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 ． [ 2 】张君， 公成旭， 居贤春． 高韧性低收缩纤维增强水泥基复合材料 特性及应用[ J ] ．水利学报， 2 0 1 1 ， 4 2 1 7 1 4 5 2 1 4 6 1 ． 【 3 】WAN G S ， L I V C ． P o l y v i n y l a l c o h o l fi b e r r e i n f o r c e d e n g i n e e r e d e e me n t i t i o u s c o mp o s i t e s ma t e r i a l d e s i g n a n d p e r f o r ma n c e s [ C ] ／ ／ P r o e e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n a l W o r k s h o p o n HPFRCC S t r u c t ur a l Ap p l i e 一 70 4 国内随着循环流化 床锅炉在技术 上和实践上的 日 趋成熟 ， C F B锅炉将是近期和稍后一个时期我国高硫石油 焦利用处理的发展方向 ， 脱硫灰取代部分水泥掺在混凝土 中对混凝 土性 能影响的探究对 今后脱 硫焦灰 渣的应 用在 建筑节能 、 废物再利用上都有重要 意义。 参考文献 [ 1 ]冷发光， 田冠飞， 李听成． 工业废渣用作混凝土掺合料是最 佳出路 废弃物再生利用， 2 0 0 4 9 7 1 0 4 ． 【 2 】2 福斯特惠勒中国公司．石油焦 C F B锅炉灰渣的综合利用【 Z 】 ． [ 3 ]B R UN EL L O S ． Ra n k d e p e n d e n c e o f N 2 O e mi s s i o n i n fl u i d i z e d b e d c o m b u s t i o n o f c o a l [ J ] ． F u e l ， 1 9 9 6 ， 7 5 5 5 3 6 5 4 4 ． 林刚， 吴基球， 李竞先． C F B锅炉燃烧 高硫石油焦的灰渣综合利 用研究l J 1 ． 环境科学与技术， 2 0 0 3 ， 2 6 增T U 6 2 6 3 ． 【 5 】薛龙 昆 凝土的抗裂性研究【 D 】 ． 青岛 青岛理工大学 ， 2 0 1 2 6 ． [ 6 ] 张旭， 李秋义， 朱申红刑用石油焦脱硫灰渣制作砂浆的试验研 究I J ] _青岛理工大学学报 ， 2 0 0 9 ． [ 7 】单俊鸿 ， 邢振影 ， 王军 ， 等． 脱硫渣用于加气混凝土生产的试验 研究【 D 1 ． 河北工程大学学报 自然科学版． 作者简介 联 系地 址 联 系 电话 于春志 1 9 8 9 一 ， 男， 硕士研究生， 研究方向 结构工程。 青岛市市北区抚顺路 1 1 号 青岛理工大学土木 工程 学院 2 6 6 0 3 3 1 5 8 0 5 42 3 6 71 a t i o ns ． Ha wa i i ， US A RI LEM Pu b l i c a t i o ns ， 2 0 05 2 3 2 6． 【 4 ] G B 5 0 0 8 2 --2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标 准i s ] ． 2 0 0 9 ． [ 5 】KAN DA T， L I V C ． Ne w mi c r o - me c h a n i c s d e s i g n t h e o r y f o r P s e u d o s t r a i n h a r d e n i n g c e me n t i t i o u s c o mp o s i t e [J ] ． A S C E J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， 1 9 9 9 ， 1 2 5 4 3 7 3 3 8 1 ． 【 6 】余天庆． 混凝土的分段线性损伤模型f J 1 ． 岩石、 混凝土断裂与强 度 ， 1 9 8 5 2 1 4 1 6 ． [ 7 ]熊大方用 差示扫描量热法测定 P V A弹性体的玻璃化温度【 J I ．橡 胶工业 ， 1 9 8 9 3 6 3 8 2 3 8 3 ． 【 8 】江献财， 董海亚 ， 谢静思， 等． 聚乙烯醇的热降解及热塑加工改 性研究进展【 J J ． 高分子通报， 2 0 1 0 1 0 3 8 4 4 ． 【 9 1 MA Z AR S J ． A p p l i c a t i o n d e l a me e a n i q u e d e l e n d n n a g e mme n t a n c o - mp o r t e me n t n o n l i n e a i r e d e s t r u c t u r e [ J] ．T h e s e d e d o e t o r a t d e t a t U n i v ． Pa r i s ， ENS ET， Ma i ， 1 98 4． [ 1 0 】 马保 国， 王景然 ， 李相国 ， 等． 混合石英砂粉磨对水泥粒度分布 及砂浆的影0 8 [ J ] ． 混凝土， 2 0 1 3 6 9 3 9 6 ． 作者简介 联 系地址 联系电话 谭小群 1 9 7 5 一 ， 男。 济宁市市中区建设南路2 3 号 山东省济宁市公路勘 测设计研究院 2 7 2 0 0 0 0 53 7 29 3 6 7 5 4 如 驰 鸵加 强