（环境工程专业论文）固硫灰渣制备路基材料的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生毕业论文第l 页 摘要 固硫灰渣是循环流化床燃烧技术( c f b c ) 所排放的废物，目前全国每年 的排放量已达到1 5 亿吨左右。由于固硫灰渣含有较多的s 0 3 ( s 0 3 一般为 5 1 5 ，最高可达2 0 左右) 和相当数量的f - c a o ，水化后易产生膨胀，直接 应用于建筑材料时可能导致试件开裂，从而不能简单作水泥或混凝土生产中 的活性混合材料使用，所以利用率不到5 0 ，大量堆积占用土地，污染环境。 流化床燃煤固硫灰渣具有一定的火山灰活性和自硬性，可以大量应用在交通 工程的回填、路堤和路基中。本文拟利用固硫灰渣制备路面基层材料，减少天然 原料的消耗，为道路行业开发新的资源，为固硫灰渣的应用提供新的途径。 本文研究了固硫灰渣的基本性质，探讨了固硫灰渣及固硫灰渣路面基层材料 的体积稳定性。利用固硫灰渣自硬性、粉煤灰的火山灰活性和微集料效应，设计 了粉煤灰固硫灰( 固硫渣) 、水泥粉煤灰固硫灰( 固硫渣) 、粉煤灰( 水泥) 固硫灰 集料、粉煤灰固硫渣复合集料、水泥粉煤灰固硫渣复合集料等路面基层材料， 并对其水化和强度形成机理进行了研究：同时，评价了几种路面基层材料的经济 效益。 研究发现，在固硫灰渣中加入粉煤灰，能显著改善固硫灰渣路面基层材料的 体积稳定性能。利用水泥、粉煤灰等无机结合料稳定固硫灰渣作为路面基层材料 效果良好。粉煤灰稳定固硫灰渣路面基层材料可以避免使用石灰胶结料，其力学 性能比传统的石灰粉煤灰稳定类基层材料高。将固硫渣与碎石组成粒径分布达到 符合道路规范要求中值的复合集料，能显著提高基层混合料的强度以及体积稳定 性能，利用粉煤灰稳定固硫渣复合集料强度满足道路规范要求。将固硫灰渣类路 面基层材料与常规路面基层材料进行对比，发现前者具有更好的力学性能优势。 通过对固硫灰渣路面基层材料的强度形成机理进行研究，发现固硫灰渣能显著改 善混合料的水化物组成，增加结合料的胶凝性，对基层材料的强度增长有利。 关键词：固硫灰渣 路面基层 体积安定性配合比强度形成机理 西南科技大学硕士研究生毕业论文第l i 页 a b s t r a o t c f b ca s h e sa r et h ew a s t ed i s p o s a lo f c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n t e c h n o l o g y ( c f b cf o rs h o r t ) ，a n dt h ee m i s s i o n sh a v er e a c h e d15 0m i l l i o nt o n so r s op e ry e a ra c r o s st h ec o u n t r y t h ec f b ca s h e sa r ee a s i l yh y d r a t i o ns w e l l e da n d c r a c k e dw h e nt h e ya r ed i r e c t l yu s e di nb u i l d i n gm a t e r i a l s ，b e c a u s eh i g hc o n t a i n s o fs 0 3 ( s 0 3i sg e n e r a l l y5 - 1 5 ，u pt o2 0 ) ，a n dac o n s i d e r a b l en u m b e ro ff - c a o ， w h i c hc a nn o tb es i m p l yu s e df o rm a k i n gc e m e n to rc o n c r e t em i xm a t e r i a l si nt h e a c t i v i t y t h eu t i l i z a t i o ni sl e s st h a n5 0 a n dl e a dt oal a r g eo c c u p a t i o no fl a n d a n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n c f b ca s h e sa n ds l a gh a v ec e r t a i nv o l c a n i ca c t i v i t y a n ds e l f - h a r d e n i n g p r o p e r t y , c a nl a r g e s c a l ea p p l i c a t i o no ft r a f f i ce n g i n e e r i n g b a c k f i l l ，e m b a n k m e n ta n dr o a d b e d t h i sa r t i c l es t u d i e su s i n gc f b ca s h e sa n d s l a ga sr o a db a s em a t e r i a l ，r e d u c et h ec o n s u m p t i o no fn a t u r a li n g r e d i e n t sf o rr o a d i n d u s t r y , d e v e l o p m e n to fn e wr e s o u r c ef o rs o l i ds u l f u ra n da s ha p p l i c a t i o n p r o v i d e sa n e ww a y i nt h i sp a p e r , c f b ca s h e sa n ds l a gw e r eu s e da sr o a db a s em a t e r i a l s ，a n dt h e p r o p e r t i e s a n dv o l u m es t a b i l i z a t i o nh a v ea l s ob e e ns t u d i e d s o m er o a d b a s e m a t e r i a l ss u c ha sf l ya s h c f b ca s h ( f a c af o rs h o r t ) ，f l y a s h c f b cs l a g ( f a - c s f o rs h o r t ) ，c e m e n t - f l ya s h c f b ca s h ( c - f a c af o rs h o r t ) ，c e m e n t f l ya s h c f b c s l a g ( c f a c s f o r s h o r t ) ，f l ya s h c f b ca s h - a g g r e g a t e ( f a c a af o rs h o r t ) ， c e m e n t - c f b ca s h - a g g r e g a t e ( f a - c s - a f o r s h o r t ) ，f l y a s h c f b cs l a g - a g g r e g a t e ( f a c s - af o rs h o r t ) c e m e n t f l ya s h - c f b cs l a g a g g r e g a t e ( c - f a - c s - af o rs h o r t ) w e r ep r e p a r e d ，a n dh y d r a t e dm e c h a n i s ma n dt h ei n t e n s i t yf o r m i n gm e c h a n i s m h a v eb e e ns t u d i e d m e a n w h i l e ，e c o n o m i cb e n e f i t so ft h e s em a t e r i a l sw e r e e v a l u a t e d i tc a nb eo b s e r v e dt h a tt h es t a b i l i z a t i o no ft h ec f b ca s h e sa n ds l a gr o a d b a s em a t e r i a l sh a v eb e e ni m p r o v e db ya d d i n gf at ot h em i x t u r e t h ee f f e c ti s g o o dw h e nu s i n gc e m e n ta n df l ya s hs t a b i l i z et h ec f b ca s h e sa n ds l a g f l y a s h s t a b i l i z e dc f b ca s h e sa n ds l a gr o a db a s em a t e r i a l sc a nb ea v o i d e du s i n gl i m e c e m e n t i n gm a t e r i a l ，i t sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eh i g h e rt h a nt r a d i t i o n a ll i m e f l y a s h s t a b i l i z e dr o a db a s em a t e r i a l s i tc a ni m p r o v et h es t r e n g t ha n d 西南科技大学硕士研究生毕业论文第1ii 页 s t a b i l i z a t i o nw h e nc o m p o u n dt h ec f b cs l a ga n dc r u s h e ds t o n e st ob e c o m et h e c o m p l e xa g g r e g a t e c o n t r a s tt h ec f b c a s ha n ds l a gr o a db a s em a t e r i a la n dt h e c o n v e n t i o n a lr o a db a s em a t e d a l ，i tw a ss h o w e dt h a tt h ef o r m e rh a st h eb e t t e r m e c h a n i cp e r f o r m a n c e t h es t r e n g t hr e f o r m i n gm e c h a n i ci sa l s os t u d i e d ，i tw a s s h o w e dt h a tt h ec f b cs l a gc a ni m p r o v et h ec o m p o n e n to ft h eh y d r a t e ，i n c r e a s e t h ec o a g u l a t i o n ，i ti sv e r yu s e f u lt o i n c r e a s et h es t r e n g t ho ft h er o a db a s e m a t e r i a 】s k e yw o r d s ：c f b ca s ha n ds l a g ；r o a db a s em a t e r i a l ；s t a b i l i z a t i o n ；m a t r i x ；s t r e n g t h r e f o r m i n gm e c h a n i c 本论文得到 “十一五国家科技支撑计划子课题( 2 0 0 6 b a f 0 2 a 2 4 ) 资助 特此鸣谢 西南科技大学环境与资源学院 2 0 11 年6 月12 日 西南科技大学硕士研究生毕业论文第1 页 1 绪论 1 1 固硫灰渣的排放及污染 1 1 1 固硫灰渣的产生 循环流化床( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n 简称c f b c ) 是一种较为成 熟的清洁燃煤技术，能有效控制燃煤过程中s 0 2 和n o x 的排放【卜引。固硫灰渣是煤 在流化床燃煤锅炉中燃烧后产生的灰渣，包括烟道收集到的固硫灰和炉底排出的 固硫渣。因为需要固硫，流化床燃煤固硫的燃烧温度通常控制在9 0 0 c 左右，远低 于煤粉炉的1 4 0 0 。c 燃烧温度，因此固硫灰渣含有较高的f - c a o 和i i c a s 0 4 一j 。此 外，固硫时还需要加入大量钙质固硫剂( 石灰石) ，因此与普通粉煤灰渣相比同 等燃煤量情况下固硫灰渣量要增大5 0 以上，其年排放量达1 5 亿吨左右【l o 。1 2 】。 图1 1 为循环流化床锅炉工艺流程卧j 。 图1 - 1循环流化床锅炉工艺流程图 f i g 卜1 s h e m a t i cd i a g r a mo fc f b cb o i e r l ，燃料仓；2 、燃料破碎机；3 、石灰石仓；4 、水冷壁；5 、布风板地下的空气入口；6 、旋 风分离器；7 、锅炉尾部烟道；8 、外置式换热器的被加热工质入口；9 、除尘器；l o 、烟道； 1 l 、排渣管；1 2 、省煤器；1 3 、过热器 西南科技大学硕士研究生毕业论文第2 页 1 1 2 固硫灰渣的排放及污染 流化床燃煤固硫技术是通过改进煤的燃烧状态，在煤燃烧过程中加入一定量 的脱硫剂，吸收煤燃烧过程中放出的s 0 2 ，生成亚硫酸盐或硫酸盐等固定在灰渣中， 并随灰渣排出，与固硫相关的化学反应主要有三个，即石灰石煅烧分解、煤中硫 化物氧化、氧化钙吸收s 0 2 ，可以表达如下式所示： c a c 0 3 一c a o + c 0 2 t 硫化物叶s 0 2 c a o + s 0 2 + 1 2 0 2 - - * c a s 0 4 图1 - 2 流化床锅炉中的燃煤固硫过程。由于流化床锅炉具备许多优点，国内外 已把发展流化床锅炉作为燃用劣质煤并脱硫降硝、解决大气污染问题的一个重要 方向【1 4 。5 1 。但该技术推广有一定的难度，其中最重要的原因之一就是脱硫后的灰 渣还没有成熟的处理方法，必须花大价钱买地修堆场，还要支付昂贵的污染费， 灰渣的利用也只是消极地堆放，谈不上资源化利用。有资料表明一台装机总量为 3 0 万k w 的流化床锅炉每年产生的固煤灰渣量大约为8 0 万吨，如此大的量， 如果不对这些脱硫灰渣进行综合处理和利用，必将对环境造成第二次污染，也必 将是制约流化床燃煤固硫技术的推广应用【1 6 。 新蛘石获石 c 0 2 透过孔骧辑嫩 s o ，辫i 筮吸 收躬袭西 丹裘蔺的藏藏盐纯 图1 - 2流化床锅炉中的燃煤固硫过程 f i g 1 2 d e s u i p h u r i z a t i o r tp r o c e s s i nf b cb o ii e r 1 2 路面基层材料的发展现状 路面基层材料是路面结构组合中的重要层位，其主要承受由面层传来的车辆 荷载的垂直力，并扩散到下面的垫层和土基中去f 1 7 1 。路面基层材料包括刚性、半 刚性、柔性三种；我国基层材料使用最广泛的是半刚性基层材料，约占9 0 。一 般而言，公路路面的基层必须具备以下六个技术要求【1 8 - 2 2 ： 西南科技大学硕士研究生毕业论文第3 页 ( 1 ) 强度和刚度； ( 2 ) 水稳性和冰冻稳定性； ( 3 ) 抗冲刷能力； ( 4 ) 比较小的收缩量； ( 5 ) 平整度； ， ( 6 ) 与面层结合良好。 路面基层材料铺设量大，对各类原料( 土石料和水泥石灰等) 的消耗量巨大， 直以来人们都在探讨利用工业固体废弃物作路面基层，以达到降低材料用量和 缓解固体废弃物污染的目的，美国在4 0 年代已利用石灰粉煤灰修筑路面基层【2 3 2 4 】。 我国利用石灰粉煤灰路面基层材料起步于6 0 年代2 5 2 6 1 ，目前应用最为广泛的工业 废渣类路面基层材料是石灰粉煤灰类基层材料( 通常称为二灰) 。二灰类基层材料 技术成熟，已经走向规模化，并被写入交通部一系列的技术规范中【2 7 之8 1 。 1 3 固硫灰渣路基材料研究现状 美国：脱硫废渣( 6 0 5 ) + 石灰( o 2 ) + 骨料( 4 0 - - , 8 0 ) 一加入适量 水搅拌一路基，按d 1 6 3 3 6 3 方法测得其圆柱体抗压强度为：7 3 下( 约2 3 ) 下养 护2 8 天时达1 5 0 0 2 7 0 0 p a ，1 0 0 。f ( 约3 4 ) 下养护2 8 天达2 0 0 0 4 0 0 0 p a 。同时， 进行了冻融试验，试验结果表明含硫废渣冻融性能良好。于1 9 7 8 年1 0 月使用了 三个配合比约1 6 0 吨路基材料( 含有由两个常压沸腾炉排放的残渣) ，铺设了厚 1 5 2 4 4 m m 、长5 7 9 m 的双线公路，基层材料铺设数周期后，由于共中一个配合比 出现线性膨胀造成体积安定性不良，因而终止了这项试验。在找到消除体积安定 性不良的预处理方法后，于1 9 8 0 1 9 8 1 年间又进行了试验研究，并用于国家高速 公路工程的设计中【驯。 日本：将流化床锅炉排出的底灰( 粒径为数百微米) 和飞灰( 粒径为数十微 米) 按排出比例同时收集，以保证排出量及其混合比例均匀，然后输送至原料仓。 原料经计量器计量后送入搅拌机，加适量水调至能独立成型和凝结的程度，用加 压振动式成型机做成3 0 0 m m x 2 8 0 m m x l o o m m 的长方体放入养生室，先在常温下养 生6 小时，然后在6 0 c 用蒸汽养生1 2 小时，最后采用一次破碎机和二次破碎机破 碎至具有所需的尺寸级配，抗压强度1 0 2 4 m p a ，标准偏差1 4 9 m p a t 刈。 国内：谌军将脱硫灰( 1 0 3 0 ) + 石灰( 3 1 0 ) + 土壤( 6 0 9 0 ) 一 加入适量水混匀一路基，7 天标准养护无侧限抗压强度2 0 0 5 0 0 k p a 【3 1 】。王智将固 西南科技大学硕士研究生毕业论文第4 页 硫渣用于道路基层材料的研究，将大于5 m m 粒径的部分视为集料；小于0 0 1 6 m m 粒径的部分占视为胶凝材料；而中间粒径部分则可视为砂砾。参照粉煤灰石灰砂 砾悬浮密实型混合料配合比，实验设计了四组燃煤固硫渣内路基混合料配比，结 果表明，试件能满足甚至超过道路基材所需力学性能，有的配比强度指标远远超 过了高速路要求，有的配比甚至可以达到m u l 0 等级砖对强度的要求【3 2 1 。清华大 学万百千等人究了用固硫渣复掺碱激发剂制作土壤固化剂的可行性。结果表明， 当固硫渣掺量为1 0 ，碱激发剂掺量为5 时，试件7 天抗压强度达到2 5 4 m p a ， 满足规范要求；碱激发剂掺量为5 ，固硫渣掺量控制在5 0 以内时，随着固硫渣 掺量增加，固化土样无侧限抗压强度提高p 引。 1 4 本课题的研究内容、目的与意义 1 4 1 研究内容及目的 本研究拟利用固硫灰渣制备符合道路规范要求、制作方法简单、费用低的路 面基层材料。研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 固硫灰渣物理化学性能及对路面基层材料性能的影响； ( 2 ) 掺固硫灰渣路面基层材料制备及质量控制； ( 3 ) 掺固硫灰渣路面基层材料的力学性能及应用。 1 4 2 研究意义 我国目前公路建设广泛采用的是水泥稳定类和石灰粉煤灰( 二灰) 稳定类的 半刚性路面基层材料，这种传统的路面基层材料对资源和能源的消耗很大，性能 还有待进一步改善，传统的路面基层材料己不能较好地适应当前社会的可持续发 展，也不遵循可持续发展对大宗材料的发展要求【3 4 。3 5 1 。固硫灰渣做路面基层材料 时，一般免费，运来可用，因而固硫灰渣路面基层材料与普通水泥稳定碎石基层 材料相比，可节约材料费用2 0 一3 0 ，经济效益显著。利用固硫灰渣制各路面基层 材料，一方面由于路面基层材料用量大，可以解决因固硫灰渣堆放而占用大量土 地的问题；另一方面，利用固硫灰渣制备路面基层，可以减少天然土、石料的开 采以及水泥、石灰的用量，从而减少环境的破坏，同时也减少水泥、石灰生产过 程中c 0 2 、n o x 、s 0 2 等废气和粉尘的排放量，达到节能减排的目的。 西南科技大学硕士研究生毕业论文第5 页 1 5 研究思路与技术路线 1 5 1 研究思路 已有大量研究表明【3 6 3 9 】，固硫灰渣含有大量的活性s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，此外还含 有一定量的f - c a o 和i i c a s 0 4 ，具有良好的自硬性和火山灰活性，加水后生成 c s h 和c a h 凝胶，硬石膏溶解后又可进一步与c a h 反应生成钙矾石提高体 系的强度，同时，硬化浆体中的二水石膏也对强度有一定贡献【4 叽4 1 1 ，前期强度 发展快而且高。因此，本研究采用固硫灰渣替代石灰以及粉煤灰制备路面基层材 料，以发挥其胶凝特性，变废为宝。 由于固硫灰渣具有膨胀性能，遇水易开裂，限制了固硫灰渣在建筑材料方面 的应用，然而道路基层材料正需要膨胀组分这一微膨胀性能来弥补传统路面基层 材料因干缩导致路面开裂的缺陷。固硫灰渣的缺点，正好作为路面基层材料的优 点。 1 5 2 技术路线 西南科技大学硕士研究生毕业论文第6 页 2 原材料、设备及实验方法 2 1 原材料及性能 ( 1 ) 粉煤灰 试验用粉煤灰( f a ) 来源于四川江油巴蜀热电厂干排粉煤灰，并经实验室球 磨机粉磨至一定细度，主要化学成份见表2 - 1 。 表2 - 1粉煤灰的化学组成 t a b 2 - 1t h e m i c a ic o m p o s i t i 0 1 3 1 5o ff a 项目s i 0 2f e 2 0 3a 1 2 0 3t i 0 2 c a om g os 0 3n a 2 0k 2 0f - c a ol o s s f a5 0 2 1 8 2 82 0 2 00 7 82 0 3 1 2 10 6 l3 1 02 3 2 - 1 1 2 0 ( 2 ) 水泥 采用绵阳金大地水泥厂e c 3 2 5 r 复合硅酸盐水泥，其基本性能见表2 2 表2 - 2水泥的物理性能指标 t a b 2 2 c e m e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e s 凝结时间( h ：m m ) 抗压强度( m p a )抗折强度( m p a ) 初凝 终凝 3 d2 8 d3 d 2 8 d 2 ：5 55 ：5 01 8 5 3 8 5 63 87 6 ( 3 ) 石料 采用绵阳龙门碎石、瓜米及机制砂，级配见表2 - 3 所示。 表2 - 3集料颗粒组成 t a b 2 3 t h ec o m p o $ i t i o no fa g g r e g a t ep a r t i c i e s 集料 筛孔尺寸( r a m ) 品种3 7 5 3 1 51 99 54 7 52 3 6 1 1 80 60 0 7 5 龙门碎石1 0 0 1 0 07 1 36 51 3 0 5 -。 龙门瓜米 1 0 01 0 01 0 0 7 8 61 5 43 21 3 机制砂 1 0 01 0 01 0 0 1 0 09 9 19 1 77 1 55 3 3 7 1 西南科技大学硕士研究生毕业论文第7 页 ( 4 ) 固硫灰( f b c f ) 来自某循环流化床燃煤电厂，主要化学成份见表2 - 4 。 表2 - 4固硫灰的化学组成 t a b 2 - 4c h e m ic a ic o m p o s i t i o n so ff b c f ( 5 ) 固硫渣( f b c s ) 来自某循环流化床燃煤电厂，主要化学成分见表2 - 5 。 表2 - 5固硫渣的化学组成 t a b 2 - 5o h e m i c a ic o m p o si t i o n so ff b c s 2 2 主要试验仪器及设备 试验所用主要设备列于表2 - 6 。 表2 - 6仪器及设备 t a b 2 - 6a p p a r a t u sa n de x p e r im e n t ai e q u ip m e n t s 仪器设备名称 型号生产厂家备注 x 射线粉晶衍射仪 电子天平 电子扫描仪 扫描电子显微镜 水泥净浆搅拌机 激光粒度分析仪 d m a x i i i a j j 2 0 0 0 t m 1 0 0 0 $ 4 4 0 n j 1 6 0 a m a s t e r s i z e r2 0 0 0 日本理学电机公司 常熟双杰仪器厂 日本东芝 美国莱卡公司 无锡建材仪器厂 英国马尔文仪器 有限公司 物相分析 称量 微观结构观察 形貌及能谱分析 净浆试样搅拌 比表面积测试 凝结时间测定仪 b m 8 8 6 。 上海试验仪器厂凝结时间测定 混凝土标准养护箱h b y - 4 0 b 无锡华南试验仪器厂 试块养护 微机控制电子试验机 c m t s l 0 5深圳新三思材料公司 试样强度测试 电热鼓风干燥箱 1 0 1 长沙试验电炉厂 试样干燥 玛瑙钵、锥形瓶、烧杯、量筒、容量瓶、表面皿、坩埚、玻璃棒等 西南科技大学硕士研究生毕业论文第8 页 2 3 实验方法 ( 1 ) 粒径分布 采用英国马尔文仪器有限公司生产的m a s t e r s i z e r 2 0 0 0 型激光粒度分析仪对固 硫灰粒度进行测试。 ( 2 ) 粒度分析试验 本试验方法适用于对原材料进行筛分，对固硫渣粒度进行测试。具体试验操 作按照中华人民共和国行业标准公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 进行。 ( 3 ) 材料微观结构及物相分析 固硫灰及粉煤灰的颗粒微观形貌采用t m 一1 0 0 0 型s e m 扫描电镜测试，固硫灰 水化产物形貌及能谱分析选择$ 4 4 0 型立体扫描电子显微镜测试。物相分析，采用 d m a x - i i - i a 型x 光衍射仪，操作条件：电压，3 5 k v ；电流，6 0 m a ；c u k0 ，步宽= 0 0 2 ， 波长= 0 1 5 4 0 6 n m 。 ( 4 ) 标准击实试验 本试验方法适用于在重型击实筒内，对无机结合料稳定类混合料进行击实 试验，以绘制混合料的含水量与干密度关系曲线，从而确定其最佳含水量和最 大干密度。具体试验操作按照中华人民共和国行业标准公路工程无机结合料 稳定材料试验规程( j t ge 5 1 2 0 0 9 ) 进行。 ( 5 ) 膨胀性实验 按照承载比( c a l i f o r n i ab e a r i n gr a t i o ，c b rf o rs h o r t ) 试件方法，用基层重型 击实的方法压实到最大密度，将混合料试样在内径1 5 2 m m 、高1 7 0 m m 的金属筒内 制成中1 5 2 m m ，高1 2 0 m m 的试件。将装有试件的试筒放入试槽( 养护水箱内的水 预先加热到7 0 士4 ，然后保持恒温) ，在试件顶部安置百分表；放入水槽并使水 面保持在试件顶面以上约2 5 m m ，泡水至少7 昼夜，以每天记录的百分表读数反映 试件在浸水状况下的变形【4 2 1 。 ( 6 ) 基层材料常规力学性能实验 按公路工程无机结合料稳定材料试验规程( j t ge 5 1 2 0 0 9 ) 进行常规实验， 击实试验见上述规范t 0 8 0 4 1 9 9 4 ，无侧限抗压强度试验见上述规范t 0 8 0 5 - 1 9 9 4 ， 劈裂抗拉强度实验见上述规范t 0 8 0 6 1 9 9 4 ，回弹模量实验见上述规范 t 0 8 0 8 】9 9 4 1 4 3 1 。 西南科技大学硕士研究生毕业论文第9 页 3 固硫灰渣基本性能 固硫灰渣的特性主要取决于原煤煤种、燃烧温度、燃烧环境、燃烧程度、脱 硫效率及排渣方式等诸多因素【4 4 - 4 9 1 。本章着重研究了固硫灰渣的基本性能。 3 1 粒径细度分析 表3 1 是固硫灰粒径特征值，图3 1 是固硫灰粒径区间分布图。从试验结果可 以看出，固硫灰的颗粒分布主要在1 0 - - - 5 0 1 上m 之间。 表3 - 1固硫灰粒径特征值 t a b 3 1 p a r ticiesiz edis t rib u tio no ff b c f f b c f 编号d ( 0 1 ) p m d ( o 5 ) i p md ( o 9 ) l 上m f b c f l f b c f 2 f b c f 3 1 7 0 6 7 3 2 4 0 9 2 4 4 3 4 3 9 2 5 2 0 5 l 2 4 8 9 5 7 8 4 f b c f 4 4 3 0 2 2 7 69 8 2 4 7 6 5 主4 墓s 鬈z 堆1 o 1 颗粒尺寸( i i 皿) 图3 - 1 固硫灰粒径区间分布图 fig 3 - 1 in t e r v ai p a r ticiesiz ed is t rib u tio no fc f b ca s h 西南科技大学硕士研究生毕业论文第10 页 固硫渣筛分试验结果见表3 2 。从固硫渣的粒度分析可知其大于4 7 5 m m 粒径 的部分占1 9 9 0 o 2 3 2 ；0 6 3 m m - 4 7 5 m m 粒径的部分占2 5 2 v 3 4 5 ；小于0 6 3 m m 粒径的部分占4 2 4 0 4 5 6 。 表3 - 2固硫渣筛分分析结果 t a b 3 - 2 f b c ss c r e e n i n ga n a i y s i sr e s u i t s 3 2 颗粒形貌 图3 2 是固硫灰微观形貌图，图3 3 是粉煤灰的微观形貌图。从固硫灰与粉煤 灰的扫描电镜照片可以看出，固硫灰主要由不规则颗粒和渣屑状细小颗粒组成， 表面有裂纹且疏松多孔；粉煤灰结构致密，主要由形状规则的球形颗粒组成【4 9 】。 造成固硫灰和粉煤灰表面形貌差异较大的主要原因是二者的形成温度不同【5 0 】。粉 煤灰的生成在1 4 0 0 以上，可以生成液相矿物，因此冷却后可以形成大量结构致 密的玻璃微珠，而固硫灰的生成温度在8 5 0 - 9 0 0 ，这个温度难以生成液相矿物 所以冷却后的固硫灰颗粒不会出现较强的致密化，从而造成固硫灰表面结构疏松 【5 1 1 。 西南科技大学硕士研究生毕业论文 第11 页 2 0 10 - 12 - 1 61 1 ：3 0lx 1 o k1 0 0 u m a 2 0 10 - 1 2 1 6 ”：3 3 lx l 0 k1 0 0u m c 2 0 10 1 2 1 61 1 ：3 1lx l 5 k 5 0u r n b 2 0 10 - 1 2 1 61 1 ：3 2lx 2o k3 0g i r l 图3 - 2 固硫灰s e m 扫描电镜图 d f i g 3 - 2 s c a n n i n ge i e c t r o n ! i l i c r o s c o p e ( s e m ) i m a g e so f f b c f a 2 0 1o - 1 2 1 710 ：1 2lx l0 k1 0 0u m 图3 - 3粉煤灰s e m 扫描电镜图 b f i g 3 - 3 s c a n n in ge i e c tr o nm ic r o s c o p e ( s e m ) i m a g e so f f a 图3 4 是固硫渣微观形貌图。固硫渣的颗粒形貌与固硫灰相似，颗粒为不规则 西南科技大学硕士研究生毕业论文第12 页 状，表面呈现裂纹，肉眼所见固硫渣和固硫灰差异较大，固硫渣的颗粒大小与砂 相当，而固硫灰呈粉末状。这主要是固硫渣和固硫灰的收集方式不同。而表面形 貌与粉煤灰差异较大的主要原因是生成温度不同。 a 2 0 1 0 - 12 - 1 61 1 ：0 4lx s 0 02 0 0u m b 2 0 1 1 3 12 161 1 ：0 7lx 5 0 02 0 el i m2 0 1o _ 12 16j 1 12l，10 k10 0u m cd 图3 - 4固硫渣s e l l 扫描电镜图 f i g 。3 - 4 s c a n n in ge l e c t r o nm ic r o s c o p e ( s e m ) i m a g e so t ：f b c s 3 3 基本物理特性 表3 3 给出了固硫灰的基本物理特性试验结果。从表3 3 中可以看出：( 1 ) 固 硫灰的密度在2 2 0 2 6 5 9 c m 3 之间；( 2 ) 固硫灰的堆积密度均低于粉煤灰，其中 f b c f 4 只有0 5 6 9 c m 一；( 3 ) 固硫灰的标准稠度需水量较高，在5 0 以上，比粉煤 灰要高出1 倍左右。 西南科技大学硕士研究生毕业论文第1 3 页 表3 - 3固硫灰基本物理特性 t a b i e3 - 3 t h ep h y s i c a ip r o o e r t i e so ff b c f 固硫渣从颗粒尺寸看属于细骨料，为了考察能否将其作为路面基层的细骨料， 参照骨料的相关标准对f b c s l 和f b c s 2 的表观密度、堆积密度、紧密堆积密度、 含水率、吸水率和坚固性进行测试，试验结果见表3 - 4 。从表3 - 4 可以看出，固硫 渣的吸水率在2 0 以上，这主要由于固硫渣中含有石膏、游离氧化钙以及活性s i 0 2 和活性触2 0 3 ，加水后石膏溶解消耗一部分水，游离氧化钙遇水发生水化反应消耗 一部分水，活性s i 0 2 和活性a 1 2 0 3 在c a ( o h ) 2 和硫酸钙的激发下，要发生水化反 应。此外，固硫渣本身的颗粒形貌较差，结构疏松，所以固硫渣的吸水率较大【3 2 。 表3 - 4固硫渣基本物理特性 t a b i e3 - 4 t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ff b c s 3 4 化学成分 固硫灰和粉煤灰的化学组成见表3 5 ，从表3 5 可以看出，由于燃烧中加入固 硫剂，固硫灰的c a o 、s 0 3 、f - c a o 含量比f a 高很多。( 1 ) f b c f 4 的c a o 含量高 达2 0 3 1 ，而f a 中c a o 含量只有2 左右。( 2 ) 固硫灰中的f - c a o 含量比f a 的 高很多，f a 基本不含f - c a o 。( 3 ) 固硫灰中s 0 3 含量基本在7 以上，有的甚至高 达1 3 ，这主要取决于煤的种类以及固硫剂的固硫效果。煤中含硫量高，同时固 西南科技大学硕士研究生毕业论文第14 页 硫剂固硫效果好，相应的固硫灰中s 0 3 含量也高，而f a 中s 0 3 含量很少。 表3 - 5固硫灰的化学组成 t a b 3 5c h e m i c a ic o m p o s j t j o r so ff b c f 固硫渣的化学组成见表3 6 ，从表3 6 中可以看出，固硫渣的化学组成与固硫 灰相似，不同的是固硫渣中的f - c a o 含量较固硫灰的要高一些，固硫渣的烧失量 也比固硫灰的要低，主要是因为固硫灰和固硫渣的排出方式不同。 表3 - 6固硫渣的化学组成 t a b 3 6c h e m i c a ic o m p o s i t i o n so ff b c s 3 5 矿物组成 图3 5 是固硫灰的x r d 图。从图3 5 可以看出，固硫灰中主要含有i i - c a s 0 4 、 f - c a o 、a s i 0 2 、f e 2 0 3 。这主要是因为在原煤中除了可燃炭之外还有一部分粘土矿 物、a s i 0 2 、硫铁矿以及硫氮等有机元素。当煤与固硫剂混合后在流化床内燃烧时， 硫元素燃烧变成氧化物气体挥发，与固硫剂分解出来的氧化钙结合成无水硫酸钙； 硫铁矿被氧化成赤铁矿；粘土矿物生成无定形物质；煤中a s i 0 2 矿物属于絮状硅 酸盐结构的晶体，由于其具有极高的结构稳定性，在8 5 0 - 9 0 0 温度下不发生结构 的变化。因此，固硫灰中主要含有粘土矿物、i i c a s 0 4 、游离氧化钙、石灰石、a s i 0 2 、 赤铁矿 5 2 1 。 西南科技大学硕士研究生毕业论文第15 页 1 0加407 0 2 - t h e t a 图3 5固硫灰x r d 图 f i g 3 - 5 x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) p a t t e m so ff b c f 图3 6 是固硫渣的x r d 图。从图3 - 6 可以看出，固硫渣中主要含有i i c a s 0 4 、 f - c a o 、a - s i 0 2 、f e 2 0 3 、c a c 0 3 。与固硫灰不相同的就是固硫渣中多了c a c 0 3 ，主 要是因为固硫渣从流化床锅炉底部排出，部分没有分解的也c a c 0 3 从锅炉底部排 出，所以固硫渣中含有一定的c a c 0 3 。 1 02 0407 0 2 1 h e t a 图3 - 6固硫渣x r d 图 f i g 3 - 6 x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) p a t t e m so ff b c s 西南科技大学硕士研究生毕业论文第16 页 3 6 本章小结 ( 1 ) 从固硫灰渣的粒径分布来看，固硫灰的颗粒较细，与粉煤灰粒径分布相 似；固硫渣的颗粒相对较粗，部分固硫渣的粒径在砂和细砂之间，但多数呈粉末 状。 ( 2 ) 从固硫灰渣的颗粒形貌来看，固硫灰渣的颗粒形貌极其不规则，表面疏 松多孔，棱角状颗粒的表面或内部可以见到不规则的凹痕或气孔。 ( 3 ) 从固硫灰渣的基本物理特征来看，固硫灰的标准稠度用水量比粉煤灰高 很多，固硫渣的吸水率也很高，这主要和固硫灰渣的颗粒形貌有很大关系。 ( 4 ) 从固硫灰渣的化学组成来看，固硫灰渣中含有较多的c a o 和s 0 3 ，主要 是因为固硫剂的加入以及固硫剂在固硫过程中吸收了大量的s 0 2 。 ( 5 ) 从固硫灰渣的矿物组成来看，由于固硫灰渣生成温度在8 5 0 9 0 0 之间， 因此固硫灰渣中含有粘土矿物、i i c a s 0 4 、游离氧化钙、石灰石、a s i 0 2 、赤铁矿。 西南科技大学硕士研究生毕业论文第17 页 4 固硫灰渣体积安定性改善研究 道路工程所采用的工业废渣常常是化学性能稳定、耐久性能好、在自然环境 中已充分稳定的材料。固硫灰渣成分复杂，且含有f - c a o 和i i c a s 0 4 等能造成体 积安定性不良的成分，在使用过程中存在安定性不良问题。 就固硫灰渣的安定性问题，本课题从三个方面进行研究：( 1 ) 研究固硫灰渣 成分对体积安定性的影响；( 2 ) 通过添加活性掺和材，探讨不同活性材、不同掺 量对固硫灰渣体积安定性的影响；( 3 ) 添加激发剂，进一步研究影响固硫灰渣体 积安定性的因素。 4 1 固硫灰渣的膨胀性能 4 1 1 固硫灰渣的膨胀 固硫灰渣与其它燃煤灰渣成分上的最大差异是它含有一定量的f - c a o 和i i c a s 0 4 ，与水混合后，i i c a s 0 4 除可水化为二水石膏之外，还可与活性a 1 2 0 3 、f - c a o 发生火山灰反应而生成钙矾石，另外游离c a o 可水化为c a ( o h ) 2 ，这些水化都会 引起体积明显膨胀【5 弘5 5 】。 固硫灰渣与水混合后，生成膨胀性物质的水化反应有： c a o + h 2 0 一c a ( o h ) 2( 1 ) c a s 0 4 + l 2 0 - - - - c a s 0 4 2 h 2 0( 2 ) c a ( o h ) 2 + a 1 2 0 3 ( a c t i v e ) + c a s 0 4 2 h 2 0 + h 2 0 _ a f t ( 3 ) 其中，反应( 1 ) 发生时，体积增大1 9 8 倍【3 2 】；反应( 2 ) 可使体积增大2 2 6 倍【5 6 】； 当生成钙矾石( a f t ) 时，体积增大2 2 2 倍【”j 。 4 1 2 固硫灰渣的线性膨胀率 图4 1 给出了固硫灰和固硫渣净浆试件线性膨胀率随龄期的变化趋势曲线。结 果显示：( 1 ) 固硫渣的膨胀率大于固硫灰的膨胀率；( 2 ) 固硫灰f b c f l 净浆试件 的线性膨胀率明显小于固硫灰f b c f 2 净浆试件的，结合表3 5 发现，f b c f l 中的 西南科技大学硕士研究生毕业论文第18 页 游离c a o 和s 0 3 含量明显低于f b c f 2 ，说明固硫灰的膨胀率与其中的游离c a o 和 s 0 3 含量有一定关系；( 3 ) 固硫灰f b c f l 和f b c f 2 净浆试件从1 d 到2 8 d 龄期线 性膨胀率迅速增加，在2 8 d 龄期后增长幅度明显变缓；( 4 ) 固硫渣f b c s l 和f b c s 2 净浆试件从1 d 到1 4 d 龄期线性膨胀率迅速增加，在1 4 d 龄期后增长幅度明显变缓， 几乎不增长。 f 2 静 髻 蛰 图4 1固硫灰渣净浆试件标准养护的线性膨胀率 f i g 4 -