CN108529912A - 脱硫灰自激活固结材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脱硫灰自激活固结材料，其是一种仅用脱硫灰和磷渣粉二种工业固体废弃物作为原料制备的自激活固结材料，通过脱硫灰的硫酸盐和自带的碱性，激活磷渣粉等的潜在水化活性，形成C‑S‑H、C‑S‑A‑H凝胶以及钙矾石等水化产物，构成固结材料初期强度，并保证后期强度的持续增长：按质量百分比计，各原料的配比为脱硫灰88～100％，磷渣粉0～12％。该材料为无水泥固结材料，其制备方法是：将上述原材料拌和后运输至施工现场，经摊铺、碾压和保湿养护至规定龄期即可。本发明使用工业固体废弃物，可节省土地和资源，降低成本，利于环境保护，施工简单，适合土木工程的填筑以及排水功能良好的道路基层和底基层的修筑。

Description

脱硫灰自激活固结材料
技术领域
本发明涉及自激活固结材料，特别是一种无水泥脱硫灰体系的自激活固结材料。在整个固结材料中，脱硫灰和磷渣粉均为工业副产品，是一种利用脱硫灰的碱性组分及硫酸盐组分激发磷渣粉潜在水化活性的固结材料。在混合料中，脱硫灰的硫酸盐激发致使各原料之间相互反应，形成C-S-H和C-S-A-H凝胶、以及钙矾石等水化产物，构成固结体初期强度，并保证后期强度的持续增长。
背景技术
近些年，中国的经济得到了快速发展，工业对煤炭的需求量与日俱增。而煤燃烧通常会产生大量的二氧化硫气体，煤的消耗量越大产生的二氧化硫就越多，二氧化硫排放量造就了日益严重的酸雨污染，对人类赖以生存的生态平衡造成了极大的破坏，对人类经济社会的发展产生了极大的危害。基于此，近年来国家加大了对各大燃煤企业SO2排放的治理力度，对二氧化硫排放率提出了越来越高的要求，绝大多数企业的SO2排放量得到了一定程度的控制，然而又带来了脱硫灰的排放量日益增加的新问题。脱硫灰的主要来源是燃煤电厂或钢厂，经干法或半干法钙基脱硫剂利用不同脱硫工艺对烧结烟气进行脱硫而得的工业废弃物，由于目前缺乏较为合理的利用途径，部分仍然处露天堆放状态，不仅占用了大量的土地资源，还严重制约了经济的增长和环境的协调。对于脱硫灰日产量高达数百吨的燃煤火电厂及钢厂而言，若不能采取有效合理的脱硫灰处理方法，不仅会造成电厂钢厂以及周边的生态环境的破坏，同时还会给排放企业自身带来巨大的经济及社会负担，严重制约该企业的发展。因此，探索开拓脱硫灰有效资源化利用的技术途径，对于社会、环境和经济都具有十分重大的意义。
因此，开发脱硫灰作固结材料，对提高工业固体废弃物利用率、循环利用技术水平以及改善生态环境具有十分重大的实用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的问题，提供一种节能环保和低成本的脱硫灰自激活固结材料，该材料为无水泥脱硫灰自激活固结材料，以及适于土木填筑或道路基层的施工方法。
本发明解决其技术问题采用以下技术方案：
本发明提供的脱硫灰自激活固结材料，是由以下原料制成：脱硫灰88～100％，磷渣粉0～12％，均为质量百分比。
所述脱硫灰采用钢铁企业烧结厂脱硫工艺的副产品脱硫灰，该脱硫灰的主要化学成份按质量百分比计为：CaO52.40％，SO324.96％，MgO1.23％，SiO20.36％，Fe2O30.35％，Al2O30.11％。
所述磷渣粉采用磷化工企业的副产品磷渣粉，该磷渣粉的主要化学成份按质量百分比计为：CaO45.46％，SO31.85％，MgO2.29％，SiO2 39.41％，Fe2O3 1.80％，Al2O3 2.25％，P2O53.64％，F-1.45％。
上述脱硫灰自激活固结材料，可以由以下原料替换：按质量百分比计，脱硫灰为88％，磷渣粉为12％。
本发明提供的上述脱硫灰自激活固结材料，其可在土木填筑或道路基层中应用。
该材料应用时，以脱硫灰和磷渣粉各自的矿物特性为基础，利用脱硫灰自身的碱性组分及硫酸盐组分激活磷渣粉的潜在水化活性，形成包括C-S-H和C-S-A-H凝胶、以及钙矾石等水化产物，构成固结材料的早期强度，进而设计出性能优良的无水泥脱硫灰自激活固结材料。
所述无水泥脱硫灰自激活固结材料采用以下方法制成：先将检测合格的脱硫灰和磷渣粉粉料分别装入不同储料罐，按设计配合比直接由储料罐计量，加入拌和机中与水拌和；然后将拌和好的混合料运输至施工现场，并且进行摊铺找平，经碾压后采用保湿养护，养护至规定龄期形成所述固结材料。
所述固结材料采用薄膜保湿养护。
本发明提供了制备上述自激活固结材料的方法。该固结材料采用集中厂拌来施工，具体是：先将检测合格的脱硫灰和磷渣粉由装载机从堆运厂入拌和机料仓，再按组成比例计量由皮带机送入拌和机，脱硫灰直接由储料罐计量入拌和机拌和；然后，将拌和好的混合料运输至施工现场，并进行摊铺找平，经碾压后采用保湿养护，养护至规定龄期形成所述固结材料。
本发明与现有技术相比具有以下的主要的优点：
其一.结合我国工业废弃物资源优势，采用价格低廉的脱硫灰取代资源有限的粘土，充分利用工业固体废弃物，达到节约资源、环保利废的目的。另外，由于主要原材料为工业固体废弃物，利用它们作固结材料使用，不仅可使这些难利用的工业废弃物得以循环使用，而且能节省堆存土地。
其二.充分考虑多利用脱硫灰，并利用脱硫灰的硫酸盐激发和碱激发作用于磷渣粉，使其潜在水化活性得以发挥，从而设计出脱硫灰自激活固结材料的思路和方法，并提供了按该设计思路设计的自激活固结材料的组分范围。本发明以钢铁企业烧结厂脱硫工艺的副产物脱硫灰和磷化工企业副产物磷渣粉为原材料，结合材料学原理，以脱硫灰和磷渣粉各自的矿物特性为基础，利用脱硫灰的硫酸盐激发和碱激发，激发磷渣粉的潜在水化活性，从而形成固结材料的早期强度，进而设计出性能优良的自激活固结材料。
其三.自激活固结材料以脱硫灰为主，并辅以磷渣粉，在无水泥的情况下构成固结材料，7d无侧限抗压强度可达1.5MPa及以上。随养护龄期变化，通过调整配比90d龄期无侧限抗压强度甚至可达4.0MPa。且该自激活固结材料具有良好的强度递延性、自愈合特性、良好的抗裂性能，且抗劈裂抗拉强度高，是一种刚性很好的固结材料。在本发明中几项指标均满足国家标准对相应路面底基层和填筑料的要求。
其四.节能环保成本低。相对于水泥稳定碎石的生产而言，无水泥脱硫灰自激活固结材料由于不使用水泥，且所用原材料均为工业副产品，具有极低的环境负荷。相应由于工业废弃物价格低，而使该固结材料成本低廉。
其五.施工工艺简单，可靠，适合于土木工程的填筑以及一般道路路面和高等级公路基层和底基层修筑。
综上所述：本发明提供的自激活固结材料为性能优良的无水泥半刚性固结材料，所用原材料主要为工业固体废弃物，利用它们作道路材料使用，不仅可以使这些难利用的工业固体废弃物得以循环利用，而且能节省堆存土地，降低成本，利于自然资源和环境保护，并且施工工艺简单、可靠，适合于土木工程的填筑以及一般道路路面和高等级公路基层和底基层的修筑。
附图说明
图1脱硫灰自激活固结材料不同龄期无侧限抗压强度随脱硫灰掺量变化而变化趋势图。
图2在不同浸水条件下随脱硫灰掺量变化脱硫灰自激活固结材料水稳性的变化趋势。
图3扫描电镜下观测到的养护90天后脱硫灰自激活固结材料的形貌。
具体实施方式
本发明提供的自激活固结材料，是用脱硫灰和磷渣粉作为所述固结材料的原材料，利用脱硫灰硫酸盐和所带碱性，激发磷渣粉的潜在水化活性，形成C-S-H和C-S-A-H凝胶、以及钙矾石等水化产物，构成固结材料初期强度，并保证后期强度的持续增长：按质量百分比计，各原料的配比为脱硫灰88～100％，磷渣粉0～12％。
所述脱硫灰的主要化学成份按质量百分比计为：CaO52.40％，SO324.96％，MgO1.23％，SiO20.36％，Fe2O30.35％，Al2O30.11％。
所述磷渣粉的主要化学成份按质量百分比计为：CaO45.46％，SO31.85％，MgO2.29％，SiO2 39.41％，Fe2O3 1.80％，Al2O3 2.25％，P2O53.64％，F-1.45％。
本发明提供了制备上述自激活固结材料的方法。该固结材料采用集中厂拌法来施工。先将脱硫灰和磷渣粉进行原材料检测；对混合料组分进行击实试验，确定最佳含水率和最大干密度。以最佳含水率和最大干密度进行混合拌料，将拌好的混合料由装载机运到施工现场。将混合料进行摊铺找平，按控制的施工压实度要求进行碾压，并进行保湿养护，养护至规定龄期形成所述固结材料，即可完成自激活固结材料的施工。
在所述的保湿养护过程中，可以采用薄膜保湿养护。
本发明提供的上述自激活固结材料，其所用的生产设备、运输设备、摊铺设备、碾压设备以及施工方式皆与水泥稳定土相同。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1
脱硫灰自激活固结材料强度：将脱硫灰与磷渣粉按表1的设计组分进行称量，进行击实试验，确定混合料的最佳含水率和最大干密度(见表1)，按控制的压实度成型试件并测定其无侧限抗压强度。脱硫灰来自钢铁企业烧结厂，改变脱硫灰的掺量，按95％的压实度进行无侧限抗压强度试验，其7天、28天、90天无侧限抗压强度具体结果见表2和图1。
由表2和图1的性能指标可知：在改变脱硫灰的掺量时，其强度随着脱硫灰掺量的增加，先增加后降低。脱硫灰掺量在94％时，7d无侧限抗压强度达到2.25MPa，远大于用于填筑料或二灰类基层材料要求的0.8MPa的7d无侧限抗压强度；即使脱硫灰掺量达到了100％，其7d无侧限抗压强度也达到了1.65MPa，并随着养护龄期的延长，固结材料能够保持强度的增长，能满足填筑料或基层材料对无侧限抗压强度的要求。
实施例2
脱硫灰自激活固结材料水稳性：在实施例1的基础上，按控制的压实度成型试件并进行7天水稳性试验。脱硫灰来自钢铁企业烧结厂，改变脱硫灰的掺量，按95％的压实度进行无侧限抗压强度试件的制作。在不同浸水条件下进行实验，之后测定的7d无侧限抗压强度具体结果见表3。
由表3的性能指标可知：在脱硫灰掺量的变化范围内，试块并无出现开裂、溶蚀和溃散的现象；同时7d水稳性的强度值最小也可达1.49MPa,强度也能满足填筑料或基层材料的要求，但此类材料在应用作基层时应全面做好路基排水工作，作填筑料时无此项要求。
实施例3
脱硫灰自激活固结材料抗冻性：在实施例1和实施例2基础上，按控制的压实度成型尺寸为Φ150mm×150mm试件，并进行抗冻性试验。当试件养护至28天龄期时，进行5次冻融循环试验。记录每次冻融后试件的质量和高度，并按规程方法在冻融循环试验结束后测定试件的无侧限抗压强度(见表4)。
由表4的性能指标可知：冻融循环试验结束后，试件28d无侧限抗压强度依旧可达到1.5MPa及以上，但部分试件表面出现了边角缺损的情况。由此可见脱硫灰自激活固结材料在实际应用时应结合实际应用环境充分考虑材料对抗冻性的要求，在这种情况下，特别是脱硫灰自激活固结材料作基层时，应避开冻融循环频繁的区域。
实施例4
不同养护条件对脱硫灰自激活固结材料的影响：将脱硫灰与磷渣粉按表1的设计组分进行称量，进行击实试验，确定混合料的最佳含水率和最大干密度，按控制的压实度成型试件并在不同养护条件(室外薄膜养生、室内标准养生和室外自然裸露养生)下对试块进行养护，当试件养护至7d龄期时，测试试块的7d无侧限抗压强度。试块7d无侧限抗压强度结果如表5所示。
由表5的性能指标可知：比较不同养生条件可知，在室外温度(20℃～25℃)条件下，在脱硫灰掺量的变化范围内，均出现了标准养护条件下的无侧限抗压强度值优于室外薄膜养护，自然养护是较差养护方式；同时，固结材料的强度值均大于0.8MPa，满足填筑料或基层材料的要求。
结合所有实施实例可见，在无水泥的情况下，通过改变脱硫灰和磷渣粉掺量，可制备出适合土木工程填筑用材料或一般等级公路和高等级公路用的基层材料。该自激活固结材料的强度形成主要是由混合料的前期机械压实、脱硫灰中矿物的水化、磷渣粉的潜在水化活性激活等方面综合作用形成。脱硫灰中含有Ca(OH)2和硫酸盐，这为激发磷渣粉的潜在水化活性提供了相应条件，从而为固结材料的早期和后期强度提供了保障。在脱硫灰的硫酸盐激发和碱激发条件下，固结材料中形成C-S-H和C-S-A-H凝胶、以及钙矾石等水化产物，构成固结材料初期强度，并保证后期强度的持续增长。这些水化产物的形成是自激活固结材料强度形成并使长期强度稳定发展的主要原因。
上述实施例提供了一种利用脱硫灰自身含有的碱性成分、硫酸成分及其他组分，形成自身强度并激活具有潜在水化活性或火山灰活性的其他工业废弃物，进而设计出自激活固结材料的思路和方法，并提供了按该设计思路设计的固结材料的组分范围、该发明设计思路为采用脱硫灰和磷渣粉作为混合料，经碾压之后各原料之间的机械压实形成初始强度。同时利用脱硫灰，激发磷渣粉的潜在水化活性，形成C-S-H和C-S-A-H凝胶、钙矾石等水化产物，构成固结材料初期强度，并保证后期强度的持续增长，从而设计出满足土木工程的填筑或各等级公路用的半刚性基层和底基层。该材料实现了大量、高附加值利用脱硫灰的目的。
附表
表1 不同配比脱硫灰自激活固结材料的最佳含水量及最大干密度
表2 脱硫灰自激活固结材料无侧限抗压强度试验结果
表3 脱硫灰自激活固结材料的水稳性
表4 脱硫灰自激活固结材料抗冻性
表5 不同养护条件对脱硫灰自激活固结材料强度的影响

Claims (8)

1.一种脱硫灰自激活固结材料，其特征是该材料由以下原料制成：脱硫灰88～100％，磷渣粉0～12％，均为质量百分比。
2.根据权利要求1所述的脱硫灰自激活固结材料，其特征是脱硫灰采用钢铁企业烧结厂脱硫工艺的副产品脱硫灰，该脱硫灰的主要化学成份按质量百分比计为：CaO52.40％，SO324.96％，MgO1.23％，SiO20.36％，Fe2O30.35％，Al2O30.11％。
3.根据权利要求1所述的脱硫灰自激活固结材料，其特征是磷渣粉采用磷化工企业的副产品磷渣粉，该磷渣粉的主要化学成份按质量百分比计为：CaO45.46％，SO31.85％，MgO2.29％，SiO2 39.41％，Fe2O3 1.80％，Al2O3 2.25％，P2O53.64％，F-1.45％。
4.根据权利要求1所述的脱硫灰自激活固结材料，其特征是该材料由以下原料替换：按质量百分比计，脱硫灰为88％，磷渣粉为12％。
5.权利要求1至4中任一权利要求所述材料的应用，其特征是在自激活固结材料中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征是应用时，以脱硫灰和磷渣粉各自的矿物特性为基础，利用脱硫灰自身的碱性组分及硫酸盐组分激活磷渣粉的潜在水化活性，形成包括C-S-H和C-S-A-H凝胶及钙矾石水化产物，构成固结体的早期强度，进而设计出性能优良的无水泥脱硫灰自激活固结材料。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征是所述无水泥脱硫灰自激活固结材料采用以下方法制成：先将检测合格的脱硫灰和磷渣粉粉料分别装入不同储料罐，按设计配合比直接由储料罐计量，加入拌和机中与水拌和；然后将拌和好的混合料运输至施工现场，再进行摊铺找平，经碾压后采用保湿养护，养护至规定龄期形成所述固结材料。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征是所述固结材料采用薄膜保湿养护。
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