脱硝脱硫粉煤灰对水泥性能影响的机制及控制技术研究

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粉煤灰是火电厂燃煤锅炉排放的一种工业废渣,是一种人造的火山灰质材料。利用粉煤灰作为辅助性胶凝组分生产水泥,是其资源化利用的有效途径之一。但近年来火电厂在原有脱硫工艺的基础上加装脱硝设备,致使粉煤灰在建材行业的利用中出现异常气味、拌合物含气量高、胶砂体积膨胀、强度下降等异常现象,限制了粉煤灰在水泥混凝土中的资源化利用。本文针对以上问题采用模拟脱硝脱硫灰的形式,研究了粉煤灰单掺脱硝副产物(NH4HSO4)、单掺脱硫副产物(CaSO4?2H2O和CaSO3?0.5H2O)和复掺脱硝脱硫副产物(NH4HSO4、CaSO4?2H2O和CaSO3?0.5H2O)对水泥体系标准稠度需水量、凝结时间、安定性以及强度等宏观性能的影响规律。利用XRD、SEM-EDS、TG-DSC、水泥水化热测定仪以及压汞仪等测试手段进行机理分析,得出了脱硝脱硫副产物对粉煤灰-水泥体系物相组成、微观形貌、水化产物、水化程度以及孔结构的影响情况。提出了脱硝脱硫粉煤灰的改性方法。研究结果对脱硝脱硫粉煤灰的综合利用以及水泥工业的节能减排、可持续发展具有巨大的经济价值和社会意义。主要研究结果如下:(1)当脱硝副产物NH4HSO4掺量大于1.5 wt.%时,随其掺量的增加,初凝时间和终凝时间明显延长,而副产物掺量对水泥需水量及安定性影响较小;当掺量大于1.5 wt.%时,体系各龄期抗压强度和抗折强度随掺量增加逐渐降低;物相组成中出现重铵矾晶体;副产物导致水泥结构28d时无害孔和少害孔数量减少,多害孔数量增加,总孔隙率增加;水泥体系初始水化期的放热速率增加,加速期和衰减期的放热速率降低,水泥水化3d时累计放热总量明显增加。(2)脱硫副产物CaSO4?2H2O占比越大,水泥初凝时间和终凝时间越长;当副产物掺量小于2.0 wt.%时,其掺量及CaSO4?2H2O和CaSO3?0.5H2O的掺加比例对水泥结构3d、7d抗压强度影响较小,28d各组的抗压强度值较空白组高37 MPa,而当掺量大于2.0 wt.%时,各组各龄期的抗压强度值降低36 MPa;由于CaSO4?2H2O的溶解度大于CaSO3?0.5H2O,其易与水泥反应生成钙矾石,提高体系的早期强度;副产物CaSO4?2H2O对粉煤灰的激活作用明显,随着龄期的延长,体系中的玻璃体相(莫来石和石英)和Ca(OH)2的衍射峰值逐渐降低。(3)在脱硫副产物掺量2.0 wt.%条件下,随着脱硝副产物掺量的增加,水泥结构3d、7d和28d的抗压强度较空白样分别降低13 MPa、15 MPa和110 MPa,与单掺脱硫副产物各龄期高于空白样17 MPa形成鲜明对比;复掺脱硝脱硫副产物造成水泥硬化结构凝胶数量减少,有害孔数量增多,总孔隙率增加,说明脱硝副产物对水泥结构的危害程度远大于脱硫副产物;副产物中的CaSO4?2H2O占比越高,粉煤灰的水化程度越高,玻璃体相的衍射峰值越低,体系中非蒸发水含量越高,Ca(OH)2含量越低。(4)采用预水化方法处理脱硝脱硫粉煤灰,水泥结构3d、7d和28d的抗压强度和抗折强度分别提高1%、4%和9%;通过孔溶液氮含量的测试结果可知,处理后的水泥结构1d龄期氮含量降低68%,7d龄期氮含量降低36%,28d之后体系氮含量维持5%左右;由于处理后的粉煤灰可以有效改善粉煤灰-水泥体系的孔结构,使得总孔隙率降低2.18%;在耐久性方面,其抗氯离子渗透能力与抗硫酸盐侵蚀能力得到大大提高。
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