寶鋼燒結(jié)脫硫灰在蒸壓加氣混凝土試點(diǎn)應(yīng)用研究

徐 兵,董慶廣

(1.寶武集團(tuán)環(huán)境資源科技有限公司,上海 201900; 2.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司,上海 201108)

干法和半干法脫硫工藝由于脫硫效率高、工藝流程短、占地面積小、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于我國(guó)電廠煙氣脫硫和鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣脫硫,脫硫劑多采用消石灰或石灰石粉。煙氣脫硫產(chǎn)生的脫硫灰主要組分通常有亞硫酸鈣、碳酸鈣、硫酸鈣、游離氧化鈣、氫氧化鈣等,其特性大大限制了在傳統(tǒng)建材領(lǐng)域的規(guī)模化利用。目前國(guó)內(nèi)主要以礦井回填、砌塊制品、路基材料、土體固結(jié)材料、瀝青填料等利用為主,但只能消納部分脫硫灰,脫硫灰仍有大量堆存。在脫硫灰應(yīng)用于蒸壓加氣混凝土砌塊方面,我國(guó)做了大量應(yīng)用研究。郭幻等[1]研究了燒結(jié)脫硫灰復(fù)摻粉煤灰等制備蒸壓加氣混凝土砌塊的可行性;梁寶瑞等[2]采用脫硫灰作為蒸壓加氣混凝土磚塊中的鈣質(zhì)材料,摻入經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的脫硫灰,磚塊的抗壓強(qiáng)度會(huì)有明顯的提高;蘇清發(fā)等[3]以脫硫灰作為主要原料,通過(guò)配方優(yōu)化設(shè)計(jì)及對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,解決了層裂、龜裂、強(qiáng)度低等技術(shù)瓶頸問(wèn)題;聶聰[4]針對(duì)武鋼燒結(jié)脫硫灰,通過(guò)正交試驗(yàn)得到各種因素對(duì)于蒸養(yǎng)磚強(qiáng)度的影響,蒸養(yǎng)磚在最佳配比時(shí)抗壓強(qiáng)度可達(dá)14.0 MPa。

各單位的脫硫灰即使采用相同的工藝設(shè)備,也會(huì)因煙氣、生產(chǎn)操作等不同而性能各異。為拓展寶鋼燒結(jié)脫硫灰的利用途徑,寶武環(huán)科和上海建科院合作開(kāi)展了寶鋼燒結(jié)脫硫灰在蒸壓加氣混凝土應(yīng)用的研究工作。研究發(fā)現(xiàn)摻入燒結(jié)脫硫灰會(huì)影響加氣混凝土的微觀結(jié)構(gòu),適量燒結(jié)脫硫灰可增加托貝莫來(lái)石結(jié)晶度,提高加氣混凝土強(qiáng)度;過(guò)量燒結(jié)脫硫灰會(huì)使體系內(nèi)堿度增大,使得托貝莫來(lái)石的生成條件和結(jié)晶度較差,是造成加氣混凝土強(qiáng)度降低的原因之一。實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明燒結(jié)脫硫灰摻量為0～30%時(shí),10%為最佳摻量,且抗壓強(qiáng)度和干密度符合 GB/ T 11968—2020中 A3.5 B06 級(jí)合格品的要求[5]。研究還進(jìn)行了0～30%燒結(jié)脫硫灰摻量的蒸壓加氣混凝土耐久性能研究,包括吸水性、抗凍性、抗碳化性、干濕循環(huán)性能和干燥收縮5種性能。基于以上實(shí)驗(yàn)室研究工作,進(jìn)一步選擇江蘇某加氣混凝土制品企業(yè)開(kāi)展燒結(jié)脫硫灰在蒸壓加氣混凝土試點(diǎn)應(yīng)用研究,燒結(jié)脫硫灰摻量控制在≤20%。

1 原材料

寶鋼燒結(jié)脫硫灰物理性能如表1所示,化學(xué)成分見(jiàn)表2。水泥、石灰、粉煤灰、脫硫石膏、砂等由生產(chǎn)企業(yè)提供。

表1 燒結(jié)脫硫灰物理性能Table 1 Physical properties of sintered desulfurization ash

表2 燒結(jié)脫硫灰化學(xué)成分 Table 2 Chemical composition of sintered desulfurization ash 單位:%

2 生產(chǎn)工藝流程

江蘇某加氣混凝土制品企業(yè)生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖1(a)～(h)所示。

圖1 蒸壓加氣混凝土生產(chǎn)流程Fig.1 Production process of autoclaved aerated concrete

試點(diǎn)企業(yè)蒸壓加氣混凝土常規(guī)基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表3,漿體內(nèi)加入的常規(guī)料漿配合比見(jiàn)表4。試點(diǎn)生產(chǎn)時(shí)燒結(jié)脫硫灰經(jīng)稱量、磨細(xì)后打入料漿池,即燒結(jié)脫硫灰取代料漿中的粉煤灰、砂和脫硫石膏等原料。

表3 常規(guī)基準(zhǔn)配合比Table 3 Routine base mix ratio 單位:%

表4 料漿組成Table 4 Slurry composition 單位:%

3 燒結(jié)脫硫灰在蒸壓加氣混凝土試點(diǎn)應(yīng)用研究

3.1 第一階段試點(diǎn)應(yīng)用試驗(yàn)

第一階段試點(diǎn)應(yīng)用試驗(yàn)按照燒結(jié)脫硫灰摻量從低到高逐步提高的方式,分析燒結(jié)脫硫灰摻量對(duì)蒸壓加氣混凝土發(fā)氣、強(qiáng)度、密度等性能的影響,為試點(diǎn)企業(yè)合理使用燒結(jié)脫硫灰生產(chǎn)A3.5 B06 級(jí)產(chǎn)品提供依據(jù)。按試點(diǎn)企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),采用檢測(cè)出釜密度、出釜強(qiáng)度的方式以盡快得到試驗(yàn)數(shù)據(jù),便于指導(dǎo)和調(diào)整后續(xù)試驗(yàn)。

3.1.1 燒結(jié)脫硫灰摻量2%

試點(diǎn)組中燒結(jié)脫硫灰摻量占總干料2%,燒結(jié)脫硫灰磨細(xì)后加入料漿池中,經(jīng)計(jì)算,每立方米蒸壓加氣混凝土制品可消耗約15 kg脫硫灰。生產(chǎn)過(guò)程中,料漿溫度設(shè)定為57 ℃,倒入模車(chē)的2/3高度進(jìn)行發(fā)氣,20～30 min發(fā)氣完全,經(jīng)過(guò)2.2 h可達(dá)到切割強(qiáng)度。與未摻入燒結(jié)脫硫灰的基準(zhǔn)組對(duì)比,加入燒結(jié)脫硫灰的料漿發(fā)氣高度高出2 cm。說(shuō)明加入燒結(jié)脫硫灰后有利于改善料漿的發(fā)氣,主要原因是加入燒結(jié)脫硫灰可提高料漿早期流動(dòng)性。

試點(diǎn)組加氣混凝土出釜密度為870 kg/m3,出釜強(qiáng)度為2.2 MPa;基準(zhǔn)配合比生產(chǎn)的加氣混凝土出釜密度為844 kg/m3,出釜強(qiáng)度為1.7 MPa。摻加2%燒結(jié)脫硫灰的加氣混凝土出釜密度和出釜強(qiáng)度均有所提高,主要是因?yàn)闊Y(jié)脫硫灰的放熱加快料漿硬化的能力要優(yōu)于其減緩料漿稠化的能力。

3.1.2 燒結(jié)脫硫灰摻量7%

本批次基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表5。試點(diǎn)組燒結(jié)脫硫灰占總干料的7%,每立方米制品可消耗約40 kg燒結(jié)脫硫灰。

表5 燒結(jié)脫硫灰摻量7%時(shí)基準(zhǔn)配合比Table 5 Base mix ratios of sintered desulfurization ash content at 7% 單位:kg

燒結(jié)脫硫灰磨細(xì)后加入新料漿,發(fā)氣情況比基準(zhǔn)配合比(未摻燒結(jié)脫硫灰)的要好,說(shuō)明加入7%燒結(jié)脫硫灰后仍有利于料漿的發(fā)氣,經(jīng)過(guò)2.5 h可達(dá)到切割強(qiáng)度。

試點(diǎn)組加氣混凝土出釜密度為900 kg/m3,出釜強(qiáng)度為2.9 MPa;基準(zhǔn)配合比生產(chǎn)的加氣混凝土出釜密度為830 kg/m3,出釜強(qiáng)度為2.3 MPa。可看出摻加7%燒結(jié)脫硫灰的加氣混凝土出釜密度和出釜強(qiáng)度均有所提高,說(shuō)明此時(shí)燒結(jié)脫硫灰的放熱加快料漿硬化的能力仍優(yōu)于其減緩料漿稠化的能力。

3.1.3 燒結(jié)脫硫灰摻量16%

本次基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表6,試點(diǎn)組中燒結(jié)脫硫灰占總干料的16%,每立方米制品可消耗約100 kg燒結(jié)脫硫灰。

表6 燒結(jié)脫硫灰摻量16%時(shí)基準(zhǔn)配合比Table 6 Base mix ratios of sintered desulfurization ash content at 16% 單位:kg

將燒結(jié)脫硫灰磨細(xì)后加入新料漿里,澆筑后發(fā)氣情況良好,見(jiàn)圖2。摻加16%燒結(jié)脫硫灰后仍有利于料漿的發(fā)氣,經(jīng)過(guò)2.6 h可達(dá)到切割強(qiáng)度,滿足生產(chǎn)線要求。

本次試點(diǎn)組加氣混凝土出釜密度為825 kg/m3,出釜強(qiáng)度為2.4 MPa;基準(zhǔn)配合比生產(chǎn)的加氣混凝土出釜密度為860 kg/m3,出釜強(qiáng)度為2.5 MPa。可看出摻加16%燒結(jié)脫硫灰對(duì)加氣混凝土強(qiáng)度和密度無(wú)明顯影響。

隨著燒結(jié)脫硫灰摻量由2%增加到16%,料漿的硬化時(shí)間由2.2 h增加到2.6 h,說(shuō)明燒結(jié)脫硫灰摻量的增加會(huì)延長(zhǎng)料漿的硬化時(shí)間,但仍能滿足試點(diǎn)企業(yè)生產(chǎn)所需的2.5～3 h硬化時(shí)間要求。

圖2 摻加16%燒結(jié)脫硫灰加氣混凝土發(fā)氣情況Fig.2 Gas generation of autoclaved aerated concrete with 16% sintered desulfurization ash

3.2 第二階段試點(diǎn)應(yīng)用試驗(yàn)

基于第一階段試點(diǎn)試驗(yàn)情況及提高燒結(jié)脫硫灰摻量的目的,決定第二階段試點(diǎn)試驗(yàn)燒結(jié)脫硫灰摻量控制在占總干料的15%～20%,安排澆筑兩個(gè)模車(chē)生產(chǎn)A3.5 B06 級(jí)產(chǎn)品;減少料漿的水泥和石灰摻量,略增靜停時(shí)間。試點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

從表7可知,16%、18%摻量的燒結(jié)脫硫灰制備蒸壓加氣混凝土的發(fā)氣時(shí)間、出釜密度和導(dǎo)熱系數(shù)與基準(zhǔn)對(duì)比無(wú)明顯差異,出釜強(qiáng)度還分別提高12%和20%。

表7 蒸壓加氣混凝土性能Table 7 Performance of autoclaved aerated concrete

4 燒結(jié)脫硫灰在蒸壓加氣混凝土中的應(yīng)用機(jī)理

采用X射線衍射儀分析在總干料中不同摻量燒結(jié)脫硫灰對(duì)蒸壓加氣混凝土物相組分的影響。如圖3所示,燒結(jié)脫硫灰加氣混凝土的主要組分為托貝莫來(lái)石、SiO2、C-H-S和CaCO3。對(duì)比0～20%燒結(jié)脫硫灰的托貝莫來(lái)石特征峰,10%燒結(jié)脫硫灰峰值最大,說(shuō)明適量的燒結(jié)脫硫灰會(huì)促進(jìn)托貝莫來(lái)石的形成,從而提升強(qiáng)度;但加入過(guò)多的燒結(jié)脫硫灰不再利于托貝莫來(lái)石的生成,反而會(huì)使得托貝莫來(lái)石的總特征峰值略微下降。

圖4(a)～(c)為0～20%燒結(jié)脫硫灰摻量的加氣混凝土微孔結(jié)構(gòu),10%燒結(jié)脫硫灰加氣混凝土的孔壁較厚,孔結(jié)構(gòu)較小且分布均勻;但20%燒結(jié)脫硫灰加氣混凝土的孔壁變薄,部分孔結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則,同時(shí)出現(xiàn)了連通孔與毛細(xì)孔。圖4(d)～(f)為0～20%燒結(jié)脫硫灰摻量的加氣混凝土SEM圖,托貝莫來(lái)石晶體形狀主要為棒狀和針狀,未摻燒結(jié)脫硫灰的加氣混凝土的托貝莫來(lái)石與結(jié)晶度較差的C-S-H膠結(jié)在一起,形成較緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。摻加10%燒結(jié)脫硫灰后C-S-H和托貝莫來(lái)石的數(shù)量增多,結(jié)晶度有所提高,填補(bǔ)了晶體結(jié)構(gòu)之間的孔隙,從而使得加氣混凝土的強(qiáng)度提高;摻加20%燒結(jié)脫硫灰后會(huì)有明顯的片狀Ca(OH)2團(tuán)簇出現(xiàn),說(shuō)明此時(shí)Ca(OH)2未反應(yīng)完全,從而降低了托貝莫來(lái)石的數(shù)量,可導(dǎo)致加氣混凝土強(qiáng)度的下降。

圖3 不同燒結(jié)脫硫灰摻量的加氣 混凝土XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of autoclaved aerated concrete with different sintered desulfurization ash content

圖4 不同摻量燒結(jié)脫硫灰的加氣混凝土微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstucture of autoclaved aerated concrete with different sintered desulfurization ash content

5 燒結(jié)脫硫灰應(yīng)用經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益分析

據(jù)試點(diǎn)企業(yè)2021年初步測(cè)算,如燒結(jié)脫硫灰按30元/t計(jì),根據(jù)蒸壓加氣混凝土試生產(chǎn)試驗(yàn)取得結(jié)果,按燒結(jié)脫硫灰在總干料中摻量15%計(jì),可節(jié)約生產(chǎn)成本≥10%,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

另一方面,按燒結(jié)脫硫灰在總干料中摻量為15%計(jì)算,每立方米制品消耗燒結(jié)脫硫灰≥80 kg;按一條蒸壓加氣混凝土產(chǎn)線生產(chǎn)能力為30萬(wàn)m3/a計(jì),則可消納燒結(jié)脫硫灰≥24 000 t/a,可實(shí)現(xiàn)部分寶鋼燒結(jié)脫硫灰穩(wěn)定的資源化利用,也可節(jié)約天然砂石資源,具有生態(tài)環(huán)境效益。

6 結(jié)論

(1) 摻入適量的燒結(jié)脫硫灰,可提高蒸壓加氣混凝土發(fā)氣程度,對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的改善作用,力學(xué)性能和切割時(shí)間均滿足試點(diǎn)產(chǎn)線要求。

(2) 相比于空白組(不摻加燒結(jié)脫硫灰),摻入適量燒結(jié)脫硫灰的蒸壓加氣混凝土具有較高含量的托貝莫來(lái)石,且結(jié)晶度有所提升,具有更高的強(qiáng)度。

(3) 摻入15%寶鋼燒結(jié)脫硫灰的蒸壓加氣混凝土可節(jié)約生產(chǎn)成本≥10%,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益;每立方米制品消耗燒結(jié)脫硫灰≥80 kg,可實(shí)現(xiàn)部分寶鋼燒結(jié)脫硫灰穩(wěn)定的資源化利用,也可節(jié)約天然砂石資源,具有生態(tài)環(huán)境效益。