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脱硫灰特性及其干粉砂浆试验研究
彭金生1，胡明玉1，丁成平1，胡岳芳1，2，于建华3
（1.南昌大学建筑工程学院，江西南昌330031；2.江西理工大学南昌校区，江西南昌330013；3.清远市中金建材科技有限公司，广东清远511500）
我国SO2 排放量已居世界首位，其中燃煤排放SO2 占其总排放量的90%以上。循环流化床燃烧技术是近年来在国际上发展起来的新一代高效、低污染清洁燃烧技术，我国近几年来也有近千台循环流化床锅炉投入运行或正在制造当中。随着电厂循环硫化床脱硫工艺的广泛应用，电厂脱硫灰量有不断增大的趋势。因此，开展脱硫灰无害化、减量化、资源化研究迫在眉睫。有研究表明[1-4]，脱硫灰含有较多的SO3 和相当数量的游离CaO，它除具有火山灰活性外，还具有较高的自身水硬性，标准稠度用水量明显高于粉煤灰。因此，脱硫灰不能简单用作水泥或混凝土的活性混合材料，必须对不同流化床锅炉排出的脱硫灰进行特性分析，才能合理利用。干粉砂浆因具有质量高、施工方便、安全环保等优点，随着生产水平和建筑品质的提高，干粉砂浆在我国的需求将越来越多，从而会形成巨大的市场[5]。发展以利用工业废料为主要原材料的干粉砂浆是一种趋势[6]，故研究电厂脱硫灰在干粉砂浆中的应用具有实用价值。
1 原材料和技术路线
1.1 原材料
水泥：江西亚东水泥有限公司产42.5 级普通硅酸盐水泥，其物理力学性能、化学成分分别见表1 和表2。
脱硫灰：取自广东清远市某燃煤电厂，采用循环流化床烟气脱硫技术的干排灰，其化学成分见表2。
砂：普通干粉砂浆用砂应符合JGJ 52—92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》的规定，含水率小于0.5%，应选用中砂或者粗砂。本试验用砂为天然河砂，基本物理性能见表3。
激发剂：自配的多组分复合激发剂，主要由硅酸钠和硫铝酸盐组成。
减水剂：采用木钙减水剂，减水率10%，缓凝时间1~3 h，引气率1%~2%。
1.2 技术路线
先对脱硫灰的物理性质、矿物组成及微观结构进行分析，再根据脱硫灰的特性进行干粉砂浆正交试验研究，通过对沉入度及7、28、60 d 抗压强度的极差分析，确定最佳试验方案。
2 脱硫灰特性分析
广东清远市某燃煤电厂脱硫灰的基本物理特性见表4，
SEM 照片见图1，X 射线衍射图谱见图2。
由表2 可知，该脱硫灰的烧失量较高，说明脱硫灰中含有较多的未燃碳。由图1 可知，脱硫灰中含有大量絮状结构，颗粒表面结构比较疏松，且含有大量微小孔隙。含碳量大会导致对水的吸附性增大，加之脱硫灰的内部存在大量絮状及微小孔隙，会导致需水量很大。由表4 可知，该脱硫灰的需水量比达230%。由图2 可以看出，该脱硫灰的X 射线衍射图谱背底大，图谱中只有少数几个较强的衍射峰，说明脱硫灰中以玻璃质物质为主，其中主晶相为石英和硬石膏，因此该脱硫灰应该具有较大的火山灰活性。
表5 为脱硫灰的火山灰活性测试结果。
由表5 可知，在不掺任何激发剂的情况下，脱硫灰的3 d和28 d 抗压强度比分别为85%、90%，可见脱硫灰确实具有较好的火山灰活性。在掺1%自配复合激发剂的情况下，3 d和28 d 抗压强度比均达到95%，说明激发剂起到了进一步激发该脱硫灰火山灰活性的作用。
3 砂浆试验及结果分析
3.1 试验方案及方法
（1）正交试验方案：为了探索水泥用量、水胶比和激发剂掺量对干粉砂浆物理力学性能影响，根据脱硫灰物理化学特性设计了3 因素、3 水平正交试验（见表6）。
表6 3 因素、3 水平正交试验方案
（2）砂浆试块制备方法：按JGJ 70—1990《建筑砂浆基本性能试验方法》进行，胶砂比为1∶3，试件尺寸为70.7 mm×70.7mm×70.7 mm，成型后带模在空气中养护1 d，拆模后放入标准养护室[（20±3）℃、相对湿度95%左右]养护。
（3）物理力学性能测试方法：砂浆的沉入度和抗压强度按JGJ 70—1990 进行测试。
3.2 试验结果与分析
正交试验结果见表7，正交试验结果的极差分析见表8。
由表7 可知，水泥用量为15%时，砂浆28 d 抗压强度大于5 MPa；水泥用量为20%~25%时，砂浆28 d 抗压强度大于10 MPa（L6 除外）。
由表8 可知，水胶比是影响干粉砂浆沉入度的最主要因素，其次是激发剂掺量，最后是水泥用量。
水泥用量是影响干粉砂浆7 d、28 d、60 d 抗压强度的主要因素，其次是水胶比，最后是激发剂掺量（28 d 抗压强度规律有不同，可能为试验误差所致）。理论上，水泥用量越大，胶凝能力越强，水泥水化产生的Ca（OH）2 量也更多。脱硫灰虽然具有较好的火山灰活性，但大量脱硫灰的水化需要一定量Ca（OH）2 才能进行。因此，水泥用量对砂浆强度起的作用最大。水胶比与砂浆强度的关系也符合一般规律，水胶比小，砂浆中孔隙率和缺陷更少，因此强度更高。复合激发剂可以在一定程度上激发脱硫灰的活性。
从表8 还可以看出，砂浆的沉入度随水泥用量和水胶比的增大而增大；随激发剂掺量增大有一定程度减小。水泥用量增大有利于砂浆流动性的原因是脱硫灰的需水量大大高于水泥，水泥用量的增大无疑使脱硫灰的相对用量减少，因而在水胶比一定的情况下砂浆的流动性增大。由极差分析可知，干粉砂浆流动性最好的方案为水泥用量25%、水胶比0.85、激发剂掺量2.0%。
总体上，砂浆的抗压强度随水泥用量增大、水胶比降低而增大。60 d 强度较28 d 增长不大，这说明脱硫灰28 d 时水化已基本完全。由极差分析可知，干粉砂浆抗压强度最好的方案为水泥用量25%、水胶比0.75、激发剂掺量2.5%。
综上所述，在选取干粉砂浆最佳方案时，A 因素应选A3，即水泥用量25%；B 因素，从沉入度方面考虑应选B3，从抗压强度方面考虑应选B1，故采取折中的办法，选B2 为宜，即水胶比为0.80；C 因素，理论上少量激发剂掺入对沉入度不会有太大影响，应以抗压强度为主来考虑，故应选C2，即激发剂掺量2.5%。因此干粉砂浆最佳方案为A3B2C2，即水泥用量为25%，水胶比为0.80，激发剂掺量为2.5%。按水泥用量25%、水胶比0.80、激发剂掺量2.5%进行试验得出：干粉砂浆沉入度为67 mm、7 d、28 d 抗压强度分别为6.36、13.28 MPa，达到M10 等级砌筑和抹面砂浆的要求。
4 结论
（1）脱硫灰中存在大量碳质微粒和絮状玻璃态物质，颗粒表面结构比较疏松，且含有大量微小空隙，具有较大的火山灰活性，掺入激发剂可以提高其火山灰活性，但需水量大、对减水剂吸附性大。
（2）影响砂浆沉入度的顺序为水胶比＞激发剂掺量＞水泥用量；影响砂浆抗压强度的顺序为水泥用量＞水胶比＞激发剂掺量。
（3）干粉砂浆的最佳方案为水泥用量25%、水胶比0.80、激发剂掺量2.5%，该干粉砂浆沉入度为67 mm，7 d、28 d 抗压强度分别为6.36、13.28 MPa，达到M10 等级砌筑和抹面砂浆要求。
