摘要：主要研究了FGD石膏對礦渣混凝土氣體滲透和氯離子滲透性能的影響，為其在礦渣混凝土中的應用提供更多的理論依據。研究結果表明，FGD石膏加入礦渣混凝土以后，礦渣混凝土在各齡期的抗壓強度均有了一定程度的提高；摻有FGD石膏的礦渣混凝土的氣滲系數變小，抗氯離子滲透性能也得到改善。所以將FGD石膏作為一種復合摻合料在礦渣混凝土中應用，有利于改善混凝土的抗?jié)B透性能，增強耐久性。這樣既節(jié)約了資源，又保護了環(huán)境，并且實現了兩種工業(yè)副產品的資源化利用。
關鍵詞：FGD石膏 礦渣混凝土抗?jié)B透性 工業(yè)副產品
1引言
自20世紀70年代以來以日本和美國為首，世界各國相繼制定和實施控制二氧化硫排放的戰(zhàn)略，與此同時，導致產生大量的脫硫副產物，其處置和利用也將成為資源綜合利用和保護環(huán)境的新課題。FGD（Flue Gas Desulphurization）石膏，是對含硫燃料（煤、油等）燃燒后產生的煙氣進行脫硫凈化處理而得到的工業(yè)副產石膏。截至2005年底，我國建成投產的煙氣脫硫機組容量達到5300萬千瓦。在這些電廠中，采用濕法脫硫工藝脫硫的占90％以上，10萬千瓦及以上脫硫機組達到4400萬千瓦，機組用煤平均含硫量為1.23％，平均脫硫效率達到92.5％，年可削減二氧化硫230萬噸，亟待處理的FGD石膏達1000萬噸以上。FGD石膏是一種資源，通常含有較多的二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)，FGD石膏在不影響強度的情況下有可能替代天然石膏在水泥生產中作為水泥調凝劑利用，或將FGD石膏摻入水泥基材料中作為激發(fā)劑使用，并獲得較好的效果[1-3]。筆者也曾研究過FGD石膏在礦渣水泥中的資源化利用[4]，為即將大量產生的FGD石膏開辟了有效的應用途徑。為了進一步研究FGD石膏對水泥基材料性能的影響，現將FGD石膏摻入礦渣混凝土中應用，從而為實現兩種工業(yè)副產品的資源化利用提供了依據。
在混凝土中，滲透性是一個綜合指標。它是指氣體、液體或者離子受壓力、化學勢或者電場的作用,在混凝土中滲透、擴散或遷移的難易程度?；炷恋目?jié)B性決定了混凝土的抗碳化能力、抵抗外界有害物質的耐腐蝕性及抗凍性。通常認為，抗?jié)B性好的混凝土，耐久性也就越好。因此混凝土的抗?jié)B透性被認為是評價混凝土耐久性的重要指標。本文研究了FGD石膏對礦渣混凝土的滲透性能的影響，從而為FGD石膏在水泥基材料中的應用提供更多的理論依據。
2原材料與試驗方法
試驗用主要原材料有FGD石膏、商品水泥、礦渣微粉和萘系高效減水劑等。FGD石膏(G)取自杭州某電廠，顆粒很細，90％小于71μm，SO2含量在3.0－4.0mg/kg，遠遠低于“日本水泥用煙氣FGD石膏質量要求”（CaSO3含量≤2％），因此可以不考慮亞硫酸鈣的影響。商品水泥為市購的普通硅酸鹽水泥。礦渣微粉為上海某鋼廠生產，燒失量為1.77％，磨細后比表面積為450m2/kg。原材料化學成分見表1。
注：S為摻有普通礦渣微粉的試樣；SG為摻有FGD石膏－礦渣微粉的試樣；試樣編號后的數字25，40，50分別表示礦渣微粉的摻量為25％，40％和50％。
由于國內大部分電廠采用濕法處理含硫廢氣，形成的FGD石膏吸附水含量較高，濕度大，粘性強，若不經處理直接入水泥磨容易粘附在設備上，造成堵塞，影響生產，因此需進行烘干焙燒處理。FGD石膏的熱處理條件和摻量是影響水泥凝結時間和強度發(fā)展的重要因素。筆者前階段試驗已經確定了合理的預處理方式，將FGD石膏在200 ℃烘干焙燒后摻入礦渣微粉中[4]，考慮到國家標準對礦渣微粉中SO3含量的規(guī)定，控制FGD石膏－礦渣微粉中SO3含量為3.5％。試驗時混凝土坍落度控制在130 mm ± 20 mm，配制C40礦渣混凝土，砂率為42.5％，配合比見表2?；炷猎囼灠凑誖ILEM TC116-PCD試驗方法進行了混凝土氣滲性能的測試。成型直徑150mm高度50mm的圓柱體混凝土試塊，采用氮氣作為滲透氣體，滲透壓力分別為0.05、 0.10、0.20 MPa(相對壓力)，計算各壓力下的氣滲系數，取平均值即得各配比混凝土的氣滲系數。采用美國ASTM C1202標準電通量法測試礦渣混凝土的抗氯離子滲透性能。此方法是在Ø95X50mm的混凝土試樣兩側施加60V的直流電壓，檢測6h內流過的電量大小來評價混凝土的滲透性。并通過汞壓力測孔法、SEM、XRD進行微觀測試。
3試驗結果與討論
3.1FGD石膏對礦渣混凝土的力學性能的影響
從表3可以看出，28d的抗壓強度已經達到設計要求。其中，礦粉摻量為40％的混凝土強度最高。加入FGD石膏以后，礦粉摻量為40％的混凝土強度在各齡期提高的幅度也最大，3d、7d和28d強度分別提高14.9％、11.3％和5.2％。這是因為FGD石膏－礦渣微粉中的FGD石膏顆粒很細，90％小于71μm，它與礦渣微粉以及水泥顆粒能夠充分接觸，激發(fā)其活性并促進其水化，有利于混凝土強度發(fā)展。
3.2FGD石膏對礦渣混凝土氣滲性能的影響
目前國際上廣泛接受的是RILEM推薦的Cembureau方法，該法原理為：給試樣施加穩(wěn)定的氣壓，記錄該壓力下試樣的氣體流量，再轉換為滲透系數，用以比較混凝土的滲透性能。由于透過混凝土的氣體流量較小，因此采用皂膜流量計，為滿足密封要求，對試樣周邊采用了輪胎式結構進行包裹密封。該方法具有測試速度快、精度較高的特點。
由表4可以看出，在礦渣摻量相同時，摻有FGD石膏－礦渣微粉的混凝土的氣滲系數均比摻有普通礦渣微粉的小。也就是說，在礦渣混凝土中加入FGD石膏，有利于改善混凝土的抗氣滲性能；改變礦渣的摻量，當礦渣摻量由25％增加到40％時，抗氣滲性能提高較多，氣滲系數幾乎減小一半，而礦渣微粉摻量由40％增加到50％時，抗氣滲性能提高較小。即隨著礦渣摻量的增加，混凝土氣滲系數逐漸下降，抗氣體滲透性能提高。取三個壓力下礦渣混凝土的氣滲系數平均值，繪于圖1中，可以清楚地看出FGD石膏對礦渣混凝土氣滲性能的影響。
3.3FGD石膏對礦渣混凝土抗氯離子滲透性能的影響
從圖2中可以看出，通過各組礦渣混凝土試塊的電流在6h內基本恒定。隨著礦粉摻量的增加，通過混凝土試塊的電流相應減??；摻入FGD石膏以后，通過各組礦渣混凝土的電流減小。根據電流變化曲線，積分計算出6h內通過礦渣混凝土的電量，結果見表5。
由表5中數據可以看出，各組試樣的抗氯離子滲透性能都很好，而且其變化趨勢與氣滲試驗相似。礦渣摻量為25％、40％和50％的混凝土加入FGD石膏后都表現出更好的抗氯離子滲透性能，6h內通過的電量分別減少了5％、10％和6％；當礦渣摻量不同時，隨著礦渣微粉摻量的增加，混凝土的抗氯離子滲透性能逐漸增強；而且，當礦渣微粉摻量由25％增加40％，進而達到50％的過程中，6h內通過試件的電量都明顯下降。
3.4微觀分析與機理討論
試驗表明，FGD石膏的加入有利于提高礦渣混凝土的強度，并改善礦渣混凝土的抗氣滲性能和抗氯離子滲透性能。
從表6中可以看出，隨著礦渣摻量的增加，混凝土的孔隙率下降，有害孔減少；而且與普通礦渣混凝土相比，摻入FGD石膏的礦渣混凝土的孔隙率也有了一定的下降，因此礦渣混凝土的抗?jié)B透性能有所提高?；炷列阅艿母纳埔才cFGD石膏和礦渣微粉的疊加效應直接相關。礦渣微粉作為混凝土的活性摻合料具有物理效應（微集料效應）和化學效應（火山灰效應），然而礦渣微粉單獨存在時活性較低，水化速度慢，與FGD石膏復合后，FGD石膏發(fā)揮了明顯的化學效應。FGD石膏細度大，與水泥顆粒和混合材顆粒充分接觸，除石膏相外還含有CaCO3、Ca(OH)2和可溶性鹽，如K＋、Na＋鹽等有利雜質【5】。一方面，CaCO3對水泥混凝土硬化后的結構與性能有提高作用，而且雜質Ca(OH)2與水泥中CaO水化生成的Ca(OH)2一起形成堿性激發(fā)劑，提高了膠凝體系液相堿度，激發(fā)礦渣微粉中活性SiO2和Al2O3反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣；與此同時，FGD石膏還起到硫酸鹽激發(fā)劑的作用，消耗Ca(OH)2和新生成的水化鋁酸鈣以及Al2O3生成鈣礬石（AFt）和結構更為穩(wěn)定的C-S-H凝膠。這點在圖3和4中也得到進一步證實。從XRD圖中可以看出，在礦渣混凝土中摻入FGD石膏以后，其7d水化產物中出現了較多的AFt；在SEM圖中也可以清楚的看到摻有FGD石膏的水化產物中，含有大量棒狀與針狀結構的AFt，AFt相和C-S-H凝膠交織復合的結構比AFm和水化鋁酸鈣形成的結構致密得多，而且石膏還能促進C3S的水化【6】。這些水化產物填充于孔隙中或包裹在其它物相上，優(yōu)化了混凝土孔隙結構，這就使得礦渣混凝土的結構更加密實，有利于其強度發(fā)展，提高了混凝土抗?jié)B性。
4結論
（1）FGD石膏加入礦渣混凝土以后，礦渣混凝土在各齡期的抗壓強度均有所提高；
?。?）摻有FGD石膏的礦渣混凝土的氣滲系數變小，抗氯離子滲透性能也得到提高，所以在礦渣混凝土中加入FGD石膏，有利于改善混凝土的抗?jié)B透性能，增強耐久性；
?。?）將FGD石膏摻入礦渣混凝土，改善了混凝土的性能，并實現了兩種工業(yè)副產品的資源化利用。
參考文獻
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