脱硫石油焦灰对混凝土力学性能的试验研究.pdf
2 0 1 4 年 第 3 期 总 第 2 9 3 期 N u mb e r 3 i n 2 0 1 4 T o t a l No . 2 9 3 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE 脱硫石油 焦灰对混凝土力学性能的试验研究 于春志 ,李秋义 ,岳公冰 ,姜辉 青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛 2 6 6 0 3 3 摘要 脱硫石油焦灰是炼油厂脱硫后的产物, 含有大量的C a S O 和 C a C O , , 是一种新型的钙质材料。 重点分析了脱硫石油焦灰的不 同掺量对混凝土抗压强度的影响, 得出混凝土中脱硫石油焦灰的最佳掺量。 试验表明 混凝土中脱硫石油焦灰的最佳掺量为 1 5 %。 关键词 脱硫石油焦灰;抗压强度 ;掺量 中图分类号 T U 5 2 8 . 0 4 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 3 0 0 6 8 0 3 De s u l f u r i z a t i o n o f p e t r ol e u m c o k e a s h S e x p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f c on c r e t e C h u n z h i , L I Qi u y i , Y UEGo n g b i n g, J I ANGHu i S c h o o l o f C i v i l En g i n e e r , Qi n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y, Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3 , C h i n a Abs t r ac t Th e d e s u l f u r i z a t i o n o fp e tro l e u m c o k e a s h i s a p r o d u c t o ft h e r e fin e r y a fte r d e s u l f u r i z a t i o n, whi c h c o nt a i ns a l o t o fCa S O4 a n d Ca CO3 , i s a n e w ma t e ria 1 .Thi s pa pe r f o c us e s o n d i ffe r e n t d e s ul f ur i z a t i o n of p e t r o l e u m c o ke a s h’s c o n t e n t o n t h e c o mp r e s s i ve s tre ng t h o f c o n c r e t e t o a c q u i r e t he be s t c o n t e n t o fd e s ul fin i z a t i o n o f pe t r o l e u m c o k e a s h.Ex pe rime nt s s h o w t h a t t he o p t i ma l c o nt e n t ofd e s u l f u r i z a t i o n of pe t r ol e um c o k e a s h c o n c r e t e i s 1 5 %. Key wor ds d e s u l f u r i z a t i o n o f pe tr o l e u m c o ke; c o mp r e s s i ve s t r e ng t h; d os a g e 0 引 言 近年来 我国工业化进程不断加快 , 当然在工业生产流 程 中不可避免的产生大量的工业废渣 , 其产量不断增加 , 2 0 0 4 年 已经达到 1 2亿 t ; 但其综合利用率只有 5 6 . 7 %[ u 。 循 环流化床燃烧技术 C F B 是近年发展较快 的高效 、 低污染 的清洁燃烧技术 , 可对石油焦燃烧过程进行脱硫 , 其脱硫 效果较好。 C F B燃烧技术是用于废料燃烧过程脱硫的最佳 的技术[2 J 。 石油焦作为高硫含量燃料 , 其 可磨性好 、 热值高 , 较适合于 C F B燃烧蛔 , 但是利用该技术脱硫后产出的脱硫 石油焦灰渣 目前还没有较好 的处理方法。 脱硫石油焦灰其 本身含有大量钙质 、 硅质材料 , 具有 良好的胶凝性能 , 若能 为建筑行业利用 , 既可 以节约资源 , 又可以减少污染 , 具有 显著的经济效益。 本试验对脱硫石油焦灰的性质、 应用作了 介绍 , 对混凝 土的抗压强度进行研究。 1 原材料及 试验仪器 主要原材料包括 水泥 , 山水水泥厂生产的 P O4 2 .5 级 水泥 , 具体性能指标见表 1 ; 脱硫石油焦灰 , 青岛石化炼油厂 生产的石油焦经循环流化床锅炉燃烧技术脱硫后的产物 , 相应的化学组成和矿物组成见表 2 和图 1 , 其颗粒特征和粒径 分布与普通粉煤灰相近, 堆积密度为 8 0 0 ~ 1 0 0 0 k g / m 3 ; 砂符 合 J G J 5 2 - - 2 0 0 6 要求的细度模数为 2 .4的中粗河砂 , 含泥量 1 . 6 %; 粗骨料, 崂山产 5 ~ 2 5 i n l n 连续级配的花岗岩碎石, 符合 J G J 5 2 - _ 2 0 0 6的要求, 具体性能指标圈 见表 3 o 外加剂, 山东建 科院产聚羧酸高效减水剂; 自来水, 青岛普通自来水。 表 1 水泥的物理力学性能指标 C O 2 C a O S O 3 S i O 2 A 1 2 0 3 Mg O F e 2 0 3 其他 28 . 4 3 41 . 9 9 2 4- 3l 1 . 6 2 O . 8l 2 . 0 7 0. 3 O 0 . 4 7 / /c a 如 J.I 一 . .. .. L I l▲ _. 山上 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 O 2 0/ 。 图 1 脱硫石油焦灰 的 X R D图谱 表 3 粗骨料的基本性能 收稿 日期 2 0 1 3 -- 0 9 3 0 基金项 目国家“ 十二五” 科技支撑计划重点课题资助项 目 2 0 1 1 B AJ 0 4 B 0 5 0 5 68 ∞ 柏 加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 0 2 试验 配合 比设计 本试验研究 了脱硫石油焦灰取代部分水 泥对混凝土 力学性能的影 响, 取代率分别为 0 、 5 %、 1 0 %、 1 5 %、 2 0 %。 胶 凝材料用量分别为 3 5 0 、 3 9 0 、 4 3 0 、 4 7 0 k g / m 3 , 并通过调整用 水量控制混凝土坍落度为 1 6 0 ~ 2 0 0 1T I I T I , 试验方案见表 4 。 表 4 单掺脱硫石油焦灰配合比及抗压强度 3 试验 结果及 分析 3 . 1 和易性分析 由表 5 、 图 2 4 可知 , 当脱硫灰取代率 一定 时 , 胶凝材 料用量越多 , 用水量越多 , 水灰 比变小 ; 当胶凝材料用量一 定时 , 随着脱硫灰取代率 的增加 , 用水量略微增加 , 水灰 比 略微变大。 脱硫灰 中含 C a O、 C a S O 等 , 水化生成 C a O H , 进一步得到钙矾石还有 C . S . H凝胶 , 用水量随之增加 ; 脱硫 灰的粒度较细 , 与水泥形成更为优 良的颗粒级配 , 比表 面 积较大 , 颗粒界 面间的需水量 随之增加 , 工作性更好。 从试 验过程可以看出 掺加脱硫灰 明显改善了混凝土的工作性 能 , 利于混凝土的施工 。 3 . 2 基本力学性能分析 当胶凝材料总量相同时, 随着脱硫灰取代率的提高, 混 凝土 的抗压强度在取代率 0 - 5 % 之 间降低 , 在 5 %~ 1 5 %之问 升高 , 在 1 5 % - 2 0 %之间降低 。 当脱硫灰取代率相同时, 随着 胶凝材料总量的提高 , 混凝土的抗压强度逐渐升高。 脱硫灰 取代率低的情况下其发挥作用不 明显 , 混凝 土的强度主要 由水 泥来决定 , 当取代率逐渐变大时 , 脱硫灰 的作用开始 体现 出来 , 加强 了混凝土的强度 。 但是 , 当脱硫灰取代率 过 大 , 水泥过少时 , 由于其活性低 、 水硬性较差 、 水化热 大等 表 5 单掺脱离石油焦灰时混凝土的力学性能 3 5 0 k g / m 4 3 o k g / m ●- - 3 9 0 k g / m _ . 一4 7 0 k g / m 脱硫石油焦灰取代率 , % 图 2 抗压强度与脱硫灰取代率的关系 52 5 O 4 8 善4 6 取 4 4 42 40 38 36 胶凝材 料用量 / k g / m 1 图 3 抗压强度与胶凝材料总量的关系 原因又会降低混凝土的强度。 脱硫灰水化放 出大量的热会带走部分水分 , 使混凝土 的实际水灰 比变少 , 使浆体 内部更为密实 , 提高混凝土 的 强度旧 。 其细度与粉煤灰接近 , 可以与水泥形成 良好的颗粒 级配 , 填充混凝土内部 的孔隙 , 增强 了混凝土的强度 ; 其中 的活性 S i O 2 、 活性 Al 0 3 与水泥水化产生的 C a O H 。 反应 生成 的水化凝胶 , 有助于提高混凝土 的强度 ; 其 中的 S O , 激 发 了水 泥水化产物和脱硫灰 中的 S i O 和 A l 2 0 的反应 , 生 6 9 如 犍 加 强 B d 苫\ 髓 隈 ∞ 暑 邑 ~ 删 * 旺 脱 硫 石 油 焦 灰 取 代 翠 , % 图 4混凝土用水量与取代率的关系 成的托贝莫来石填充在颗粒之间提高了强度同 ; 但是其中 的 S O 成分还可以导致钙矾石的形成, 能够给混凝土提供 早期强度 , 但随着水化时间延长 , 钙矾石也会成为不稳定 因素之一 , 造成混凝土体积膨胀和强度下降 。 当脱硫灰取代率超过 1 5 %时 , 混凝土强度 降低幅度较 大, 且脱硫灰取代率为 l 5 %时 , 力学性能最佳, 可以作为最 优取代率 。 4结 论 1 脱硫灰 中含有大量的 C a S O 的和 C a C O , 可 以取 代部分水泥用于混凝土的制备, 可以提高混凝土的强度。 2 脱硫灰对水泥的不 同取代率造成 了混凝土强度 的 变化 , 试验证明最佳掺量为 1 5 %。 3 脱硫灰 可以有效 降低水泥 的用量 , 节省 1 5 %左右 的水泥用量 , 降低 了生产成本 , 实现 了工业废物 的高效利 用 , 社会 、 经济效益显著。 -上接第 6 7页 变达到了 1 .9 2 %, 超过 了 0 循环下 的拉伸应 变 ; 在 3 0 0 个冻 融循环次数下 , S H C C拉伸应变为 1 . 5 4 %, 只降低 了 1 3 . 9 %。 2 随着温度 的升高 S H C C抗拉强度迅速增 大 , 而极 限应变随之降低 。 对于石英砂配合 比的 S H C C材料 当温度 上升至 1 2 0℃时 , 试件极限应变迅速降低至 O . 7 9 %, 只为常 温的 1 3 . 5 %, 并 由此得 出该材料的界面黏结强度 临界值在 3 . 6 2 ~ 4 . 4 8 MP a 之 间 的某 一值 。 对 于普 通 河 砂 配合 比 的 S H C C材料当温度上升至 2 0 0℃时 , 试 件极 限应 变仍能够 达到 1 %以上 ; 但 当温度达到 3 0 0℃时 , 试件 的极限应变几 乎为零 。 并且通过两组对 比试件 , 得 出石英砂相对普通河砂 来说 , 既能够提高 S H C C的抗拉性能 , 又能够优化材料 的 准应变硬化特性 ; 而且石英砂 配合 比的 S H C C材料 的温度 敏感性 比普通河砂 的强。 参考文献 【 1 ]徐世娘 , 蔡新华 , 李贺东. 超高韧性水泥基复合材料抗冻耐久性 能试验研究『 J 1 . 土木工程学报 , 2 0 0 9 , 4 2 9 4 2 ~ 4 6 . 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