含脱硫灰渣气泡混合轻质土硫酸钠耐久性试验研究

任启航

(中铁城建集团第一工程有限公司，山西 太原 030024)

1 概述

节约资源和保护环境是我国的基本国策。脱硫灰渣是火电厂烟气脱硫的产物，含硫量较高，在与水泥混合使用时易生成腐蚀物质并造成体积膨胀破坏[1-3]，不利于脱硫灰渣的固废再利用。目前对脱硫灰渣的研究大多集中于脱硫灰渣替代水泥等胶凝材料的领域中[4]，如Solem-Tishmack J K等[5]将脱硫灰渣应用于砌筑砂浆，表现出良好的工程性能；刘汇东[6]采用同步还原烧焙法降低脱硫灰渣中SO3含量，处理过后的灰渣符合水泥和混凝土生产用粉煤灰标准；余方喜[7]通过研究发现脱硫灰渣有较好的溶解性能和活性，具备与水泥材料混合使用的良好条件。为了扩宽脱硫灰渣的应用范围，还需要进一步对脱硫灰渣的综合利用拓宽思路，寻求新的解决办法。

气泡混合轻质土是一种将水泥、掺合料、水和稳定气泡群充分混合后的新型轻质材料，具有轻质性、保温隔热性和多孔性等。将脱硫灰渣掺入到气泡混合轻质土中，可利用材料的多孔性缓解脱硫灰渣带来的膨胀劣化问题。国内外对气泡混合轻质土的研究较为全面[8-9]，但对含脱硫灰渣的轻质土研究较为少见，特别是对于硫酸盐溶液腐蚀下的耐久性研究较少。

本文针对含脱硫灰渣的气泡混合轻质土，通过分析轻质土在硫酸钠溶液腐蚀下无侧限抗压强度的变化规律，研究轻质土的硫酸钠耐久性能，并借助XRD和SEM电镜扫描等一系列微观手段，探究含脱硫灰渣的气泡混合轻质土的硫酸钠耐久性机理。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

试验材料主要包括水泥、脱硫灰渣、发泡剂和水。

本试验所采用的水泥为太原狮头水泥股份有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥。水泥的化学成分采用X射线荧光分析获得，见表1。

表1 水泥各化学成分的质量分数 %

本试验所用脱硫灰渣为太原某电厂生产，采用密度计法对灰渣级配进行测试，得出颗粒级配曲线，见图1。从图1中可以看出灰渣粒径主要集中在0.05 mm～0.01 mm范围内。

测试依照GB/T 1596—2017用于水泥和混凝土的粉煤灰，经检验，该样品中三氧化硫不符合规范中C类粉煤灰要求，含硫量较高。

本试验采用的发泡剂为北京亚设建材科技有限公司所产的YS复合型发泡剂，它属于复合发泡剂，由阴离子表面活性剂和动物蛋白复合而成。本次试验中将发泡剂按1∶40的比例(按质量)用水稀释。发泡后密度为37.5 kg/m3。

2.2 试验准备

试验的配合比设计参考CJJ/T 177—2012气泡混合轻质土填筑工程技术规程的建议。作为探索性试验，试验拟设计四种水泥/脱硫灰渣比例作性能测试：分别为1∶1，1∶2，1∶3和1∶4，分别对应脱硫灰渣占总物料质量的50%，66.7%，75%和80%；为了满足料浆和易性要求，进行了多种水胶比试配试验，最终确定填料中加水质量同总物料质量的比例为0.7。具体配合比见表2。

表2 配合比设计

本试验的养护环境分为标准水环境养护和硫酸钠盐溶液养护，盐溶液中硫酸钠的质量分数分别为5%，10%和15%。试样在清水和盐溶液环境中养护28 d后取出，进行力学和微观试验。

2.3 试验方法

无侧限抗压强度试验参照CJJ/T 177—2012气泡混合轻质土填筑工程技术规范中对试样的无侧限抗压强度进行测定。

试验采用的XRD仪器型号为LabX XRD-6000，试验中XRD测试采用Cu靶，管压为40 kV，电流30 mA，扫描步长0.02°，扫描速度100/min，扫描范围5°～50°。

试验采用的电镜扫描仪器为TM-3030扫描电子显微镜，试验中仪器的放大倍率为300倍～5 000倍。

3 结果与分析

3.1 无侧限抗压强度

试样在不同浓度的硫酸钠(0%，5%，10%，15%)溶液中浸泡28 d后，其外观形态见图2。

从图2可以看出当含高硫粉煤灰的量为50%时，在4种浓度的硫酸钠溶液腐蚀下，试样的外观变化不大，表面未出现明显的坑蚀现象，表现出较好的完整性；当含高硫粉煤灰的量为66.7%时，大部分试样外观依然保持较好，没有开裂现象，但硫酸钠浓度为15%的试样边缘出现轻微的剥落；当含高硫粉煤灰的量为75%时，试样表面随着硫酸钠浓度的增高而逐渐变粗糙，并伴有白色膏状物质析出，硫酸钠浓度为10%和15%的试样出现表皮的腐蚀剥落；而当含高硫粉煤灰的量增加到80%时，只有清水和5%硫酸钠浓度下的试样保持良好，10%硫酸钠浓度下的试样出现较为严重的破损，而15%硫酸钠浓度下的试样则受到严重侵蚀，整体表现溃烂。

以上分析得出，硫酸钠对含脱硫灰渣轻质土外观腐蚀的严重程度可归纳为随高硫粉煤灰含量的增加而增加，随硫酸钠浓度的增加而增加。

为探究硫酸钠溶液对轻质土力学性能影响，对浸泡后的试样进行无侧限抗压强度试验，试样腐蚀后的无侧限抗压强度见图3。

从图3(a)可以看出，相较于标准养护，在清水养护以及低浓度的硫酸钠溶液下，试样强度整体得到了增强，表明水环境养护下，有利于气泡混合轻质土的水化作用，而受硫酸钠溶液影响，部分高浓度下的强度曲线要低于清水甚至标准养护下的强度曲线；整体上气泡混合轻质土的无侧限抗压强度随脱硫灰渣的变化规律仍然同标准养护下的试样一致，即随灰渣含量的增加而先增大后减小，峰值出现在66.7%；区别于其他曲线，当硫酸钠浓度为15%时，灰渣从50%增大到66.7%时的强度增量较小，导致整体峰值并不显著，同时灰渣从75%增大到80%时强度曲线发生陡降。

图3(b)则反映出含脱硫灰渣的气泡混合轻质土无侧限抗压强度随硫酸钠浓度的变化规律。可以发现，不同脱硫灰渣含量下的试样，其无侧限抗压强度随硫酸钠浓度的增加而先增加后降低，表明硫酸钠溶液浓度对气泡混合轻质土的强度变化有很大影响，低浓度的硫酸钠对强度具有提高作用，而当硫酸钠浓度增大到一定程度时，强度反而还会降低：对于含脱硫灰渣的量为50%和66.7%的试样，当硫酸钠浓度低于10%时，其强度随硫酸钠浓度的增加而增加，当硫酸钠浓度大于10%，强度开始降低；而对于含脱硫灰渣的量为75%和80%的试样，强度降低出现得更快。

综上表明，脱硫灰渣含量较低的气泡混合轻质土要比高含量的试样对硫酸钠溶液腐蚀的抵抗性能更好，表现为无侧限抗压强度曲线中的波动幅度较小，而对于脱硫灰渣含量较高的轻质土试样，强度曲线的起伏则较大。

3.2 XRD分析

图4为含脱硫灰渣的量为75%试样下的XRD图谱，可知在不同硫酸钠浓度下的XRD衍射图谱各有异同。

3.3 SEM和EDS分析

图5展示了含脱硫灰渣的量为75%的试样分别在5%，10%和15%硫酸钠溶液腐蚀下的SEM图像和EDS分析。

一般认为[11-13]，AFt晶体具有针刺状或棒状结构，而石膏晶体则通常呈板状，亦有呈扁豆状，其集合体多呈致密土粒状或纤维状。

图5(a)为5%硫酸钠浓度下试样的5 000倍放大图，可以看到中部孔隙区域分布着大量土粒状的石膏晶体集合体，孔隙边缘处错落生长着棒状的AFt晶体，这些腐蚀物质占据了一部分孔隙空间；当硫酸钠浓度达到10%时，AFt晶体和石膏晶体对孔隙的填充作用更加明显，晶体在生长过程中逐渐占据了胞孔的空间，形成一个新的结构体系，在结晶压力破坏胞孔壁之前，对结构密实起到良好效果，整体结构较5%的试样更为紧密，见图5(c)；而当硫酸钠浓度达到15%时，土粒状的石膏晶体更像是附着在基体表面，结构更为密实，见图5(e)。取SEM图中的方框位置同步做EDS分析，见图5(b),图5(d)和图5(f)，可以发现这一区域中的S元素占据了较大比重，证明了AFt晶体和石膏晶体的存在。

4 结语

含脱硫灰渣的气泡混合轻质土对于硫酸钠溶液的腐蚀主要受到盐溶液浓度和脱硫灰渣含量的影响，其中盐溶液浓度的影响最大。

含脱硫灰渣的气泡混合轻质土抵抗硫酸钠溶液腐蚀的阈值浓度为10%：低于10%浓度时，硫酸钠腐蚀有利于轻质土强度的提高，且脱硫灰渣的增多促进其强度增强；高于10%浓度时轻质土强度降低，且脱硫灰渣含量增多导致轻质土强度下降。

高浓度硫酸钠溶液腐蚀下的试样存在比低浓度更强烈的AFt晶体和石膏晶体的衍射峰，按强度大小排列分别为硫酸钠浓度15%>10%>5%。

在不同浓度的硫酸钠腐蚀下，腐蚀产物对气泡混合轻质土中的孔隙有不同影响：5%浓度下，AFt晶体和石膏晶体填充了部分孔隙空间，10%浓度下，AFt晶体和石膏晶体对孔隙的填充作用更加明显，而15%浓度下，孔隙结构相比5%和10%浓度下更为挤密。