半干法脫硫灰應用于抹灰砂漿力學性能及耐久性研究

董慶廣

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 201100）

0 引言

近年來，可持續發展成為全球關注的問題，隨著我國火電行業的快速發展，截至2017年底，全國已投運火電廠煙氣脫硫機組容量約9.2億kW，占全國火電機組容量的83.6%，占全國煤電機組容量的93.9%。如果考慮具有脫硫作用的循環流化床鍋爐，全國脫硫機組占煤電機組比例接近100%。

隨著脫硫技術的強力推行，脫硫灰的資源化綜合利用已成為建設資源節約型社會的迫切需求。脫硫灰在一定程度上呈現出粉煤灰的特性，在建材應用方面，可代替部分天然資源，解決天然資源緊缺等問題[1-2]。因而使得脫硫灰具有一定的利用價值和廣泛的市場前景。

脫硫副產物按照脫硫工藝的不同，大致可以分為2種：一是由濕法煙氣脫硫工藝產生的脫硫石膏；二是由干法、半干法煙氣脫硫工藝產生的脫硫灰渣[3]。目前，濕法脫硫石膏的資源化應用技術相對成熟，但干法脫硫灰的應用技術難題尚未完全解決。半干法脫硫工藝由于脫硫效率高、工藝流程短、占地面積小、投資省、控制簡單等優點，被廣泛應用于我國中、小型發電機組煙氣脫硫工程，以及部分鋼鐵企業燒結廠煙氣脫硫工程中[4]。

目前針對脫硫灰應用于水泥[5]、緩凝劑[6]、燒結材料[7]、蒸壓加氣混凝土[8]等方面，分別做了相關研究并取得初步成效。砂漿作為建筑工程中大宗建筑材料，其中抹面砂漿占有較大的比重，它兼有保護基層和滿足使用要求的作用。另一方面，半干法燒結脫硫灰應用于抹灰砂漿方向的研究明顯不足，同時由于脫硫灰自身的組成及物理特性不穩定，尚未完全實現資源化利用，部分仍然采用回填、堆存等粗放處理。因此，探究半干法燒結脫硫灰在抹灰砂漿中的應用，對其資源化利用具有重要意義。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：南方P·O42.5，物理力學性能如表1所示；脫硫灰（DA）：中國寶武鋼鐵有限公司，半干法燒結脫硫灰；粉煤灰（FA）：婁城，Ⅱ級，化學組成如表2所示；砂：河砂，細度模數2.4；羥甲基丙基纖維素醚（HPMC）：山東一滕，NDJ黏度為40 Pa·s。

表1 水泥的物理力學性能

表2 原材料化學組分分析 %

由表2可知，半干法燒結脫硫灰與粉煤灰組分相差較大，燒結脫硫灰氧化物組分以CaO、SiO2、SO3和Al2O3為主要成分，含有較多的CaO。粉煤灰中主要成分為SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3。

依據JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》和GB/T 176—2017《水泥化學分析方法》，測得脫硫灰、粉煤灰物理性能如表3所示，其游離氧化鈣和有效氧化鈣含量分別為4.31%和10.46%。半干法燒結脫硫灰的X射線衍射分析（XRD）及SEM照片分別如圖1、圖2所示。

表3 脫硫灰和粉煤灰物理性能

圖1 半干法燒結脫硫灰XRD圖譜

圖2 脫硫灰微觀形貌

由圖1可見，脫硫灰中主要礦物組分為CaCO3、Ca（OH）2和Dellaite[Ca6（SiO4）（Si2O7）（OH）2]。由圖2可知，脫硫灰微觀結構呈不規則的塊狀，并有少量球形顆粒狀的玻璃體分布，該部分粉煤灰可能來源于工廠在收集脫硫灰時，往往采用一定量的粉煤灰疏通管道，因此，有利于改善燒結脫硫灰的反應活性。由于脫硫灰微觀形貌不同于粉煤灰，因此在用于水泥礦物摻合料時，可能會對體系的用水量等有所影響。

1.2 實驗方法

實驗設計砂漿配合比如表4所示，砂漿設計強度等級為M10，A1為空白組，采用半干法燒結脫硫灰分別取代30%、60%、100%的粉煤灰。控制砂漿漿體稠度90~100 mm，經機械攪拌180 s后，測其用水量、保水率和密度等漿體性能。然后浸水養護至7、14、28、56 d等不同水化齡期，測其抗壓、抗折強度等力學性能。通過實驗，確定脫硫灰摻量對水泥砂漿抗壓強度、抗凍性、干燥收縮性能的影響。

表4 砂漿配合比

實驗所涉及的檢測方法均按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》進行。實驗設備采用無錫錫儀建材儀器廠的ISO-679水泥膠砂攪拌機、蘇州東華試驗儀器有限公司的HBY-40B型水泥恒溫恒濕標準養護箱、浙江競遠機械設備有限公司的TYE-300液壓式水泥壓力試驗機等。

2 結果與分析

2.1 脫硫灰摻量對漿體性能的影響（見表5）

表5 脫硫灰摻量對水泥砂漿性能的影響

由表5可見，相同稠度范圍內，相比于空白組，隨著半干法燒結脫硫灰摻量的增加，漿料的密度呈降低趨勢，用水量逐漸減小，表明半干法燒結脫硫灰在料漿初始狀態的水化活性較粉煤灰低，同時，由其微觀形貌可知，其結構整體呈尺寸不均的塊狀，表面無明顯孔洞，因此吸水量低，在相同稠度條件下，漿體用水量減少。從現場攪拌時漿體的狀態觀察可知，摻入半干法燒結脫硫灰的料漿勻質性良好，漿體保水率保持在90%以上，具備較好的保水性能。由于脫硫灰的密度較小，另一方面，砂漿的工作性取決于其配比，漿體體積的增加會提高砂漿的塑性和黏度，脫硫灰能夠改變水泥砂漿的流變行為。

2.2 脫硫灰摻量對砂漿力學性能的影響（見表6）

表6 脫硫灰摻量對砂漿力學性能的影響

由表6可見，隨著養護齡期的延長，水泥水化程度增大，砂漿的抗壓強度逐步提高。同時，相同齡期脫硫灰的摻入降低了抹灰砂漿的抗壓強度，相比于對照組，脫硫灰摻量為30%、60%、100%的28 d抗壓強度分別降低了30.19%、25.65%和31.18%。歸因于脫硫灰中含有一定量的石膏，在水泥水化過程中，水泥中所含的鋁酸三鈣（C3A）與硫酸鈣發生反應生成鈣礬石，包裹在C3A表面，抑制其水化進程，同時，鈣礬石相對不穩定，在水泥石內部產生膨脹應力，進而影響水泥石的抗壓強度。因此，脫硫灰的摻量越多，對砂漿抗壓強度的影響越大。但當燒結半干法脫硫灰取代率達到60%以上時，抹灰砂漿抗壓強度無明顯變化。

隨著脫硫灰摻量的增加，拉伸粘結強度整體呈降低的趨勢，當脫硫灰摻量低于60%時，試樣的拉伸粘結強度滿足GB/T 25181—2019《預拌砂漿》對強度等級大于M5的濕拌抹灰砂漿14 d拉伸粘結強度大于0.20 MPa的要求。

2.3 脫硫灰摻量對砂漿抗凍性的影響

對不同脫硫灰摻量的抹灰砂漿試樣經養護至28 d齡期后，進行25次凍融循環（-15～-20℃，4 h；15～20℃，4 h）試驗，結果如表7所示。

由表7可見，經25次凍融后，試件質量出現不同程度的降低，其中，脫硫灰完全取代粉煤灰的A4試樣質量損失率迅速增大，為0.68%。然而試樣經凍融試驗后，抗壓強度均呈現增長的趨勢，部分原因可能歸因于試件在凍融實驗中，砂漿內水化反應仍然進行，因而強度呈現增長的現象。

表7 25次凍融循環后砂漿質量和抗壓強度的損失率

2.4 脫硫灰摻量對砂漿收縮率的影響

A1~A4試樣在溫度（20±2）℃，相對濕度為（60±5）%環境下分別養護至7、14、21、28、56、90 d的干燥收縮值如圖3所示。

圖3 脫硫灰摻量對砂漿收縮率的影響

由圖3可見，在7~56 d養護齡期內，隨著齡期的延長，試樣的收縮率呈現依次增大的趨勢，其中在7~14 d試樣收縮率增長速度最大，隨著水泥石強度的提高，收縮率增長速率趨緩。在56~90 d內，各組試件的收縮率降低。對比不同摻量脫硫灰的水泥砂漿收縮率可知，粉煤灰摻量為30%、60%、100%時，其28 d干燥收縮率分別為0.092%、0.11%、0.094%，滿足GB/T 25181—2019對濕拌抹灰砂漿收縮率≤0.2%的要求。一方面，由于脫硫灰的活性較粉煤灰小，其早期水化較水泥緩慢，另一方面，脫硫灰在水泥漿體中由于微集料的填充效應填充了孔隙，相應地補償了部分干縮。綜合考慮其性能穩定性，半干法脫硫灰取代粉煤灰不宜超過60%。

2.5 微觀結構

水泥砂漿水化28 d的微觀形貌如圖4所示。

由圖4（a）、（b）可以看出，空白組A1試樣的水化產物分布較為密實，有較為完整的塊狀結構，并有大量的蜂窩狀的C-S-H生成，有利于砂漿宏觀力學性能的提高。脫硫灰完全取代砂漿中的粉煤灰時[見圖4（c）、（d）]水泥石結構較為致密，脫硫灰發揮了集料填充效用。但同時，由于其較低的水化活性，部分片層狀的脫硫灰相分布于水化產物中，進而導致水泥砂漿宏觀力學性能的降低。

圖4 水泥砂漿的微觀形貌

圖5為試樣A1和A4養護28 d經25次凍融循環后的微觀結構。

圖5 試樣A1和A4經25次凍融循環后的微觀結構

由圖5可以看出，經25次凍融循環后，試塊微觀結構仍較為致密，無明顯可見裂紋，表明脫硫灰摻入后，試樣仍保持良好的抗凍性。

3 結論

（1）半干法燒結脫硫灰取代粉煤灰應用于M10抹灰砂漿中，隨其取代率的增加，砂漿的密度減小，抗壓強度和拉伸粘結強度大致呈降低的趨勢。

（2）半干法燒結脫硫灰用于抹灰砂漿，取代其中30%、60%和100%粉煤灰時，其28 d干燥收縮率分別為0.092%、0.11%、0.094%，滿足GB/T 25181—2019對濕拌抹灰砂漿收縮率≤0.2%的要求。綜合考慮其性能穩定性，半干法脫硫灰取代粉煤灰不宜超過60%。

（3）通過掃描電鏡觀察砂漿水化產物的微觀結構可知，存在于水泥砂漿中的脫硫灰具有較低的反應活性，較多未水化的脫硫灰顆粒分布于水化產物中，進而導致砂漿強度發展緩慢，同時由于石膏相的存在，對水泥砂漿具有一定的緩凝作用。