含脫硫灰渣氣泡混合輕質土硫酸鈉耐久性試驗研究

任啟航

(中鐵城建集團第一工程有限公司，山西 太原 030024)

1 概述

節約資源和保護環境是我國的基本國策。脫硫灰渣是火電廠煙氣脫硫的產物，含硫量較高，在與水泥混合使用時易生成腐蝕物質并造成體積膨脹破壞[1-3]，不利于脫硫灰渣的固廢再利用。目前對脫硫灰渣的研究大多集中于脫硫灰渣替代水泥等膠凝材料的領域中[4]，如Solem-Tishmack J K等[5]將脫硫灰渣應用于砌筑砂漿，表現出良好的工程性能；劉匯東[6]采用同步還原燒焙法降低脫硫灰渣中SO3含量，處理過后的灰渣符合水泥和混凝土生產用粉煤灰標準；余方喜[7]通過研究發現脫硫灰渣有較好的溶解性能和活性，具備與水泥材料混合使用的良好條件。為了擴寬脫硫灰渣的應用范圍，還需要進一步對脫硫灰渣的綜合利用拓寬思路，尋求新的解決辦法。

氣泡混合輕質土是一種將水泥、摻合料、水和穩定氣泡群充分混合后的新型輕質材料，具有輕質性、保溫隔熱性和多孔性等。將脫硫灰渣摻入到氣泡混合輕質土中，可利用材料的多孔性緩解脫硫灰渣帶來的膨脹劣化問題。國內外對氣泡混合輕質土的研究較為全面[8-9]，但對含脫硫灰渣的輕質土研究較為少見，特別是對于硫酸鹽溶液腐蝕下的耐久性研究較少。

本文針對含脫硫灰渣的氣泡混合輕質土，通過分析輕質土在硫酸鈉溶液腐蝕下無側限抗壓強度的變化規律，研究輕質土的硫酸鈉耐久性能，并借助XRD和SEM電鏡掃描等一系列微觀手段，探究含脫硫灰渣的氣泡混合輕質土的硫酸鈉耐久性機理。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

試驗材料主要包括水泥、脫硫灰渣、發泡劑和水。

本試驗所采用的水泥為太原獅頭水泥股份有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥。水泥的化學成分采用X射線熒光分析獲得，見表1。

表1 水泥各化學成分的質量分數 %

本試驗所用脫硫灰渣為太原某電廠生產，采用密度計法對灰渣級配進行測試，得出顆粒級配曲線，見圖1。從圖1中可以看出灰渣粒徑主要集中在0.05 mm～0.01 mm范圍內。

測試依照GB/T 1596—2017用于水泥和混凝土的粉煤灰，經檢驗，該樣品中三氧化硫不符合規范中C類粉煤灰要求，含硫量較高。

本試驗采用的發泡劑為北京亞設建材科技有限公司所產的YS復合型發泡劑，它屬于復合發泡劑，由陰離子表面活性劑和動物蛋白復合而成。本次試驗中將發泡劑按1∶40的比例(按質量)用水稀釋。發泡后密度為37.5 kg/m3。

2.2 試驗準備

試驗的配合比設計參考CJJ/T 177—2012氣泡混合輕質土填筑工程技術規程的建議。作為探索性試驗，試驗擬設計四種水泥/脫硫灰渣比例作性能測試：分別為1∶1，1∶2，1∶3和1∶4，分別對應脫硫灰渣占總物料質量的50%，66.7%，75%和80%；為了滿足料漿和易性要求，進行了多種水膠比試配試驗，最終確定填料中加水質量同總物料質量的比例為0.7。具體配合比見表2。

表2 配合比設計

本試驗的養護環境分為標準水環境養護和硫酸鈉鹽溶液養護，鹽溶液中硫酸鈉的質量分數分別為5%，10%和15%。試樣在清水和鹽溶液環境中養護28 d后取出，進行力學和微觀試驗。

2.3 試驗方法

無側限抗壓強度試驗參照CJJ/T 177—2012氣泡混合輕質土填筑工程技術規范中對試樣的無側限抗壓強度進行測定。

試驗采用的XRD儀器型號為LabX XRD-6000，試驗中XRD測試采用Cu靶，管壓為40 kV，電流30 mA，掃描步長0.02°，掃描速度100/min，掃描范圍5°～50°。

試驗采用的電鏡掃描儀器為TM-3030掃描電子顯微鏡，試驗中儀器的放大倍率為300倍～5 000倍。

3 結果與分析

3.1 無側限抗壓強度

試樣在不同濃度的硫酸鈉(0%，5%，10%，15%)溶液中浸泡28 d后，其外觀形態見圖2。

從圖2可以看出當含高硫粉煤灰的量為50%時，在4種濃度的硫酸鈉溶液腐蝕下，試樣的外觀變化不大，表面未出現明顯的坑蝕現象，表現出較好的完整性；當含高硫粉煤灰的量為66.7%時，大部分試樣外觀依然保持較好，沒有開裂現象，但硫酸鈉濃度為15%的試樣邊緣出現輕微的剝落；當含高硫粉煤灰的量為75%時，試樣表面隨著硫酸鈉濃度的增高而逐漸變粗糙，并伴有白色膏狀物質析出，硫酸鈉濃度為10%和15%的試樣出現表皮的腐蝕剝落；而當含高硫粉煤灰的量增加到80%時，只有清水和5%硫酸鈉濃度下的試樣保持良好，10%硫酸鈉濃度下的試樣出現較為嚴重的破損，而15%硫酸鈉濃度下的試樣則受到嚴重侵蝕，整體表現潰爛。

以上分析得出，硫酸鈉對含脫硫灰渣輕質土外觀腐蝕的嚴重程度可歸納為隨高硫粉煤灰含量的增加而增加，隨硫酸鈉濃度的增加而增加。

為探究硫酸鈉溶液對輕質土力學性能影響，對浸泡后的試樣進行無側限抗壓強度試驗，試樣腐蝕后的無側限抗壓強度見圖3。

從圖3(a)可以看出，相較于標準養護，在清水養護以及低濃度的硫酸鈉溶液下，試樣強度整體得到了增強，表明水環境養護下，有利于氣泡混合輕質土的水化作用，而受硫酸鈉溶液影響，部分高濃度下的強度曲線要低于清水甚至標準養護下的強度曲線；整體上氣泡混合輕質土的無側限抗壓強度隨脫硫灰渣的變化規律仍然同標準養護下的試樣一致，即隨灰渣含量的增加而先增大后減小，峰值出現在66.7%；區別于其他曲線，當硫酸鈉濃度為15%時，灰渣從50%增大到66.7%時的強度增量較小，導致整體峰值并不顯著，同時灰渣從75%增大到80%時強度曲線發生陡降。

圖3(b)則反映出含脫硫灰渣的氣泡混合輕質土無側限抗壓強度隨硫酸鈉濃度的變化規律。可以發現，不同脫硫灰渣含量下的試樣，其無側限抗壓強度隨硫酸鈉濃度的增加而先增加后降低，表明硫酸鈉溶液濃度對氣泡混合輕質土的強度變化有很大影響，低濃度的硫酸鈉對強度具有提高作用，而當硫酸鈉濃度增大到一定程度時，強度反而還會降低：對于含脫硫灰渣的量為50%和66.7%的試樣，當硫酸鈉濃度低于10%時，其強度隨硫酸鈉濃度的增加而增加，當硫酸鈉濃度大于10%，強度開始降低；而對于含脫硫灰渣的量為75%和80%的試樣，強度降低出現得更快。

綜上表明，脫硫灰渣含量較低的氣泡混合輕質土要比高含量的試樣對硫酸鈉溶液腐蝕的抵抗性能更好，表現為無側限抗壓強度曲線中的波動幅度較小，而對于脫硫灰渣含量較高的輕質土試樣，強度曲線的起伏則較大。

3.2 XRD分析

圖4為含脫硫灰渣的量為75%試樣下的XRD圖譜，可知在不同硫酸鈉濃度下的XRD衍射圖譜各有異同。

3.3 SEM和EDS分析

圖5展示了含脫硫灰渣的量為75%的試樣分別在5%，10%和15%硫酸鈉溶液腐蝕下的SEM圖像和EDS分析。

一般認為[11-13]，AFt晶體具有針刺狀或棒狀結構，而石膏晶體則通常呈板狀，亦有呈扁豆狀，其集合體多呈致密土粒狀或纖維狀。

圖5(a)為5%硫酸鈉濃度下試樣的5 000倍放大圖，可以看到中部孔隙區域分布著大量土粒狀的石膏晶體集合體，孔隙邊緣處錯落生長著棒狀的AFt晶體，這些腐蝕物質占據了一部分孔隙空間；當硫酸鈉濃度達到10%時，AFt晶體和石膏晶體對孔隙的填充作用更加明顯，晶體在生長過程中逐漸占據了胞孔的空間，形成一個新的結構體系，在結晶壓力破壞胞孔壁之前，對結構密實起到良好效果，整體結構較5%的試樣更為緊密，見圖5(c)；而當硫酸鈉濃度達到15%時，土粒狀的石膏晶體更像是附著在基體表面，結構更為密實，見圖5(e)。取SEM圖中的方框位置同步做EDS分析，見圖5(b),圖5(d)和圖5(f)，可以發現這一區域中的S元素占據了較大比重，證明了AFt晶體和石膏晶體的存在。

4 結語

含脫硫灰渣的氣泡混合輕質土對于硫酸鈉溶液的腐蝕主要受到鹽溶液濃度和脫硫灰渣含量的影響，其中鹽溶液濃度的影響最大。

含脫硫灰渣的氣泡混合輕質土抵抗硫酸鈉溶液腐蝕的閾值濃度為10%：低于10%濃度時，硫酸鈉腐蝕有利于輕質土強度的提高，且脫硫灰渣的增多促進其強度增強；高于10%濃度時輕質土強度降低，且脫硫灰渣含量增多導致輕質土強度下降。

高濃度硫酸鈉溶液腐蝕下的試樣存在比低濃度更強烈的AFt晶體和石膏晶體的衍射峰，按強度大小排列分別為硫酸鈉濃度15%>10%>5%。

在不同濃度的硫酸鈉腐蝕下，腐蝕產物對氣泡混合輕質土中的孔隙有不同影響：5%濃度下，AFt晶體和石膏晶體填充了部分孔隙空間，10%濃度下，AFt晶體和石膏晶體對孔隙的填充作用更加明顯，而15%濃度下，孔隙結構相比5%和10%濃度下更為擠密。