脱硫石膏_粉煤灰_矿粉复合胶结材改性研究

我国电力工业以消耗煤炭的火力发电为主，目前我国SO 2的排放量已高居世界首位。为解决工业废气造成的环境

污染，国内越来越多的发电企业采用湿式石灰石-石膏法进行烟气脱硫，而由此每年产生760万t 脱硫石膏，已成为继粉煤灰后的第二大固体废弃物[1]。烟气脱硫石膏与天然石膏的化学性能基本相同[2]，纯度高、价格低廉，具有质轻、保温隔热、

隔声、防火、自呼吸、便于施工、良好的装饰性等特点。脱硫石膏中放射性元素的含量远低于GB 6566要求的极限值，对健

康无害，也不污染环境[2]，因此受到广泛关注。但脱硫石膏存在强度低、耐水性差等缺点，成为其广泛应用的瓶颈。本文主要以脱硫石膏为主要材料，通过掺加矿物外加剂和化学激发剂对其改性，使之形成一种新型的脱硫石膏基复合胶结材（FGD 体系），从而实现3种工业废渣经济、有效的资源化利用，具有利废、节地、节能、环保等多重社会效益和良好的经济效益。

1实验

1.1原材料

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAJ04A04）收稿日期：2009-11-09

作者简介：位建强，男，1986年生，山东济南人，硕士研究生。

脱硫石膏-粉煤灰-矿粉复合胶结材改性研究

位建强1，刘巧玲2，曹明莉1

（1.大连理工大学土木工程学院，辽宁大连

116024；

2.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101）

摘要：

脱硫石膏作为烟气脱硫工艺的副产品，不仅价格低，来源广，而且具有与天然石膏相近的性质和优点。研究了不同矿物掺合料（粉煤灰和矿粉）、不同外加剂掺量以及不同配比对脱硫石膏基材料性能的影响。结果表明，将硅酸钠作为早强剂，体系的早期抗折、

抗压强度与空白样相比分别提高150%和30.6%；生石灰和水泥双激发可使体系的强度提高100%以上；粉煤灰与矿粉复掺时，强度和经济效益都得到保证。综合考虑，

FGD 体系的配比为：m （脱硫石膏）∶m （粉煤灰）∶m （矿粉）=40∶20∶40。关键词：

脱硫石膏；粉煤灰；矿粉；外加剂中图分类号：TQ177.3+75文献标识码：A 文章编号：1001-702X （2010）04-0009-04

Modification of composite cementitious material produced by FGD gypsum-fly ash-GGBS

WEI Jianqiang 1，LIU Qiaoling 2，CAO Mingli 1

（1.School of Civil Engineering ，Dalian University of Technology ，Dalian 116024，Liaoning ，China ；2.School of Civil Engineering ，Shandong Jianzhu University ，Jinan 250101，Shandong ，China ）

Abstract ：

As the by-product of flue gas desulfurization process ，FGD gypsum is not only cheap and has wide sources ，but al －so has similar nature and advantages with natural gypsum.In this paper ，the effects of different mineral admixture （fly ash ，GGBS ），different quantity of admixture and different mixture ratio on the performance of the FGD gypsum-based composite cementitious material were studied.The experiment results show that compared with empty sample ，

when choosing potassium sulfate as early-strength agent ，the initial breaking strength and compressive strength of the composite can be improved by 150%and 30.6%re －spectively.The strength can be improved by more than 100%with the alkali activation of quicklime and cement ，while the use of fly ash and GGBS can ensure the strength and economic benefit.Through comprehensive consideration ，the optimum mix of com －posite cementitious material is that ：m （FGD gypsum ）∶m （fly ash ）∶m （GGBS ）=40∶20∶40.

Key words ：

FGD gypsum ；fly ash ；GGBS ；admixture

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脱硫石膏：取自济南黄台电厂，主要成分为CaSO 4·2H 2O ；水泥：山东水泥厂产东岳牌32.5R 水泥；粉煤灰：济南黄台电厂Ⅱ级粉煤灰；矿粉、生石灰、FDN 萘系减水剂（阴离子型）、硫酸钠、硅酸钠、乳胶粉（BATREFT'-1405）、羧甲基纤维素醚（CMC ）、絮状纤维素，均为市购。1.2试验方法

以脱硫石膏为基体，掺入矿物掺合料（粉煤灰和矿粉）以及减水剂、早强剂、保水剂、生石灰、水泥、乳胶粉、硅酸钠等外加剂对其进行改性，并对各种因素、各种配比下的试样进行了性能测试，试件均采用标准养护制度养护。

实验的基本配比见表1，各添加剂掺量对FGD 体系的影响都在基本配比的基础上进行，后面的实验根据前面所确定的配比继续进行，直到确定各添加剂的最佳配比。

表1

FGD 体系的基本配比

％

FGD 体系的标准稠度用水量、凝结时间按GB/T 1346—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间检验方法》进行测试；强度按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行测试。

2结果与讨论

2.1减水剂掺量对FGD 体系性能的影响

减水剂可使脱硫石膏拌合物在保持良好工作性的条件下明显减小水灰比，从而降低石膏硬化体内的孔隙率，有利于提高其强度和耐水性。FDN 萘系减水剂不影响混凝土的凝结时间、引气量低、能大幅度降低混凝土的水灰比[3]，其对FGD 体系性能的影响见表2。

表2

FDN 萘系减水剂掺量对FGD 体系性能的影响

从表2可以看出，随着FDN 萘系减水剂掺量的增加，FGD 的标准稠度用水量降低，凝结时间延长。为了保证正常凝结并

从经济方面考虑，FDN 萘系减水剂的适宜掺量确定为0.8%，以下实验中FDN 萘系减水剂掺量均为0.8％。

2.2早强剂对FGD 体系凝结时间和强度的影响

粉煤灰、矿粉在碱与硫酸盐激发下形成的钙矾石与水化硅酸钙覆盖在矿粉、粉煤灰颗粒的表面，并形成阻碍其进一步水化的包覆层，从而影响复合胶结材的凝结时间和早期强度。

加快胶结材凝结硬化的关键是创造离子扩散通过包覆层的条件，促使包覆膜破灭，为此，需选用适宜的早强剂[4]。本研究采用硅酸钠作为激发早强剂，其掺量对FGD 性能的影响见表3。

表3硅酸钠掺量对FGD 体系性能的影响

由表3可见，硅酸钠对FGD 体系具有一定的激发作用，有助于FGD 早期强度的提高。硅酸钠同时可以明显减少泛霜

现象。综合考虑，选用硅酸钠作为早强剂掺入到FGD 体系中，其适宜掺量为2.0%，此时FGD 的14d 抗折、抗压强度与空白样相比分别提高150%和30.6%，凝结时间也控制在较小范围。2.3

激发剂对FGD 体系性能的影响

二水石膏无自硬性，因此激发剂的活性激发对胶结材水

化硬化以及强度发展起关键作用。在以往的大量研究实验中，

经常用的激发剂是石灰和水泥。石灰及水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙水化形成的CaCO 3与矿粉、粉煤灰中的活性组分SiO 2、Al 2O 3作用生成大量的钙矾石与水化硅酸钙，而硬化体强度的发展主要依靠钙矾石与水化硅酸钙。

2.3.1生石灰的激发作用

由于生石灰经磨细后的比表面积大约是消石灰比表面积的1/100，因此在表面润湿上它需要的水比消石灰少得多，这样在水灰比较小的情况下也可以获得高强度。单掺石灰5%时，体系的抗压强度与未掺石灰的基准样比有很大程度的提高，3d 强度为基准样7d 强度的3～5倍，7d 强度提高5～9倍，28d 强度提高271%～423%。当石灰掺量由5%增至10%时，3d 、7d 强度有所下降（除FGD ∶FA=2∶8这组外），但28d 强度有不同程度的提高；当石灰掺量继续增加时，不论是早期强度还是后期强度，都呈下降的趋势[4]。这是因为：在低掺量时，石灰的加入提高了体系的碱度，而碱的存在能打破粉煤灰的玻璃体结构，激发粉煤灰的活性，生成更多的水化产物，从而提高体系的强度。水泥在水化生成C-S-H 凝胶的同时也生成Ca （OH ）2，

但在5%掺量时石灰比水泥的激发效果更好，这一方面说明此时体系碱度仍不足，还不能达到激发粉煤灰活性的最佳要求，另一方面也说明此时碱对体系强度发展的贡

脱硫石膏粉煤灰矿粉生石灰水泥硫酸钠

50

20

30

2

5

2

F1-1035.63：565：32F1-20.335.14：596：45F1-30.534.85：236：55F1-40.834.15：307：15F1-5

1.0

33.5

6：17

8：42

初凝终凝编号FDN 掺量/%

标准稠度用水量/%凝结时间/（h ：min ）F2-20.537.36:15F2-3 1.035.05:228:116:35 1.31.613.414.9F2-6

2.5

34.1

5:02

6:12

2.3

17.3

F2-4 1.534.24:555:47 1.716.3F2-5 2.032.54:125:00 2.517.5F2-1038.27:208:45 1.013.4编号硅酸钠

掺量/%标准稠度用水量/%14d 强度/MPa 抗折抗压凝结时间/（h ：min ）初凝终凝位建强，等：脱硫石膏-粉煤灰-矿粉复合胶结材改性研究