,在固硫灰渣-水泥-硫酸钠为80∶20∶3的胶凝系统中,28d抗折强度达到5.45MPa,抗压强度21.6MPa,分别较固硫灰渣-电石渣-硫酸钠体系增长33.9%和46.9%;固硫灰渣火山灰活性的发挥在早期受硫酸盐激发剂的影响十分显著,在一定范围内随硫酸盐掺量的增大,强度也增大,并且硫酸盐掺量应在1.5%以上效果才更为明显,表现为硫酸钠掺量在3%时,不同龄期的抗折、抗压强度均较掺量1.5%时有显著增长.


2.4固硫灰渣胶凝体系的断裂性能


断裂能GF是描述材料对裂缝扩展阻力大小的参数,定义为裂纹扩展单位面积所消耗的表面能,反映材料裂纹扩展的难易程度,目前已成为表征水泥混凝土断裂性能常用的参数.试验在胶砂比1∶2.5、水灰比为0.54的条件下,对比测试了普通硅酸盐水泥砂浆(PO)与固硫灰渣砂浆(FBCF)的断裂能.


由试验结果可见,在不影响强度的情况下,掺加固硫灰渣的水泥胶凝体系具有更大的变形能力,体现在最大挠度增大了25%以上,断裂能也有显著增长,掺加固硫灰渣的试样FBCF较PO试样增大30.52%,这证实材料的韧性得到改善.固硫灰渣的增韧效应,可能与填充效应和火山灰效应有关,使水化产物更为密实,消除或减少了界面区的原生微裂缝,提高了硬化水泥浆体最薄弱区域的断裂能,并且由于微膨胀性产物的存在,进一步提高了砂浆的综合抗裂能力.


3燃煤固硫灰渣胶凝体系的水化硬化机理


煤燃烧过程中可燃物挥发,燃烧过的无机矿物主要是粘土矿物,而流化床内燃烧温度范围正好处于粘土矿物加热中温活性区内,粘土矿物中的高岭石转变为无定形偏高岭石,水云母、绿泥石、蒙脱石、伊利石等矿物也开始转变成活性状态,这是燃煤灰渣活性的来源.由于偏高岭石为结晶度很差的过渡相,并且在680℃—980℃煅烧温度下火山灰活性最佳,却是固硫灰渣中的Al2O3主要存在形态,这是固硫灰渣具有火山灰效应的主要原因.对固硫灰渣进行X射线衍射分析,结果表明XRD谱线在测试范围内主要呈弥散的馒头状(图3),说明其结构中除石英、赤铁矿及Ⅱ-CaSO4等晶体矿物外,还含有大量结晶程度较差的无定形态物质. 

 

对固硫灰颗粒的微观形貌进行SEM分析研究发现,固硫灰渣颗粒表面粗糙,形状不规则,结构十分疏松(图4),这使水化反应过程中液相较易扩散进入其疏松结构中,而表现出更高的活性.采用红外(IR)分析燃煤灰渣阴离子聚合度(图5),由于硅酸盐矿物的IR谱主要表现为Si-O与Al-O基团的伸缩与弯曲振动,并且Si-O与Al-O基团振动频率随其聚合程度增加而升高,结果表明:固硫灰渣IR谱上最强特征峰对应波数约为1093cm-1,为Si-O对称伸缩振动峰,波数在约800cm-1附近为6配位Al-O伸缩振动峰,与普通粉煤灰相比,这些伸缩振动峰波数均有所降低.

作为燃煤灰渣-石灰-硫酸盐系统,固硫灰渣胶凝系统的水化产物主要仍是C-S-H,AFt.在系统中维持充分的Ca(OH)2则非常重要,因为激发燃煤灰渣活性要不断消耗OH-,Ca2+,SO42-离子,Ca(OH)2和CaSO4的电离平衡不断向电离方向进行,为激发燃煤灰渣活性反应生成C-S-H和AFt等水硬性胶凝材料提供OH-、Ca2+和SO42-离子,使火山灰活性激发反应持续快速进行,这是燃煤灰渣胶凝系统组成的关键问题.


4施工实例


由于高掺量燃煤固硫灰渣胶凝体系早期强度发展慢,对养护要求高,开放交通晚,将其作为高等级路面材料还需深入研究和改善性能,但在农村公路中应用却是完全可能的.为考察燃煤固硫灰渣在路面材料中应用的可行性,实现以燃煤固硫灰渣等固体废弃物代替部分水泥作为胶凝材料制备农村公路混凝土路面,在室内研究的基础上,通过试验路观测燃煤固硫灰渣混凝土的实际路用性能.试验路全长1500m,为两条乡镇水泥混凝土路面之间的连结道路,目前交通量较小.试验路要求在混凝土表面初步有一定强度后及时铺设稻草并洒水进行养护,尤其在外界气温较高的情况下,更要严格保证混凝土表面的湿度,洒水养护的时间不少于14d,并且要求根据强度发展情况决定开放交通的时间.施工现场观测的试验路钻芯取样强度发展情况如表6所示.

 

试验结果表明,利用燃煤固硫灰渣制备的混凝土性能可接近贫水泥混凝土,因此可望将其推广应用于高等级路面基层.采用燃煤固硫灰渣修筑农村公路混凝土路面,通过对试验路使用两年多的追踪观测表明,试验路没有发生结构性破坏,承载能力满足使用要求,考虑到火山灰材料活性的发挥主要影响长期强度,其强度发展在1年以上仍然显著,路面混凝土也由此可能部分抵消温度和荷载的疲劳作用,并且以劈裂抗拉强度推断,该材料也比普通水泥混凝土具有更高的折压比,因此燃煤固硫灰渣混凝土作为低交通量的农村公路路面具有一定可行性,尤其是对于分期修筑的路面而言更具现实意义.

5结论


(1)燃煤固硫灰渣具有明显的水硬性,其火山灰效应十分显著,有可能作为水泥基材料矿物掺合料应用于路面材料;


(2)碱、硫酸盐激发剂对燃煤固硫灰渣活性的发挥依然有效,并且碱性激发剂尤为重要.氢氧化钙是首选的碱性激发剂,其掺量对燃煤固硫灰渣胶凝体系强度的发展影响显著,适宜掺量在20%左右.由于工业固体废弃物电石渣的主要成分也是氢氧化钙,因此可以在燃煤固硫灰渣胶凝系统中得到应用;


(3)为改善燃煤固硫灰渣胶凝体系的早期性能,掺加部分水泥具有良好效果,并且硫酸盐对早期强度的发展影响也非常强烈,其掺量宜大于1.5%;


(4)燃煤固硫灰渣的水化活性与其特殊的表面形貌和内部结构组成有关;


(5)通过试验路验证,将燃煤固硫灰渣混凝土作为低交通量农村公路混凝土路面存在一定的可行性,具有现实的经济社会环境效益,但使用该种材料道路的长期环境影响效益仍有待观测分析.