脫硫灰基土體固化劑對穩定土性能的影響研究

張沈裔，夏月輝，張婷婷，楊利香，錢耀麗（.上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海 0099；.上海建筑科學研究院有限公司，上海 0003）

近幾年，鋼鐵行業二氧化硫（SO2）年排放量近 20 萬 t，居中國工業 SO2排放量的第四位。其中，燒結工序所產生的 SO2占鋼鐵行業總排放量的 60%～90%，控制燒結機 SO2排放已成為鋼鐵企業控制污染的重點。目前燒結機脫硫工藝主要包括濕法、干法和半干法工藝。由于干法脫硫工藝具有工藝簡單、投資低、占地面積小等優點，在燒結煙氣脫硫中應用較廣泛，但該工藝會產生大量的燒結干法脫硫灰。燒結干法脫硫灰是鋼鐵燒結廠煙氣干法脫硫工藝過程中處于懸浮狀態的石灰顆粒與煙氣中的二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）和氧氣（O2）反應生成的固態亞硫酸鈣、硫酸鈣以及殘余的石灰顆粒，與粉煤灰一起由除塵器收集形成的一種干灰。燒結干法脫硫灰成分復雜，主要組成為CaSO3·1/2H2O、CaCO3、Ca(OH)2等，不同來源和不同批次脫硫灰的性質差異較大。目前，大量的燒結煙氣脫硫灰以堆存或外運處置為主，極易對環境造成危害。脫硫灰的資源化利用，既可解決脫硫灰處置、環境污染等問題，又可解決天然資源日趨緊缺的局面，具有顯著的社會效益、經濟效益和環境效益。

本文擬結合燒結干法脫硫灰的理化性能，實現基于資源利用最大化、性能最佳化和經濟成本最優化等設計原則，開發脫硫灰基土體固化劑，研究脫硫灰基土體固化劑對穩定土力學性能、耐久性能的影響，為脫硫灰基土體固化劑的配制與應用提供依據。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：P·O 42.5 水泥；礦粉為 S95 礦粉，其密度為 2.85 g/cm3，比表面積為 441 m2/g。土為黏質低液限黏土，其基本性能見表 1。燒結干法脫硫灰為重鋼脫硫灰1（C-1）、重鋼脫硫灰 2（C-2）、鄂鋼脫硫灰（E-1）。

表1 土的基本性能

1.2 固化劑、穩定土性能測試方法

根據 DG/T J08—2082—2017《GS 土體硬化劑應用技術規程》規定方法測試脫硫灰基土體固化劑流動性、凝結時間、膠砂抗壓強度；根據 JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》測試穩定土的無側限抗壓強度、劈裂強度、抗凍性等。

2 燒結干法脫硫灰的理化性能

2.1 燒結干法脫硫灰的物理性能

C-1、C-2 的 45 μm 篩余為 7%左右，E-1 的 45 μm 篩余為 60% 左右，將燒結干法脫硫灰含水率控制在 1.0% 以內，E-1 采用滾筒式球磨機球磨 5 min。

重鋼脫硫灰微觀結構主要由不規則形狀的顆粒構成，顆粒大小不均勻，脫硫灰顆粒表面光滑，結構疏松；鄂鋼脫硫灰微觀結構為短棒狀與片狀，部分呈不規則的絮狀，表面較為粗糙，如圖 1 所示。

圖1 脫硫灰的 SEM 分析

2.2 燒結干法脫硫灰的化學性能

三批次燒結干法脫硫灰化學組成、物相組成結果如表2、表 3 所示。

表2 脫硫灰中主要元素含量測定結果單位：%

表3 脫硫灰 xrd 定量分析測定結果單位：%

重鋼脫硫灰、鄂鋼脫硫灰均屬高鈣高硫型灰，其 CaO含量為 42.56%～52.67%、SO3含量為 30.55%～42.15%，主要礦物相以 CaCO3、CaSO3·1/2H2O 為主，重鋼脫硫灰 CaSO3·1/2H2O 含量為 46.35%～52.70%，Ca(OH)2含量為 5.14%～5.36%；鄂鋼脫硫灰 CaSO3·1/2H2O 含量為 27.33%，Ca(OH)2、CaCO3含量較高，其含量分別為6.5%、19.82%。

2.3 脫硫灰的強度活性指數

三批次燒結干法脫硫灰強度活性指數測試結果如表 4 所示。

表4 脫硫灰活性指數試驗結果

2.4 脫硫灰的安全性

三批次燒結干法脫硫灰放射性、重金屬含量結果如表5、表 6 所示。

表5 脫硫灰放射性結果

表6 脫硫灰重金屬含量檢測結果單位：mg/kg

三批次燒結干法脫硫灰放射性內外照射指數均低于 GB 6566—2010 《建筑材料放射性核素限量》應用于建筑主體材料的限量要求（IRa≤1.0，Ir≤1.0）；C-1 鎘含量超標610%，摻量應＜14.1%，C-2 鎘含量超標 1362%，摻量應＜6.8%，產品的重金屬含量可符合標準要求。

3 脫硫灰基土體固化劑開發

3.1 脫硫灰基固化劑開發設計原則

從資源利用、經濟成本和性能三方面進行分析，實現綜合效益最大化為開發設計原則。

（1）資源利用最大化。根據每個地區固體廢棄物的實際情況，進行多種固體廢棄物復合配伍，保證當地資源利用最大化。比如礦粉、脫硫灰等材料較多，考慮采用水泥、礦粉、脫硫灰配制脫硫灰基土體固化劑，以期實現資源利用最大化。

（2）性能最優化。在保證了資源利用最大化的原則下，還得根據實際道路工程的性能需求情況，對脫硫灰基土體固化劑進行設計，以保證脫硫灰基土體固化劑的性能最優化。

（3）經濟成本最優化。在保證資源利用最大化和性能最優化原則的基礎上，對水泥、礦粉、脫硫灰的材料成本、運輸成本加以考慮，以便用盡量少的工程造價達到具體工程實際性能的需要。

3.2 脫硫灰基土體固化劑的開發

以礦粉＋水泥=100% 為基礎配方，固定 S95 礦粉摻量分別為 40%、50%、60%、70%，通過 C-2 等量取代水泥，摻量分別為 10%、20%、30%，研究脫硫灰摻量對凝結時間、力學性能的影響。如表 7、表 8 所示。

表7 漿體凝結時間

表8 脫硫灰摻量對力學性能的影響

由表 7、表 8 可知，隨著脫硫灰摻量增加，漿體凝結時間增加，其礦粉摻量≤60%、脫硫灰摻量≤20% 時，漿體凝結時間基本滿足 DG/T J08—2082—2017 要求；7 d、28 d抗壓強度皆滿足 DG/T J08—2082—2017 要求。綜上所述，結合漿體流動性、凝結時間等性能，礦粉摻量宜≤60%，脫硫灰摻量宜≤20%。

4 脫硫灰基固化劑穩定土試驗研究

4.1 無側限抗壓強度研究

根據 JTG E 51—2009 測試穩定土的無側限抗壓強度，其結果如表 9、表 10 所示。

表9 穩定土無側限抗壓強度

表10 穩定土無側限抗壓強度

由表 9 可知，對于黏質低液限黏土 CL 1，水泥穩定土的 7 d 無側限抗壓強度為1.5～2.6 MPa，滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTGT F20—2015）的強度要求（1.0～3.0 MPa）；脫硫灰基土體固化劑穩定土 7 d 無側限抗壓強度為 0.8～1.0 MPa，強度較低，需增加其摻量，以滿足其強度要求。

由表 10 可知，對于黏質低液限黏土 CL 2，水泥穩定土的 7 d 無側限抗壓強度為 1.1～1.2 MPa，脫硫灰基土體固化劑穩定土 7 d 無側限抗壓強度為 0.6～1.1 MPa，土體固化劑配比為：水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為 7% 的固化劑穩定土無側限抗壓強度性能最優；對于黏質低液限黏土 CL 3，摻量為 7% 的脫硫灰基土體固化劑穩定土7 d、28 d無側限抗壓強度為 1.9 MPa、2.8 MPa，較水泥穩定土（摻量5%）分別提高 5%、12%。

4.2 水穩定性研究

本試驗主要研究水泥穩定土（水泥摻量為 5%）、固化劑穩定土（水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為 7%）的水穩定性，試驗結果如表 11 所示。

表11 穩定土劈裂強度試驗結果

由表 11 可知，對于黏質低液限黏土 CL 2，水泥穩定土7 d 強度損失為 17%，固化劑穩定土 7 d 強度無損失；水泥穩定土 28 d 強度損失為 7%，固化劑穩定土 28 d 強度無損失，固化劑穩定土的水穩定性優于水泥穩定土；對于黏質低液限黏土 CL 3，浸水條件下水泥穩定土、固化劑穩定土7 d、28 d 無側限抗壓強度較標準養護增加 0.1～0.3 MPa。

4.3 劈裂強度研究

本試驗主要研究水泥穩定土（水泥摻量為 5%）、固化劑穩定土（水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為 7%）的水穩定性，試驗結果如表 12 所示。

表12 穩定土劈裂強度試驗結果

4.4 抗凍性研究

本試驗主要研究水泥穩定土（水泥摻量為5%）、固化劑穩定土（配比為：水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為7%）的水穩定性，試驗結果如表 13 所示。

表13 穩定土抗凍性試驗結果

4.5 微觀性能與機理研究

通過采用 X 射線衍射和掃描電鏡的測試方法對水泥穩定土（水泥摻量 5%）、脫硫灰基土體固化劑穩定土（水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為 7%）進行微觀分析，探索脫硫灰基土體固化劑對穩定土微觀形貌特征的影響，如圖 2 —5 所示。

圖2 穩定土的XRD測試結果（黏質低液限黏土 CL 2）

圖3 穩定土的 XRD 測試結果（黏質低液限黏土 CL 3）

圖4 穩定土的微觀形貌（黏質低液限黏土 CL 2）

由圖 2～圖 5 可以看出：（1）對于黏質低液限黏土CL 2，水泥穩定土的水化產物主要有：網狀的水化硅酸鈣（CSH）、板狀的硅鋁酸鈉水化產物（Na(AlSi3O8)）、針狀的三硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）與未發生水化反應的石英（SiO2）；脫硫灰基土體固化劑穩定土的水化產物主要有：片狀的二水石膏（CaSO4·2H2O）、板狀的硅鋁酸鈉水化產物（Na(AlSi3O8)），交織交錯，其中夾雜著六方型水化硅酸鈣，融為一體。

圖5 穩定土的微觀形貌（黏質低液限黏土 CL 3）

（2）對于黏質低液限黏土 CL 3，水泥穩定土的水化產物主要有：網狀的水化硅酸鈣（CSH）、板狀的硅鋁酸鈉水化產物（Na(AlSi3O8)）、長柱狀的三硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）與未發生水化反應的石英（SiO2）；脫硫灰基土體固化劑穩定土形成的水化產物主要有：長棒狀和片狀的二水石膏（CaSO4·2H2O）、板狀的硅鋁酸鈉水化產物（Na(AlSi3O8)）、硅鋁酸鈣水化產物（CaAl2Si2O8·4H2O）。

（3）水泥水化產物為 C-S-H、C-A-S-H 凝膠，附著于土顆粒表面。脫硫灰加入黏土中，會引入半水亞硫酸鈣，由于半水亞硫酸鈣的溶解度低，使得脫硫灰與 C3A 和 C4AF 的有效作用時間延長，生成氫氧化鈣和碳酸鈣外，還產生了水鋁鈣石和類水化硫鋁酸鈣物質。水化鋁酸鈣未完全水化而硫酸鹽不足時，則反應生成單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm），水化產物相互交錯搭接形成網狀結構，形成穩定土強度。水泥水化反應產生水化硅酸鈣，膠結黏土顆粒，進一步提高加固土強度。

5 脫硫灰基固化劑穩定土經濟性分析

水泥穩定土的水泥（摻量 5%）成本為 25 元/t，本項目制備的脫硫灰基土體固化劑（摻量 8%）成本為 24 元/t 左右，脫硫灰基土體固化劑（摻量 7%）成本為 24.5 元/t 左右。脫硫灰基土體固化劑，可減少對環境的污染和資源的浪費，符合國家政策導向，具有顯著的環境、經濟效益。

6 結 語

（1）基于脫硫灰理化性能特點，以資源利用最大化、性能最優化、經濟成本最優化為原則，開發土體固化劑，實現脫硫灰綜合效益最大化。試驗表明，脫硫灰宜與水泥、礦粉復配開發土體固化劑，最佳比例為：水泥∶脫硫灰∶礦粉=20%～30%∶10%～30%∶40%～60%。

（2）土體固化劑最優配比為水泥∶脫硫灰∶礦粉=30%∶20%∶50%，摻量為 7%，制備土體固化劑穩定土，對于黏質低液限黏土 CL 2，固化劑穩定土的 7 d 無側限抗壓強度為 1.4 MPa，28 d 無側限抗壓強度為 2.2 MPa，28 d 劈裂強度為 0.25 MPa，28 d 凍融殘留抗壓強度比為61.5%；對于黏質低液限黏土 CL 3，固化劑穩定土的 7 d無側限抗壓強度為 1.9 MPa，28 d 無側限抗壓強度為 2.5 MPa，28 d 劈裂強度為 0.28 MPa，28 d 凍融殘留抗壓強度比為 88.3%。固化劑穩定土性能與水泥（5%）穩定土性能相當。