關鍵詞：　固硫灰；　泡沫混凝土；　強度；　膨脹率；　凝結時間

循環(huán)流化床燃煤技術（Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ?。拢澹洹。茫铮恚猓酰螅簦椋铮?，簡稱 ＣＦＢＣ）投入成本低、脫硫效率高、氮 氧化物排放量少、燃煤適應性強并且負荷調(diào)節(jié)范圍大，近年來被廣泛推廣［１－２］。為此，大量的流化床鍋爐投入

使用并伴隨大量的固硫灰渣。目前，脫硫后的灰渣還沒有成熟的處理方法，多處于堆積狀態(tài)成為二次污染

物。為進一步推廣循環(huán)流化床燃煤技術，急需解決固硫灰的處理及利用問題。泡沫混凝土是一種利廢、環(huán)

保、節(jié)能、性能好的新型保溫隔熱材料，有著廣泛的發(fā)展前景。然而輕質(zhì)建筑材料的迅速發(fā)展，導致各種建筑 材料資源被大量消耗，一些地方出現(xiàn)資源短缺，如河砂緊缺，水泥單價暴漲，水泥、粉煤灰的應用已經(jīng)出現(xiàn)供 不應求的嚴重矛盾［３］。因此，如何尋找其它填料來源，借以生產(chǎn)質(zhì)優(yōu)價廉的輕質(zhì)建筑材料，成為輕質(zhì)建筑材 料急需解決的一個問題。綜合這兩個問題，研究利用固硫灰制備泡沫混凝土是非常有意義的。

固 硫 灰 中 含 有 硬 石 膏、未 分 解 的 石 灰 石、未參 與固硫的氧化鈣 及活性 Ａｌ２ Ｏ３ 和 ＳｉＯ２，組 成

［４－５］

 

ＣａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳＯ３系統(tǒng)，具有自硬性，但強度發(fā)展緩慢、凝結時間長

 

。因此，研究了固硫灰泡沫混凝土基體

 

材料的性能，詳細討論了石灰、鋁酸鹽水泥等在不同養(yǎng)護方式下單摻、復摻對熟料－固硫灰凈漿強度、凝結時 間及膨脹性能的影響，在此基礎上，利用最佳配比及養(yǎng)護方式制備出含固硫灰 ７０％、容重 ３９３ｋｇ／ｍ３、強度

２．１ ＭＰａ的泡沫混凝土。

１　實　驗

１．１　原材料

硅酸 鹽 水 泥 熟 料：ＰⅠ ４２．５Ｒ，四 川 峨 勝 集 團；鋁 酸 鹽 水 泥：

Ａｌ５０，貴州銀都耐火材料廠；固硫灰：四川省內(nèi)江市白馬電廠提供，

主要化學成分見表１，主要礦物組成的 Ｘ 射線衍射圖譜見圖１。

泡沫混凝土

　　生石灰：購于四川省江油市，含８４．２％的活性 ＣａＯ，消化溫度 為９２ ℃，消化時間為４ｍｉｎ，屬于快速消解石灰。

１．２　方法

凈漿試塊制備：將原料按配比混合后?。埃担档乃冶龋捎茫玻埃恚?times;２０ｍｍ×２０ｍｍ 模成型凈漿試件，

然后在不同條件下養(yǎng)護至各齡期測試強度。

凈漿線性膨脹率試件的制備和測定：參照ＪＣ／Ｔ?。常保?mdash;８２（１９９６）《膨脹水泥膨脹率檢驗方法》進行。采用

２５ｍｍ×２５ｍｍ×２８０ｍｍ 模成型凈漿試件，取０．５５的水灰比，在標準養(yǎng)護室中帶模養(yǎng)護４８ｈ拆模，用百分 表測定其初長 Ｌ０，然后在不同條件下養(yǎng)護，測定某一設定齡期的長度 Ｌ１，自由膨脹率即為（Ｌ１ －Ｌ０）／２５０×

１００％。

養(yǎng)護方法：兩種養(yǎng)護方式，１）標養(yǎng)－拆模后直接放入（２０±２）℃、濕度為９８％的標養(yǎng)箱中養(yǎng)護至各齡期；

２）蒸養(yǎng)－拆模后放入蒸養(yǎng)箱６０ ℃蒸養(yǎng)１ｄ，然后放入（２０±２）℃、濕度為９８％的標養(yǎng)箱中養(yǎng)護至各齡期。

凈漿標準稠度用水量、凝結時間參照 ＧＢ／Ｔ?。保常矗?mdash;２０１１《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗 方法》進行測試。

２　結果與分析

２．１　石灰、鋁酸鹽水泥對基體凝結時間的影響

生石灰作為堿性激發(fā)劑能在一定摻量范圍內(nèi)提高基體的強度及耐久性。同時，也為漿體稠化、凝結、硬

化提供熱量。鋁酸鹽水泥屬于快硬體系，與普通硅酸鹽水泥熟料以及含硬石膏的固硫灰搭配使用時，體系的 凝結時間將發(fā)生改變。表２為石灰、鋁酸鹽水泥對基體凝結時間的影響。

從表２可知，固硫灰標準稠度用水量大，凝結緩慢，摻入３０％的硅酸鹽水泥熟料可使體系的凝結時間與 普通硅酸鹽水泥相當，加入石灰和鋁酸鹽水泥可進一步縮短體系的凝結時間。實驗表明，隨著石灰摻量的增

加，標準稠度用水量逐漸增加，基體凝結時間逐漸縮短。隨著石灰摻量的增加，放出的熱量增多，從而加速了 漿體的稠化和凝結。但是，過多地加入石灰會降低漿體的流動性不利于泡沫的加入。鋁酸鹽水泥摻量對標

 

準稠度用水量及終凝時間影響不大，但初凝時間先縮短后增加。許多學者研究了鋁酸鹽水泥－硅酸鹽水泥－

石膏系統(tǒng)的性能，認為其凝結和強度性能比硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥的混合物有很大不同［６－７］。當然，鋁酸 鹽水泥－硅酸鹽水泥熟料－固硫灰系統(tǒng)再加入石灰會使得體系更為復雜，表現(xiàn)出不同的性能，其水化硬化機理 有待進一步研究。

泡沫混凝土

２．２　單摻石灰、鋁酸鹽水泥對基體強度的影響

基體的配制采用７０％ 的 固 硫 灰 和 ３０％ 的 水 泥 熟 料。 石 灰、鋁 酸 鹽 水 泥 分 別 單 摻 等 量 取 代 水 泥 熟 料

０％～１２％和０％～１０％，水灰比?。埃担?。采用蒸養(yǎng)，其摻量對基體強度的影響如圖２、圖３所示。

泡沫混凝土

１）單摻石灰對基體強度的影響　固硫灰水化自硬性主要來源于３個反應過程：（１）游離氧化鈣消解生成 氫氧化鈣；（２）活性三氧化鋁與硬石膏和氫氧化鈣反應形成鈣礬石；（３）活性二氧化硅與氫氧化鈣反應生成水 化硅酸鈣［８］?？梢?，氫氧化鈣的量對固硫灰凝結、硬化以及強度的發(fā)展有重要的影響。然而，固硫灰中的氧 化鈣被硬石膏包裹溶解緩慢。因此，通過摻加生石灰可以改善水泥熟料、固硫灰體系的強度。

由圖２可知，隨著生石灰摻量的增加，基體３ｄ強度逐漸降低而２８ｄ、５６ｄ強度先增加后降低。當生石 灰摻量為８％時，２８ｄ、５６ｄ強度均出現(xiàn)最大值３０．２８ ＭＰａ、３５．１２ ＭＰａ，分別比空白樣高８．２２％、１３．７８％。 由于生石灰是取代水泥摻入基體的，隨著石灰摻量的增加，水泥的量相應減少導致３ｄ強度降低。固硫灰水 化緩慢，在后期氫氧化鈣逐漸被消耗，摻入的石灰為后續(xù)反應提供了鈣源，保持了系統(tǒng)的堿度，使得水化硅酸 鈣以纖維狀結構存在［９］，可見石灰的摻入有助于固硫灰制品的耐久性，但隨著生石灰量繼續(xù)增加，體系中過

 

剩的 Ｃａ２＋ 和 ＯＨ－ 在蒸養(yǎng)過程中結晶形成 Ｃａ（ＯＨ）２使體積膨脹，系統(tǒng)內(nèi)部因出現(xiàn)微裂紋而使強度降低 由圖２可知石灰的最佳摻量為６％～１０％。

 

［１０］。

 

２）單摻鋁酸鹽水泥對基體強度的影響　循環(huán)流化床固硫灰復合膠凝材料的水化誘導期較長，水化放熱

速率明顯變小，水化熱較低，凝結時間長［１１－１３］。因此，為加速固硫灰泡沫混凝土的凝結硬化，在基體中摻入一

定量的鋁酸鹽水泥。由圖３可知，隨著鋁酸鹽水泥摻量的增加，基體３ｄ強度逐漸降低，２８ｄ、５６ｄ強度呈減 小趨勢。但當摻量為 ２％ 時，３ｄ強度比空白樣降低了 ２．４９％，而 ２８ｄ、５６ｄ強度分別比空白 樣 高 ３．９％、

 

１０．５６％，當摻量為１０％時，３ｄ、２８ｄ、５６ｄ強度分別降低了２５．５１％、２３．４４％和２２．２５％。實驗表明，摻入少 量的鋁酸鹽水泥強度略有增長，若繼續(xù)增大摻量強度明顯下降。但隨齡期增長強度下降幅度減小，其最佳摻

量為０％～２％。

２．３　石灰、鋁酸鹽水泥復摻對基體強度的影響

由２．２得出石灰、鋁酸鹽水泥在一定的摻量范圍內(nèi)都有利于基體強度的發(fā)展，將兩者復合化基體強度怎 樣發(fā)展，各自最佳摻量是否發(fā)生變化？許多文獻報道：鋁酸鹽水泥不應任意與石灰或水化后有氫氧化鈣形成

的膠凝材料混合使用，否則會發(fā)生凝結不正常和強度下降，此外，鋁酸鹽水泥的水化過程及產(chǎn)物與溫度的關

系極大［１４］。故分別在鋁酸鹽水泥、石灰最佳摻量下研究石灰、鋁酸鹽水泥在標養(yǎng)及蒸養(yǎng)（６０ ℃蒸養(yǎng)１ｄ）下 對基體強度的發(fā)展。

由圖４可知，標養(yǎng)時基體強度發(fā)展緩慢，１ｄ、３ｄ、７ｄ強度最高分別為１．１５ ＭＰａ、２．８２ ＭＰａ、５．１５ ＭＰａ， 而２８ｄ、５６ｄ強度最高僅為２１．３８ ＭＰａ、２７．９８ ＭＰａ。顯然，這樣的基體配制泡沫混凝土，其強度發(fā)展尤為緩 慢，不僅不能及時脫模而且制品在搬運過程中易損壞。圖５是試塊脫模后，６０ ℃蒸養(yǎng)１ｄ，然后放入標養(yǎng)箱 中養(yǎng)護至各齡期測得的強度。采用蒸氣養(yǎng)護不僅可提高反應物的活性，加速膠凝材料的水化而且可使得產(chǎn) 物的膨脹能提前釋放，提高制品的后期耐久性。從圖５可知，采用蒸氣養(yǎng)護，試塊早期強度發(fā)展較快，３ｄ、

７ｄ強度最高 分 別 為 ２３．９８ ＭＰａ、２５．５４ ＭＰａ，比 同 齡 期 標 養(yǎng) 增 加 了 ２１．１６ ＭＰａ、２０．３９ ＭＰａ；２８ｄ 強 度

３０．４８ ＭＰａ比標養(yǎng)５６ｄ強度還高２．５ ＭＰａ?？梢?，蒸氣養(yǎng)護可加速制 品 強 度 的 發(fā) 展，３ｄ強 度 相 當 于 標 養(yǎng)

２８ｄ，后期強度增長緩慢，但并未出現(xiàn)強度倒縮。

泡沫混凝土

標養(yǎng)時，石灰、鋁酸鹽水泥復摻對基體早期強度（１ｄ、３ｄ、７ｄ）影響不大，但后期強度（２８ｄ以后）隨石灰 摻量增加先增加后降低，峰值出現(xiàn)在２％，隨著齡期的增長石灰摻量對基體強度的影響變小。相反，隨著齡 期的增長鋁酸鹽水泥對基體強度的影響增大且隨著摻量的增加基體強度逐漸降低。蒸養(yǎng)時，基體強度隨著 石灰、鋁酸鹽水泥摻量的增加而降低。但石灰對基體強度的影響低于鋁酸鹽水泥，且隨著齡期的增長影響逐 漸減小，這個規(guī)律與標養(yǎng)是一致的。固硫灰中的含硫礦物幾乎都以Ⅱ－ＣａＳＯ４形式存在，經(jīng)過８５０～９００ ℃的 煅燒，具有自己獨特的溶解特性［１５］。鋁酸鹽水泥的加入為體系提供了鋁源，早期鈣礬石量增加，后期隨著硬 石膏的溶解，延遲鈣礬石和二水石膏生成，破壞已經(jīng)形成的結構，導致強度降低［１６－１７］。

將２．３的圖５（ａ）、圖５（ｂ）與２．２的圖２、圖３相比較可得出：石灰與鋁酸鹽水泥復摻不利于基體強度的 發(fā)展，且隨著石灰、鋁酸鹽水泥摻量增加基體強度逐漸降低。由表２可知，石灰與鋁酸鹽水泥復合化可使體

系的初凝時間縮短８．６％～２６．７％。由以上實驗研究綜合可得：在固硫灰摻量較大（５０％以上）需調(diào)整漿體

凝結時間時，可摻入２％的鋁酸鹽水泥或８％的石灰來調(diào)整漿體的性能。

２．４　石灰、鋁酸鹽水泥對基體膨脹的影響

分別采用表２中 Ａ１～Ａ４組和 Ａ３、Ｂ１、Ｂ３、Ｂ５組的配比，研究了石灰、鋁酸鹽水泥在標養(yǎng)和蒸養(yǎng)下對基

體膨脹率的影響。由圖６可知，基體在標養(yǎng)下具有前期膨脹迅速，后期膨脹減緩的趨勢；膨脹隨石灰摻量的 增加而增大，拐點出現(xiàn)時間推遲；隨著鋁酸鹽水泥摻量的增加前期膨脹增大，拐點出現(xiàn)的時間提前，后期膨脹

Ｂ３＞Ｂ５＞Ｂ１＞Ａ３。由圖７可知，在蒸養(yǎng)下基體膨脹隨石灰、鋁酸鹽水泥摻量增加而增大，隨齡期增加基體 膨脹變化不明顯，均在７ｄ時出現(xiàn)膨脹最小值。對比兩圖可知：蒸養(yǎng)可使基體膨脹提前釋放且膨脹率遠低于

標養(yǎng)（蒸養(yǎng)膨脹值約為標養(yǎng)的２０％）。

泡沫混凝土

眾所周知，３份 ＳＯ３需要２．１份ｆ－ＣａＯ、０．５份 Ａｌ２Ｏ３水化生成１份鈣礬石。此外，活性 ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３也需 要一定量的ｆ－ＣａＯ 與之反應，生成水化硅酸鈣、水 化 鋁 酸 鈣。由于所用固硫灰中ｆ－ＣａＯ 含 量 小 于 ２％ 且 被 ＣａＳＯ４Ⅱ包裹，故外摻生石灰補充ｆ－ＣａＯ 促進鈣礬石生成，增加了基體膨脹。但氧化鈣的加入對硬石膏的溶

 

解有 不 利 影 響，致 使 拐 點 延 遲［６］；固 硫 灰 中 活 性 Ａｌ Ｏ

 

含 量 較 少，外 摻 鋁 酸 鹽 水 泥 提 供 了 鋁 源，

 

２   ３

ＣａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳＯ３系統(tǒng)迅速反應生成大量鈣礬石導致拐點提前。但過多地加入鋁酸鹽水泥使 Ｓ／Ａ 比降低，部 分鈣礬石轉(zhuǎn)變成單硫型硫鋁酸鈣使得后期膨脹 Ｂ５＜Ｂ３［７］。蒸氣養(yǎng)護可使基體在較短時間內(nèi)獲得較高的強 度，而膨脹與強度是相互制約的，強度越高膨脹所需的能量就越大，外在表現(xiàn)出的膨脹值越小［１８］。泡沫混凝土設備

２．５　養(yǎng)護制度對基體強度及膨脹的影響

 

　通過前面的實驗得出基體 的最 佳 配 比 為 Ｂ１ 組，石 灰 取

代水 泥 熟 料 ８％，鋁 酸 鹽 水 泥 取代總量的 ２％。標養(yǎng)不利于基體強度的發(fā)展同時也不利于 泡沫混凝土的生產(chǎn)，故研究蒸養(yǎng)下不同養(yǎng)護溫度與時間對基體 Ｂ１組強度及膨脹的影響。

由表３可知：基體強度隨蒸氣養(yǎng)護溫度升高而增加，隨蒸氣養(yǎng)護時間增長而增加同時隨齡期增加強度升 高。其中蒸氣養(yǎng)護的基體強度高于蒸壓養(yǎng)護，且３ｄ與２８ｄ的強度增長率約為蒸壓的２倍，這可能是因為蒸

 

壓養(yǎng)護（１８０ ℃保溫７．５ｈ）反應機理與蒸氣養(yǎng)護不同，Ｂ１組的配比不適用于蒸壓養(yǎng)護。

養(yǎng)護制度對 Ｂ１組膨脹的影響見圖８，其影響大小為：９１＜蒸壓

＜９２＜６１＜６２（編碼規(guī)則：第１個數(shù)字代表養(yǎng)護溫度，第２個數(shù)字代

表恒溫時間。如：９１為９０ ℃蒸養(yǎng)１ｄ，依次類推），可見，蒸氣養(yǎng)護 溫度越高膨脹越小，蒸氣養(yǎng)護１ｄ的膨脹值低于蒸氣養(yǎng)護２ｄ，蒸壓 養(yǎng)護的膨脹值介 于 ９１、９２ 之 間?？?見，膨 脹 除 了 與 強 度 有 關 外 還

與體系水 化產(chǎn) 物的 種類和形態(tài)有關。蒸氣養(yǎng)護形成較 為 粗 大 的

ＡＦｔ針棒狀晶體，并趨于離開含鋁礦物表面析出，這種 ＡＦｔ膨脹能 較小［１９］。蒸壓養(yǎng)護產(chǎn)物以托貝莫來石為主，可能會有水化石榴石 但無鈣礬石生成，體系膨脹較小［１８］。蒸養(yǎng)１ｄ的膨脹低于蒸養(yǎng)２ｄ， 但２１～２８ｄ的膨脹值有增加的趨勢，在后期膨脹值有可能高于蒸 養(yǎng)２ｄ。