硅酸盐固废循环流化床脱硫粉煤灰在混凝土中应用的试验研究

邓天明，张凯峰，刘文欢，冯绍航，高泽勇，邹月超

（1. 中建西部建设北方有限公司，陕西　西安　710065；2.西安建筑科技大学，陕西　西安　710055；3. 陕西华电瑶池发电有限公司，陕西　咸阳　713500）

硅酸盐固废循环流化床脱硫粉煤灰在混凝土中应用的试验研究

邓天明1，张凯峰1，刘文欢2，冯绍航2，高泽勇3，邹月超3

（1. 中建西部建设北方有限公司，陕西西安710065；2.西安建筑科技大学，陕西西安710055；3. 陕西华电瑶池发电有限公司，陕西咸阳713500）

循环流化床工艺产生的脱硫粉煤灰因其性能特征没有得到广泛应用，通过堆放或填埋处理既浪费资源又污染环境。通过循环流化床脱硫粉煤灰与普通煤粉炉粉煤灰的对比试验，研究了脱硫粉煤灰对混凝土流动性及强度的影响。结果表明：与煤粉炉粉煤灰相比，脱硫粉煤灰需水量比大，28d 活性指数大。掺脱硫粉煤灰的混凝土初始流动性小，坍落度损失大，7d、28d强度均高于基准试样，C60混凝土7d 强度占28d 强度的88% 左右，表现为早期强度高。

循环流化床（CFBC）；脱硫粉煤灰；流动性；强度

0　前言

我国火电厂的燃煤方式正日渐变化，近年更多的具有高挥发分的褐煤、次烟煤等劣质煤用于火力发电，循环流化床锅炉（CFBC）燃煤技术是我国火电厂目前广泛采用的一种适用于劣质煤或高硫煤的一种较先进的洁净燃煤技术，在设备投资、煤种适应性和脱硫等方面有着明显的优势[1]。

据统计，我国 CFBC 脱硫灰渣年排放量在2000万t左右[2]，随着国家对燃煤 SO2排放控制力度的加强以及我国电力高速发展，更多的 CFBC 电厂将建成投产，这预示着脱硫灰渣的排放量将会高速增长。脱硫 CFBC 的燃烧温度通常控制在900℃左右，远低于煤粉炉1400℃的燃烧温度，因为煤燃烧未达到形成液相形成的温度，脱硫粉煤灰通常呈现疏松多孔状[2]，脱硫时需要加入钙质脱硫剂，脱硫灰中 SO3及 f-CaO含量均较高。目前国内对脱硫灰的研究主要集中在水化特性[3-4]、制备道路材料[5-6]等，对脱硫灰作为掺合料在混凝土中的应用研究较少。本试验研究通过掺脱硫灰及煤粉炉粉煤灰混凝土对比试验分析，讨论脱硫灰对混凝土工作性能及强度的影响，为脱硫灰在混凝土中的应用提供依据。

1　原材料

采用陕西某电厂循环流化床脱硫粉煤灰，选择三批脱硫粉煤灰进行对比试验，选用陕西市场上常用的煤粉炉粉煤灰进行试验。脱硫粉煤灰（代号为 CFBCF）及煤粉炉粉煤灰（代号为 FA）的化学组成采用样品恒重后的荧光分析法，结果如表1所示。

表1　脱硫粉煤灰及煤粉炉粉煤灰化学组成　%

水泥为陕西声威 P·O42.5水泥，物理性能如表2所示。

表2　水泥物理性能

试验用粗骨料为卵石及碎石，卵石为5～31.5mm 连续级配；碎石为5～20mm 连续级配，针片状含量为3%，压碎指标为7%；细骨料为渭河河砂，砂的细度模数为2.5，含泥量为2.6%；外加剂为市售聚羧酸高效减水剂，分为固含量为10% 的低浓减水剂及固含量为20% 的高浓减水剂两种。

2　试验

2.1试样性能试验

参照现行国家标准 GB/T1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》对脱硫灰及粉煤灰进行细度、需水量比、烧失量、活性指数及安定性进行试验。

2.2混凝土试验

试配的思路为：用粉煤灰配制工作性能及强度满足要求的 C30、C60混凝土，确定配合比；用脱硫灰按100% 比例等量取代粉煤灰配制 C30、C60混凝土，检测混凝土拌合物工作性能和强度。

经过配合比优化确定 C30、C60混凝土配合比如表3所示，C30选用低浓减水剂，C60选用高浓减水剂。

表3　混凝土配合比

按照现行国家标准 GB/T50080－2002《普通混凝土拌合物性能试样方法标准》对混凝土拌合物的出机坍落度、扩展度，2h 坍落度、扩展度进行测试，按照现行国家标准 GB/T50081－2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》对硬化混凝土7d、28d 抗压强度进行测试。

3　试验结果及分析

3.1试样性能试验结果及分析

脱硫灰各项指标均满足 Ⅲ 级灰的要求。脱硫灰的细度越大，需水量比越大，表明脱硫灰的粗颗粒越多，减水效果越差。CFBCF2的活性指数最高，由化学成分分析知第二批脱硫灰 SiO2和 Al2O3的含量高于 CFBCF1及 CFBCF3。CFBCF1及 CFBCF3的细度小于粉煤灰，需水量比高于粉煤灰，这是因为脱硫灰的颗粒形貌不规则，多为长条状、片状、楔形，颗粒球形度很差。脱硫灰的安定检测结果合格。具体试验结果如表4所示。

表4　脱硫灰及粉煤灰检测结果

3.2混凝土试验结果及分析

掺脱硫灰的 C30混凝土拌合物出机坍落度及扩展度小于粉煤灰，CFBC2-30出机坍落度及扩展度明显小于其它掺脱硫灰混凝土。与 C30混凝土类似，C60粉煤灰混凝土拌合物出机坍落度及扩展度大于掺脱硫灰的混凝土，CFBCF1-60出机坍落度及扩展度与 CFBCF3-60接近，二者出机坍落度及扩展度明显大于 CFBCF2-60。掺脱硫灰的 C30、C60混凝土拌合物坍落度损失大于粉煤灰混凝土，2h 后坍落度均在140mm以内。具体试验结果如表5所示。

脱硫灰的需水量比均大于105%，较粉煤灰97% 更高，脱硫灰呈疏松多孔状，对减水剂有一定的吸附，降低减水剂的减水作用，在单方用水量及外加剂用量相同的情况下，掺脱硫灰的混凝土拌合物流动性较粉煤灰混凝土更差。脱硫灰的火山灰活性明显高于粉煤灰，且脱硫灰的微观结构有利于其火山灰活性的发挥[4]，掺有脱硫灰的混凝土的水化反应更快，生成的水化产物将减水剂包裹，使减水剂失去分散胶材颗粒的作用，胶材颗粒絮凝增多，从而造成混凝土拌合物流动性损失。掺有脱硫灰的混凝土2h 坍落度损失明显大于粉煤灰混凝土。

掺脱硫灰的 C30、C60混凝土7d、28d 抗压强度均满足设计要求，且均高于粉煤灰混凝土。CFBCF2-30的7d、28d 抗压强度与 FA-30差值分别为3.18MPa、3.41MPa，CFBCF1-30与 CFBCF3-30的7d、28d 抗压强度接近，略高于FA-30。CFBCF2-60的7d、28d 抗压强度与FA-60差值分别为16.12MPa、6.48MPa，CFBCF1-60与 CFBCF3-60的7d、28d抗压强度与 FA-60差值接近，且小于16.12MPa、6.48MPa。掺脱硫灰 C30混凝土与粉煤灰混凝土强度的差值小于 C60混凝土，C60混凝土7d 强度的差值大于28d 强度差值。具体试验结果参见表6。

表5　C30及 C60混凝土拌合物工作性能试验结果

表6　C30及 C60混凝土抗压强度试验结果

脱硫灰的28d 活性指数高于粉煤灰，脱硫灰混凝土28d强度高于粉煤灰混凝土。脱硫灰的火山灰反应活性高于粉煤灰，混凝土中水溶液的 Ca(OH)2含量是发生火山灰反应的必要条件。C60混凝土的水泥用量高，早期反应产生较多的Ca(OH)2，此时脱硫灰的火山灰反应程度高于粉煤灰，脱硫灰混凝土7d 强度较粉煤灰高14MPa 左右，随着水化反应的逐步进行，脱硫灰与粉煤灰火山灰反应程度差距缩小，混凝土28d 强度差值为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，脱硫灰与粉煤灰火山灰反应程度差异不明显，7d 及28d 强度差值接近。

4　结论

（1）脱硫灰的28d 活性指数均在78% 以上，较粉煤灰更高，脱硫灰中 SiO2及 Al2O3含量越高，28d 活性指数越高。

（2）脱硫灰的需水量比均大于107%，细度接近的情况下，脱硫灰的需水量比大于粉煤灰，细度及烧失量满足Ⅱ级灰要求时，需水量比只能满足 Ⅲ 级灰要求。

[1]陈干锦．循环流化床锅炉在我国的发展[J]．锅炉技术，2002,33(7)：1–6．

[2] 钱觉时，郑洪伟，宋远明，等．流化床燃煤固硫灰渣的特性[J]．硅酸盐学报，2008,36(10)：1396-1400．

（3） 在单方用水量及外加剂用量相同的情况下，掺脱硫灰的混凝土初始坍落度比粉煤灰混凝土低50mm 左右，2h坍落度损失比粉煤灰混凝土高50mm 左右。

（4）掺有脱硫灰的 C30混凝土7d、28d 强度分别约为27MPa、42MPa，C60混凝土7d、28d 强度分别约为63MPa、72MPa，均高于粉煤灰混凝土。掺脱硫灰 C60混凝土早期强度增长更快，7d 强度约占28d 强度的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] 宋远明，钱觉时，王智，等．固硫灰渣的微观结构与火山灰反应特性[J]．硅酸盐学报，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．干法烟气脱硫渣在水泥与道路材料中的应用研究[D]．武汉：武汉理工大学[A]，2010．

［通讯地址］陕西省西安市长安区王寺镇西街中建西部建设北方有限公司研发中心（710116）

邓天明（1987—），男，硕士研究生，从事高性能混凝土与绿色建材研究。