半干法脫硫灰在蒸壓加氣混凝土中的應(yīng)用

半干法脫硫灰在蒸壓加氣混凝土中的應(yīng)用

隨著國家對(duì)污染蕭帶二氧化硫的控制越來越嚴(yán)格，越來越多的大型焦?fàn)t和鋼鐵工具開始投資建設(shè)氣裝置。這樣一來,煙氣中的二氧化硫是得到了有效控制,但卻隨之造成了脫硫副產(chǎn)物的大量產(chǎn)生。脫硫副產(chǎn)物按照脫硫工藝的不同,大致可以分為2種:一種是由濕法煙氣脫硫工藝產(chǎn)生的脫硫石膏;另一種由干法、半干法煙氣脫硫工藝產(chǎn)生的脫硫灰。相對(duì)于前者,脫硫灰的處理相對(duì)更加困難。受到國內(nèi)經(jīng)濟(jì)因素的制約,大部分脫硫裝置采用鈣法脫硫技術(shù)。脫硫灰之所以難處理,是由于脫硫灰性質(zhì)比較復(fù)雜。例如,在潮濕環(huán)境下它會(huì)被緩慢氧化,在酸性環(huán)境中會(huì)釋放有毒元素,在高溫下會(huì)發(fā)生分解造成二次污染等。針對(duì)脫硫灰的嚴(yán)峻污染形勢,人們對(duì)脫硫灰的性質(zhì)及其資源化利用進(jìn)行了大量的研究。但由于脫硫灰自身性質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn),前人研究的各種脫硫灰資源化途徑或多或少都存在著一些不足?？紤]到蒸壓加氣混凝土磚塊是一種新型建筑材料,以鈣質(zhì)材料和硅質(zhì)材料為基本組分,采用特殊化學(xué)發(fā)氣方法發(fā)氣并經(jīng)蒸壓養(yǎng)護(hù)得到的一種多孔硅酸鹽混凝土,具有強(qiáng)度高、重量輕、保溫隔熱性能好、抗震性能好、易加工等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合脫硫灰的性質(zhì),對(duì)脫硫灰作為鈣質(zhì)材料用于制備蒸壓加氣混凝土磚塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。1實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備實(shí)驗(yàn)用脫硫灰取自首鋼燒結(jié)煙氣脫硫灰,主要的實(shí)驗(yàn)用儀器見表1。2蒸壓加壓混凝土當(dāng)前養(yǎng)護(hù)過程脫硫灰制備蒸壓加氣混凝土砌塊的工藝流程如下:首先將脫硫灰、粉煤灰、水泥、石灰、石膏等原料按照配比稱量后,將干料混合均勻,然后加水,水料比約為0.6~0.7,混合攪拌l~2min?；旌暇鶆蚝?加入鋁粉(約占干灰料的0.06%~0.08%)、氣泡穩(wěn)定劑、調(diào)節(jié)劑等,攪拌60s左右。然后進(jìn)行澆注入模,送入預(yù)養(yǎng)箱發(fā)氣靜停2~2.5h,預(yù)養(yǎng)箱溫度控制在40~60℃。預(yù)養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,對(duì)磚塊進(jìn)行脫模處理,準(zhǔn)備下一步蒸壓養(yǎng)護(hù)。接下來將預(yù)養(yǎng)護(hù)后的磚塊送入蒸壓釜中進(jìn)行蒸壓養(yǎng)護(hù)。蒸壓養(yǎng)護(hù)按照順序可分為四個(gè)階段,包括抽真空階段、升壓階段、恒壓階段和降壓階段。先由常壓抽真空至-0.08~0.06MPa,然后在1.5~2h內(nèi)升壓至1.0~1.5MPa,接著在恒壓下養(yǎng)護(hù)8~10h,最后在0.5~1.5h內(nèi)降至常壓。最后對(duì)出釜的蒸壓加氣混凝土砌塊進(jìn)行性能測試。其中蒸壓加氣混凝土磚塊的性能指標(biāo),包括干密度性能、抗壓強(qiáng)度性能、干燥收縮性能、抗凍性能、導(dǎo)熱性能等,其分析方法可以參照GB11968-2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》和GB/T11969-1997《加氣混凝土性能試驗(yàn)方法總則》。3實(shí)驗(yàn)與研究3.1脫硫灰的成分對(duì)脫硫灰的粒徑分布、微觀形貌、化學(xué)成分、物相組成和浸出特性等進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:(1)不同種類的半干法脫硫灰,性質(zhì)大致相似,部分略有差異。這與脫硫所采用的工藝、煙氣性質(zhì)、脫硫劑產(chǎn)地等因素有關(guān)。(2)脫硫灰顆粒細(xì)小,具有較大比表面積,有一定的潛在活性。(3)脫硫灰顆粒中含有許多緊湊結(jié)合在一起的規(guī)則片狀晶體,中間夾雜著一些不規(guī)則顆粒。(4)脫硫灰的化學(xué)元素以Ca為主,還包括S、Si、Fe、Al、Mg、Ti和Cl等元素。(5)脫硫灰的物相組成主要包括CaSO4、CaCO3和Ca(OH)2。(6)脫硫灰的浸出液中各物質(zhì)的含量均低于GB5085.3-2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》中規(guī)定的濃度,不屬于危險(xiǎn)廢物。綜上所述,脫硫灰是一種顆粒細(xì)小,比表面積大,以鈣基為主,包含氫氧化鈣、碳酸鈣和硫酸鈣等活性成分的固體粉末物質(zhì),適合作為蒸壓加氣混凝土磚塊的鈣質(zhì)材料。3.2塊性能測試3.2.1脫硫灰的加入量固定鈣質(zhì)材料在原材料(主要是指鈣質(zhì)材料、硅質(zhì)材料和水硬性膠凝材料)中的摻入比例為25%不變(本文中比例均按質(zhì)量百分比計(jì)算),即鈣質(zhì)材料占原材料總質(zhì)量的25%。并保持其他條件固定不變,即硅質(zhì)材料(粉煤灰和石英砂粉按1∶1混合)摻量為55%,水硬性膠凝材料(水渣微粉和水泥按1∶1混合)摻量為20%,鋁粉占原材料總質(zhì)量的0.06%,水料比為0.6,不添加穩(wěn)泡劑和調(diào)節(jié)劑。改變脫硫灰的摻入量,使其摻入量分別為0、5%、10%、15%、20%和25%,為保持鈣質(zhì)材料總量不變,對(duì)應(yīng)的石灰摻入量分別為25%、20%、15%、10%、5%和0。根據(jù)對(duì)脫硫灰性質(zhì)的研究結(jié)果可知,脫硫灰中含有一定量的活性氧化鈣、氫氧化鈣等,而這些物質(zhì)遇水體積會(huì)發(fā)生膨脹。如果脫硫灰不經(jīng)任何處理,直接摻入可能會(huì)對(duì)砌塊性能產(chǎn)生負(fù)面影響。為此將脫硫灰分成2組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中一組先對(duì)脫硫灰進(jìn)行預(yù)消化處理,然后再按照上面的6種比例摻入。預(yù)消化處理方法如下,先將脫硫灰預(yù)先加水,使其在含水量為20%條件下消化處理2h,然后將其放入烘箱烘干。另一組作為對(duì)照實(shí)驗(yàn),將脫硫灰不經(jīng)任何處理,直接按照上面的6種比例摻入。2組實(shí)驗(yàn)均按照工藝流程制備蒸壓加氣混凝土磚塊,并對(duì)制得磚塊的各項(xiàng)性能按照GB11968規(guī)定的方法進(jìn)行測試。3.2.2干密度的測定對(duì)制好的磚塊量取長、寬、高,精確至1mm,計(jì)算其體積,干燥、保溫、恒重后,計(jì)算其干密度。在其他條件不變,且鈣質(zhì)材料總量不變的情況下,隨脫硫灰所占比例的增加,磚塊的干密度始終在655kg/m3以上,且脫硫灰預(yù)處理前后對(duì)磚塊的干密度級(jí)別沒有太大改變,制得的磚塊均屬于B07級(jí)。3.2.3脫硫灰的平均含量對(duì)磚塊施加荷載,計(jì)算磚塊受壓面積,記錄磚塊破壞之前的破壞荷載,得出磚塊的抗壓強(qiáng)度,繪成曲線如圖1所示。從圖1中可以看出,在其他條件不變,且鈣質(zhì)材料摻入總量不變的情況下,增加脫硫灰在鈣質(zhì)材料中的所占比例,對(duì)磚塊的抗壓強(qiáng)度沒有太大影響。但經(jīng)過預(yù)處理后的抗壓強(qiáng)度明顯比未經(jīng)預(yù)處理的要高。說明脫硫灰經(jīng)過預(yù)處理后,能提高磚塊的抗壓強(qiáng)度。3.2.4繪制成曲線,所獲得的數(shù)據(jù)為將磚塊放在溫度為(20±2℃),相對(duì)濕度為(43±2)%的恒溫恒濕箱中。測定磚塊的干燥收縮值,直至質(zhì)量變化小于0.1%為止。將獲得的數(shù)據(jù)繪成曲線,如圖2所示。從圖2中可以看出,在其他條件不變,隨著脫硫灰在鈣質(zhì)材料中所占比例的增加,制得的蒸壓加氣混凝土砌塊的干燥收縮值逐漸減小。且在相同脫硫灰比例情況下,脫硫灰經(jīng)過預(yù)消化處理后制得的磚塊的干燥收縮值明顯比未經(jīng)預(yù)消化處理的要低。說明增加脫硫灰摻入量,且脫硫灰經(jīng)過預(yù)消化處理,能降低蒸壓加氣混凝土砌塊的干燥收縮值。3.2.5脫硫灰凍融過程中的破壞情況調(diào)查將磚塊放在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),在(60±5)℃下保溫24h,然后在(80±5)℃下保溫24h,再在(105±5)℃下烘干至恒重。試塊冷卻至室溫后,立即稱取質(zhì)量,精確至1g,然后浸入水溫為(20±5)℃恒溫水槽中,水面應(yīng)高出試塊30mm,保持48h。取出試塊,用濕布抹去表面水分,放入預(yù)先降溫至-15℃以下的低溫箱或冷凍室中,其間距不小于20mm。當(dāng)溫度降至-18℃時(shí)開始記錄時(shí)間,在(-20±2)℃下冷凍6h后取出,放入水溫為(20±5)℃的恒溫水槽中,融化5h作為一次凍融循環(huán),如此凍融循環(huán)15次為止。每隔5次循環(huán)檢查并記錄試塊在凍融過程中的破壞情況。凍融過程中,發(fā)現(xiàn)試塊呈明顯的破壞,應(yīng)取出試塊,停止凍融實(shí)驗(yàn),并記錄凍融次數(shù)。將經(jīng)15次凍融后的試塊,放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),烘至恒質(zhì)。試塊冷卻至室溫后,立即稱取質(zhì)量,精確至1g,計(jì)算試塊凍后質(zhì)量損失,并測試其凍后抗壓強(qiáng)度,將獲得的數(shù)據(jù)繪成曲線,如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可以看出,其他條件不變,隨著脫硫灰在鈣質(zhì)材料中所占比例增加,磚塊的凍后質(zhì)量損失逐漸減小,同時(shí)凍后抗壓強(qiáng)度逐步提高。且在相同脫硫灰摻入量情況下,經(jīng)過預(yù)消化處理后制得的磚塊的抗凍性能明顯比未經(jīng)預(yù)消化處理的要好。說明增加脫硫灰的比例,且脫硫灰經(jīng)過預(yù)消化處理,能提高蒸壓加氣混凝土砌塊的抗凍性能。3.2.6導(dǎo)熱系數(shù)測試先將磚塊表面加工平整,使磚塊能與面板緊密接觸,測定試塊的厚度。將待測磚塊放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),在(60±5)℃下保溫24h,然后在(80±5)℃下保溫24h,再在(105±5)℃下烘干至恒重。磚塊冷卻至室溫后,立即將磚塊放入裝置中以避免吸收水分。測試施加于計(jì)量面積的平均電功率,并測量試塊熱面和冷面的溫度,具體細(xì)節(jié)可參照GB10294-88《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法》。導(dǎo)熱系數(shù)可由式(1)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。r=QgdA(T1?T2)(1)r=QgdA(Τ1-Τ2)(1)式中:Q為加熱單元計(jì)量部分的平均熱流量,即平均發(fā)熱功率,W;T1為磚塊熱面溫度平均值,K;T2為磚塊冷面溫度平均值,K;A為磚塊計(jì)量面積,m2;d為磚塊平均厚度,m。從圖5中可以看出,在其他條件不變,隨著脫硫灰在鈣質(zhì)材料中所占比例的增加,制得的磚塊的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小。且在相同脫硫灰比例情況下,脫硫灰經(jīng)過預(yù)消化處理后制得的磚塊的導(dǎo)熱系數(shù)明顯比未經(jīng)預(yù)消化處理的要低。說明增加脫硫灰比例,且脫硫灰經(jīng)過預(yù)消化處理,能降低磚塊的導(dǎo)熱系數(shù),提高它的隔熱保溫性能。3.3氧化鈣水解反應(yīng)鈣質(zhì)材料在蒸壓加氣混凝土砌塊磚中的主要作用有以下幾種:①為磚塊的主要強(qiáng)度組分水化硅酸鈣(C—S—H)的形成提供氧化鈣;②為發(fā)氣劑提供堿性條件;③釋放水化熱量,提高料漿溫度,加速料漿的水化條件。脫硫灰中的活性氧化鈣在消解時(shí)釋放出大量的熱,使料漿呈堿性,為發(fā)泡劑鋁粉與水的反應(yīng)提供了適宜的條件。鋁粉是一種很活潑的兩性金屬能與氫氧化鈣、水反應(yīng)放出氫氣。因?yàn)殇X粉是一種很活潑的兩性金屬,在空氣中極易被氧化,在存放的過程中鋁的表面往往有一層穩(wěn)定的氧化膜,要使鋁粉能進(jìn)行發(fā)氣反應(yīng),就必須先除去這層氧化膜。燒堿能與Al2O3反應(yīng)生成可溶的NaAlO2,從而使金屬鋁暴露出來,主要的化學(xué)反應(yīng)方程式如下:Al2O3+2Na