循環流化床灰在砂漿中的應用研究

趙 波,唐顯鵬

(四川國檢檢測有限責任公司，瀘州 646000)

循環流化床燃燒技術(CFB)最初是從20世紀70年在中國開始使用，經過幾十年的發展，我國的循環流化床燃燒技術日益完善，是我國火電廠和熱電廠廣泛應用的一種適用于劣質煤的燃煤技術。由于該技術屬于潔凈燃煤技術，國家也在大力對循環流化床燃燒技術進行推廣。隨著CFB燃煤技術的推廣與普及，CFB灰的排放量也在逐步增長，廢棄灰渣的堆積也會越來越多，對環境污染特別嚴重[1]。

由于循環流化床燃燒爐的燃燒溫度通常在800～900 ℃之間，而傳統煤粉爐燃燒溫度通常在1 200～1 400 ℃之間[2,3]，循環流化床燃燒爐燃燒的產物多以煤灰和煤渣的形式存在，很少能夠形成融態的硅鋁玻璃球體[4]，并且采用低熱值劣質煤作為燃料，以及在燃燒過程中加入脫硫劑等原因，所以循環流化床粉煤灰與傳統煤粉爐粉煤灰在形式上和化學成分上有很大的不同。

當前對CFB灰的利用程度還不高，多數廢棄灰渣采用堆放處理，部分應用于路基材料、水泥混合材料以及墻體材料等[5]。該研究將CFB灰替代PC灰摻入砂漿中，并對砂漿各項性能進行研究，不僅增加了CFB灰的利用途徑，還可以降低砂漿整體成本，并且在一定程度上對砂漿基本性能有一定的改善作用，同時起到了環保作用和提高了經濟效益。

1 原材料及試驗方法

1.1 水泥

水泥采用四川某水泥有限公司生產的強度等級為42.5R的普通硅酸鹽水泥(P· O42.5R)，水泥密度為3 030 kg/m3，比表面積360 m2/kg，3 d和28 d抗壓強度分別為29.5 MPa和51.5 MPa，各項檢測指標均符合《通用硅酸鹽水泥》GB 175—2007標準要求。

1.2 摻合料

摻合料采用四川某粉煤灰開發有限公司生產的PC灰(試驗代號F)和四川某熱電廠生產的CFB灰(試驗代號CF)，根據《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2017標準推薦的方法對兩種摻合料進行檢測，材料理化性能見表1。

表1 摻合料理化性能

1.3 外加劑

外加劑采用廣州浪淘沙新型材料有限公司生產的砂漿增塑劑，外加劑各項指標均符合《抹灰砂漿增塑劑》JG/T 426—2013標準的要求。

1.4 骨料

細骨料采用機制砂和天然砂按一定比例摻配使用，機制砂細度模數為2.9，表觀密度為2 690 kg/m3，石粉含量為6.3%。天然砂細度模數為1.4，表觀密度為2 560 kg/m3，含泥量為2.0%。砂石各項指標檢測結果均滿足相關標準要求。

2 砂漿性能試驗

2.1 試驗方法與環境

根據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ/T 70—2009標準[6]對砂漿進行制備和試驗，砂漿稠度、表觀密度、保水性、凝結時間在溫度(20±5)℃、相對濕度50%以上的環境條件下進行測定，抗壓強度試件脫模后在溫度(20±2)℃、相對濕度90%以上的環境下養護至規定的齡期后破型，干燥收縮試件成型后在溫度(20±2)℃、相對濕度90%以上的環境下養護7 d后拆模，再移入溫度為(20±2)℃、相對濕度(60±5)%的環境下養護至規定的齡期測量長度。

2.2 試驗過程

砂漿性能分析試驗采用基準砂漿和試驗砂漿對比分析的方式，基準砂漿中總膠材用量為340 kg/m3，其中水泥280 kg/m3、PC灰60 kg/m3，在保證單位用水量、水膠比、細骨料用量不變的前提下，將CFB灰分別按照20 kg/m3、40 kg/m3、60 kg/m3的替代量等量替代PC灰配制試驗砂漿，并對基準砂漿和試驗砂漿工作性能、物理力學性能以及收縮性能進行分析研究，經過配合比優化后的砂漿配合比如表2所示。

表2 砂漿配合比

3 結果分析

砂漿工作性能試驗結果見表3，砂漿抗壓強度和干縮性能試驗結果見表4。

表3 砂漿工作性能試驗結果

表4 砂漿抗壓強度和干縮性能試驗結果

3.1 摻合料性能結果分析

由表1中兩種摻合料的試驗結果看，CFB灰除需水量比偏高之外，其余指標均滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2017標準對Ⅲ級灰的要求。由于循環流化床鍋爐的燃燒溫度低于煤粉爐鍋爐并且采用低熱值劣質煤作為燃料，以及在燃燒過程中加入脫硫劑等原因，CFB灰的燒失量、需水量比以及三氧化硫含量明顯高于PC灰[6]。而在細度、安定性以及強度活性指數方面，CFB灰的細度略高于煤粉爐粉煤灰，活性指數相差1%，比較接近，安定性均符合標準要求。

3.2 砂漿工作性能結果分析

由表1中兩種摻合料的試驗結果和表3砂漿工作性能結果結合分析可見，CFB灰的需水量比為117%，明顯高于PC灰的100%，由于CFB灰表面微觀形態多程多孔疏松的不規則狀，且具有很強的吸水性，對外加劑的減水效果具有明顯的降低作用。由表3可看出，在保持外加劑摻量不變的情況下，不同的CFB灰替代量的試驗砂漿稠度在40～50 mm范圍內，表觀密度在1 920～2 005 kg/m3之間，凝結時間在410～450 min范圍之內，保水率在87%左右。與基準砂漿相比，砂漿稠度降低幅度在40%以上，砂漿表觀密度有明顯的增大，凝結時間也有顯著降低，保水率略微提高。并且，隨著CFB灰對PC灰替代量的提高，砂漿稠度和凝結時間逐漸降低，表觀密度逐漸增大[7]，此時的試驗砂漿的工作性能明顯低于基準砂漿的工作性能，不滿足相關標準和現場施工的要求。

而隨著CFB灰對PC灰替代量的增大，試驗過程中適當提高外加劑摻量以保證試驗砂漿稠度與基準砂漿基本相同，并且隨著CFB灰替代量增大而增大摻量，此時試驗砂漿稠度均控制在80～85 mm之間，表觀密度在1 811～1 828 kg/m3之間，凝結時間在488～548 min范圍之內，保水率在88%左右。當編號為SY-6的試驗砂漿中CFB灰完全替代PC灰后，此時外加劑的摻量最大，試驗砂漿的稠度、表觀密度和凝結時間與基準砂漿在同一水平，保水性略優于基準砂漿。總體來看，編號為SY-6的試驗砂漿工作性能略優于基準砂漿，滿足相關標準和現場施工的要求。

3.3 砂漿力學性能結果分析

由表4可看出，在未提高外加劑摻量的情況下，試驗砂漿表觀密度有明顯的增大，含氣量有所降低，不同的CFB灰替代量的試驗砂漿的7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別在8.4～11.4 MPa和14.8～20.0 MPa之間，與基準砂漿相比，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度的提高幅度分別在38%～82%和48%～100%之間，抗壓強度具有較大幅度的提高。而隨著CFB灰對PC灰替代量的增大，試驗過程中適當提高外加劑摻量的情況下，此時的試驗砂漿7 d抗壓強度和28 d抗壓強度分別在6.1～7.8 MPa和10.8～13.1 MPa之間，與基準砂漿相比，7 d抗壓強度和28 d抗壓強度的提高幅度分別在0～18%和8%～31%之間，整體抗壓強度略有提高。而當CFB灰完全替代PC灰后，試驗砂漿7天抗壓強度與基準砂漿相等，28 d抗壓強度比基準砂漿高0.8 MPa[8]。

3.4 砂漿收縮性能結果分析

通過表4基準砂漿和試驗砂漿的收縮性能結果來看，試驗砂漿的28 d干燥收縮率略高于基準砂漿，試驗砂漿較基準砂漿的28 d干燥收縮率增加幅度在0.03%之內，其中試驗編號為SY-3與JZ-1同為0.06%，試驗編號SY-2和SY-6較JZ-1增幅為0.03%。由于CFB灰中的游離氧化鈣含量僅為0.01%，并且SO3含量為2.0%，SO3含量并未超出《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB/T 1596—2017標準限值3.0%，并且在相對濕度為(60±5)%的干燥環境下，砂漿在水化反應的過程中生成的膨脹性產物較少，此時各組試驗砂漿，整體表現為具有收縮性。

4 結 論

由于各地循環流化床燃燒爐使用的燃煤品種及化學組分各不相同，CFB灰的各組分含量也有比較大的差別，通過對四川某熱電廠CFB灰的應用于砂漿試驗研究得出如下結論：

a.材料性能方面：由于循環流化床燃燒爐溫度為800～900 ℃，比傳統的煤粉爐溫度低，導致部分碳粉燃燒不夠充分，使得燒失量、需水量比以及細度比較大。而且由于在燃燒過程中摻入了脫硫劑，使得燃燒產生的飛灰中三氧化硫含量比較高。

b.工作性方面：由于CFB灰的需水量比比較大，采用CFB灰替代PC灰后，增加了砂漿的容重，降低了稠度和凝結時間，對保水率影響不大。并且CFB灰對外加劑也有一定程度的影響，隨著CFB灰替代PC灰比例的增大，采用相應的提高外加劑摻量的手段，可以使試驗砂漿在稠度、凝結時間、表觀密度和保水率等工作性能與基準砂漿保持同一水平。

c.強度方面：采用CFB灰替代PC灰后，試驗砂漿強度比基準砂漿有一定幅度的提高，當提高外加劑摻量使工作性能與基準砂漿保持同一水平后，試驗砂漿與基準砂漿強度保持同一水平。

d.干燥收縮性能方面：在干燥養護環境下，試驗砂漿和基準砂漿均表現為一定程度的收縮。