張沈裔，夏月輝，張婷婷，楊利香，錢耀麗（.上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海 0099；.上海建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 0003）

近幾年，鋼鐵行業(yè)二氧化硫（SO2）年排放量近 20 萬(wàn) t，居中國(guó)工業(yè) SO2排放量的第四位。其中，燒結(jié)工序所產(chǎn)生的 SO2占鋼鐵行業(yè)總排放量的 60%～90%，控制燒結(jié)機(jī) SO2排放已成為鋼鐵企業(yè)控制污染的重點(diǎn)。目前燒結(jié)機(jī)脫硫工藝主要包括濕法、干法和半干法工藝。由于干法脫硫工藝具有工藝簡(jiǎn)單、投資低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在燒結(jié)煙氣脫硫中應(yīng)用較廣泛，但該工藝會(huì)產(chǎn)生大量的燒結(jié)干法脫硫灰。燒結(jié)干法脫硫灰是鋼鐵燒結(jié)廠煙氣干法脫硫工藝過(guò)程中處于懸浮狀態(tài)的石灰顆粒與煙氣中的二氧化硫（SO2）、三氧化硫（SO3）和氧氣（O2）反應(yīng)生成的固態(tài)亞硫酸鈣、硫酸鈣以及殘余的石灰顆粒，與粉煤灰一起由除塵器收集形成的一種干灰。燒結(jié)干法脫硫灰成分復(fù)雜，主要組成為CaSO3·1/2H2O、CaCO3、Ca(OH)2等，不同來(lái)源和不同批次脫硫灰的性質(zhì)差異較大。目前，大量的燒結(jié)煙氣脫硫灰以堆存或外運(yùn)處置為主，極易對(duì)環(huán)境造成危害。脫硫灰的資源化利用，既可解決脫硫灰處置、環(huán)境污染等問(wèn)題，又可解決天然資源日趨緊缺的局面，具有顯著的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

本文擬結(jié)合燒結(jié)干法脫硫灰的理化性能，實(shí)現(xiàn)基于資源利用最大化、性能最佳化和經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)化等設(shè)計(jì)原則，開(kāi)發(fā)脫硫灰基土體固化劑，研究脫硫灰基土體固化劑對(duì)穩(wěn)定土力學(xué)性能、耐久性能的影響，為脫硫灰基土體固化劑的配制與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：P·O 42.5 水泥；礦粉為 S95 礦粉，其密度為 2.85 g/cm3，比表面積為 441 m2/g。土為黏質(zhì)低液限黏土，其基本性能見(jiàn)表 1。燒結(jié)干法脫硫灰為重鋼脫硫灰1（C-1）、重鋼脫硫灰 2（C-2）、鄂鋼脫硫灰（E-1）。

表1 土的基本性能

1.2 固化劑、穩(wěn)定土性能測(cè)試方法

根據(jù) DG/T J08—2082—2017《GS 土體硬化劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定方法測(cè)試脫硫灰基土體固化劑流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、膠砂抗壓強(qiáng)度；根據(jù) JTG E51—2009《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗凍性等。

2 燒結(jié)干法脫硫灰的理化性能

2.1 燒結(jié)干法脫硫灰的物理性能

C-1、C-2 的 45 μm 篩余為 7%左右，E-1 的 45 μm 篩余為 60% 左右，將燒結(jié)干法脫硫灰含水率控制在 1.0% 以內(nèi)，E-1 采用滾筒式球磨機(jī)球磨 5 min。

重鋼脫硫灰微觀結(jié)構(gòu)主要由不規(guī)則形狀的顆粒構(gòu)成，顆粒大小不均勻，脫硫灰顆粒表面光滑，結(jié)構(gòu)疏松；鄂鋼脫硫灰微觀結(jié)構(gòu)為短棒狀與片狀，部分呈不規(guī)則的絮狀，表面較為粗糙，如圖 1 所示。

圖1 脫硫灰的 SEM 分析

2.2 燒結(jié)干法脫硫灰的化學(xué)性能

三批次燒結(jié)干法脫硫灰化學(xué)組成、物相組成結(jié)果如表2、表 3 所示。

表2 脫硫灰中主要元素含量測(cè)定結(jié)果單位：%

表3 脫硫灰 xrd 定量分析測(cè)定結(jié)果單位：%

重鋼脫硫灰、鄂鋼脫硫灰均屬高鈣高硫型灰，其 CaO含量為 42.56%～52.67%、SO3含量為 30.55%～42.15%，主要礦物相以 CaCO3、CaSO3·1/2H2O 為主，重鋼脫硫灰 CaSO3·1/2H2O 含量為 46.35%～52.70%，Ca(OH)2含量為 5.14%～5.36%；鄂鋼脫硫灰 CaSO3·1/2H2O 含量為 27.33%，Ca(OH)2、CaCO3含量較高，其含量分別為6.5%、19.82%。

2.3 脫硫灰的強(qiáng)度活性指數(shù)

三批次燒結(jié)干法脫硫灰強(qiáng)度活性指數(shù)測(cè)試結(jié)果如表 4 所示。

表4 脫硫灰活性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

2.4 脫硫灰的安全性

三批次燒結(jié)干法脫硫灰放射性、重金屬含量結(jié)果如表5、表 6 所示。

表5 脫硫灰放射性結(jié)果

表6 脫硫灰重金屬含量檢測(cè)結(jié)果單位：mg/kg

三批次燒結(jié)干法脫硫灰放射性內(nèi)外照射指數(shù)均低于 GB 6566—2010 《建筑材料放射性核素限量》應(yīng)用于建筑主體材料的限量要求（IRa≤1.0，Ir≤1.0）；C-1 鎘含量超標(biāo)610%，摻量應(yīng)＜14.1%，C-2 鎘含量超標(biāo) 1362%，摻量應(yīng)＜6.8%，產(chǎn)品的重金屬含量可符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 脫硫灰基土體固化劑開(kāi)發(fā)

3.1 脫硫灰基固化劑開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)原則

從資源利用、經(jīng)濟(jì)成本和性能三方面進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)原則。

（1）資源利用最大化。根據(jù)每個(gè)地區(qū)固體廢棄物的實(shí)際情況，進(jìn)行多種固體廢棄物復(fù)合配伍，保證當(dāng)?shù)刭Y源利用最大化。比如礦粉、脫硫灰等材料較多，考慮采用水泥、礦粉、脫硫灰配制脫硫灰基土體固化劑，以期實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。

（2）性能最優(yōu)化。在保證了資源利用最大化的原則下，還得根據(jù)實(shí)際道路工程的性能需求情況，對(duì)脫硫灰基土體固化劑進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證脫硫灰基土體固化劑的性能最優(yōu)化。

（3）經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)化。在保證資源利用最大化和性能最優(yōu)化原則的基礎(chǔ)上，對(duì)水泥、礦粉、脫硫灰的材料成本、運(yùn)輸成本加以考慮，以便用盡量少的工程造價(jià)達(dá)到具體工程實(shí)際性能的需要。

3.2 脫硫灰基土體固化劑的開(kāi)發(fā)

以礦粉＋水泥=100% 為基礎(chǔ)配方，固定 S95 礦粉摻量分別為 40%、50%、60%、70%，通過(guò) C-2 等量取代水泥，摻量分別為 10%、20%、30%，研究脫硫灰摻量對(duì)凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)性能的影響。如表 7、表 8 所示。

表7 漿體凝結(jié)時(shí)間

表8 脫硫灰摻量對(duì)力學(xué)性能的影響

由表 7、表 8 可知，隨著脫硫灰摻量增加，漿體凝結(jié)時(shí)間增加，其礦粉摻量≤60%、脫硫灰摻量≤20% 時(shí)，漿體凝結(jié)時(shí)間基本滿足 DG/T J08—2082—2017 要求；7 d、28 d抗壓強(qiáng)度皆滿足 DG/T J08—2082—2017 要求。綜上所述，結(jié)合漿體流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間等性能，礦粉摻量宜≤60%，脫硫灰摻量宜≤20%。

4 脫硫灰基固化劑穩(wěn)定土試驗(yàn)研究

4.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究

根據(jù) JTG E 51—2009 測(cè)試穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其結(jié)果如表 9、表 10 所示。

表9 穩(wěn)定土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表10 穩(wěn)定土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由表 9 可知，對(duì)于黏質(zhì)低液限黏土 CL 1，水泥穩(wěn)定土的 7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.5～2.6 MPa，滿足《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（JTGT F20—2015）的強(qiáng)度要求（1.0～3.0 MPa）；脫硫灰基土體固化劑穩(wěn)定土 7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 0.8～1.0 MPa，強(qiáng)度較低，需增加其摻量，以滿足其強(qiáng)度要求。

由表 10 可知，對(duì)于黏質(zhì)低液限黏土 CL 2，水泥穩(wěn)定土的 7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 1.1～1.2 MPa，脫硫灰基土體固化劑穩(wěn)定土 7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 0.6～1.1 MPa，土體固化劑配比為：水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為 7% 的固化劑穩(wěn)定土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度性能最優(yōu)；對(duì)于黏質(zhì)低液限黏土 CL 3，摻量為 7% 的脫硫灰基土體固化劑穩(wěn)定土7 d、28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 1.9 MPa、2.8 MPa，較水泥穩(wěn)定土（摻量5%）分別提高 5%、12%。

4.2 水穩(wěn)定性研究

本試驗(yàn)主要研究水泥穩(wěn)定土（水泥摻量為 5%）、固化劑穩(wěn)定土（水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為 7%）的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表 11 所示。

表11 穩(wěn)定土劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表 11 可知，對(duì)于黏質(zhì)低液限黏土 CL 2，水泥穩(wěn)定土7 d 強(qiáng)度損失為 17%，固化劑穩(wěn)定土 7 d 強(qiáng)度無(wú)損失；水泥穩(wěn)定土 28 d 強(qiáng)度損失為 7%，固化劑穩(wěn)定土 28 d 強(qiáng)度無(wú)損失，固化劑穩(wěn)定土的水穩(wěn)定性優(yōu)于水泥穩(wěn)定土；對(duì)于黏質(zhì)低液限黏土 CL 3，浸水條件下水泥穩(wěn)定土、固化劑穩(wěn)定土7 d、28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)增加 0.1～0.3 MPa。

4.3 劈裂強(qiáng)度研究

本試驗(yàn)主要研究水泥穩(wěn)定土（水泥摻量為 5%）、固化劑穩(wěn)定土（水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為 7%）的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表 12 所示。

表12 穩(wěn)定土劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

4.4 抗凍性研究

本試驗(yàn)主要研究水泥穩(wěn)定土（水泥摻量為5%）、固化劑穩(wěn)定土（配比為：水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為7%）的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表 13 所示。

表13 穩(wěn)定土抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

4.5 微觀性能與機(jī)理研究

通過(guò)采用 X 射線衍射和掃描電鏡的測(cè)試方法對(duì)水泥穩(wěn)定土（水泥摻量 5%）、脫硫灰基土體固化劑穩(wěn)定土（水泥∶鄂鋼脫硫灰∶礦粉=3∶2∶5、固化劑摻量為 7%）進(jìn)行微觀分析，探索脫硫灰基土體固化劑對(duì)穩(wěn)定土微觀形貌特征的影響，如圖 2 —5 所示。

圖2 穩(wěn)定土的XRD測(cè)試結(jié)果（黏質(zhì)低液限黏土 CL 2）

圖3 穩(wěn)定土的 XRD 測(cè)試結(jié)果（黏質(zhì)低液限黏土 CL 3）

圖4 穩(wěn)定土的微觀形貌（黏質(zhì)低液限黏土 CL 2）

由圖 2～圖 5 可以看出：（1）對(duì)于黏質(zhì)低液限黏土CL 2，水泥穩(wěn)定土的水化產(chǎn)物主要有：網(wǎng)狀的水化硅酸鈣（CSH）、板狀的硅鋁酸鈉水化產(chǎn)物（Na(AlSi3O8)）、針狀的三硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）與未發(fā)生水化反應(yīng)的石英（SiO2）；脫硫灰基土體固化劑穩(wěn)定土的水化產(chǎn)物主要有：片狀的二水石膏（CaSO4·2H2O）、板狀的硅鋁酸鈉水化產(chǎn)物（Na(AlSi3O8)），交織交錯(cuò)，其中夾雜著六方型水化硅酸鈣，融為一體。

圖5 穩(wěn)定土的微觀形貌（黏質(zhì)低液限黏土 CL 3）

（2）對(duì)于黏質(zhì)低液限黏土 CL 3，水泥穩(wěn)定土的水化產(chǎn)物主要有：網(wǎng)狀的水化硅酸鈣（CSH）、板狀的硅鋁酸鈉水化產(chǎn)物（Na(AlSi3O8)）、長(zhǎng)柱狀的三硫型水化硫鋁酸鈣（AFt）與未發(fā)生水化反應(yīng)的石英（SiO2）；脫硫灰基土體固化劑穩(wěn)定土形成的水化產(chǎn)物主要有：長(zhǎng)棒狀和片狀的二水石膏（CaSO4·2H2O）、板狀的硅鋁酸鈉水化產(chǎn)物（Na(AlSi3O8)）、硅鋁酸鈣水化產(chǎn)物（CaAl2Si2O8·4H2O）。

（3）水泥水化產(chǎn)物為 C-S-H、C-A-S-H 凝膠，附著于土顆粒表面。脫硫灰加入黏土中，會(huì)引入半水亞硫酸鈣，由于半水亞硫酸鈣的溶解度低，使得脫硫灰與 C3A 和 C4AF 的有效作用時(shí)間延長(zhǎng)，生成氫氧化鈣和碳酸鈣外，還產(chǎn)生了水鋁鈣石和類水化硫鋁酸鈣物質(zhì)。水化鋁酸鈣未完全水化而硫酸鹽不足時(shí)，則反應(yīng)生成單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm），水化產(chǎn)物相互交錯(cuò)搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定土強(qiáng)度。水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生水化硅酸鈣，膠結(jié)黏土顆粒，進(jìn)一步提高加固土強(qiáng)度。

5 脫硫灰基固化劑穩(wěn)定土經(jīng)濟(jì)性分析

水泥穩(wěn)定土的水泥（摻量 5%）成本為 25 元/t，本項(xiàng)目制備的脫硫灰基土體固化劑（摻量 8%）成本為 24 元/t 左右，脫硫灰基土體固化劑（摻量 7%）成本為 24.5 元/t 左右。脫硫灰基土體固化劑，可減少對(duì)環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)，符合國(guó)家政策導(dǎo)向，具有顯著的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）基于脫硫灰理化性能特點(diǎn)，以資源利用最大化、性能最優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)化為原則，開(kāi)發(fā)土體固化劑，實(shí)現(xiàn)脫硫灰綜合效益最大化。試驗(yàn)表明，脫硫灰宜與水泥、礦粉復(fù)配開(kāi)發(fā)土體固化劑，最佳比例為：水泥∶脫硫灰∶礦粉=20%～30%∶10%～30%∶40%～60%。

（2）土體固化劑最優(yōu)配比為水泥∶脫硫灰∶礦粉=30%∶20%∶50%，摻量為 7%，制備土體固化劑穩(wěn)定土，對(duì)于黏質(zhì)低液限黏土 CL 2，固化劑穩(wěn)定土的 7 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 1.4 MPa，28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 2.2 MPa，28 d 劈裂強(qiáng)度為 0.25 MPa，28 d 凍融殘留抗壓強(qiáng)度比為61.5%；對(duì)于黏質(zhì)低液限黏土 CL 3，固化劑穩(wěn)定土的 7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 1.9 MPa，28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 2.5 MPa，28 d 劈裂強(qiáng)度為 0.28 MPa，28 d 凍融殘留抗壓強(qiáng)度比為 88.3%。固化劑穩(wěn)定土性能與水泥（5%）穩(wěn)定土性能相當(dāng)。