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固硫灰特性剖析及在水泥基自流平砂浆中的创新应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着煤炭在能源领域的广泛应用，燃煤发电过程中产生的固硫灰问题日益凸显。固硫灰是含硫煤与固硫剂在流化床锅炉内，经850-900℃燃烧固硫后，从烟道收集到的飞灰。其产生与循环流化床燃煤固硫技术的发展密切相关，该技术凭借低成本、燃煤适应性广、炉内脱硫和低SO?、NO?排放等优点，在燃煤电厂中得到大量采用。然而，固硫灰的产量也随之不断攀升，据相关资料显示，我国每年固硫灰渣的排放量至少8000万t，且随着CFB清洁燃煤技术的持续推广，其年排放量还在不断增长。

固硫灰的大量产生给环境和经济带来了双重挑战。在环境方面，由于目前固硫灰渣利用率不足50%，占灰渣总量60%以上的固硫灰多以堆存处置为主。大量的固硫灰堆积不仅占用大量宝贵的土地资源，还可能对土壤、水体和空气造成污染。例如，固硫灰中的重金属元素可能随着雨水冲刷等作用进入土壤和水体，危害生态系统和人类健康；其扬尘也可能对周边空气质量产生不良影响。在经济层面，固硫灰的处理需要投入大量资金用于堆放场地的租赁、维护以及环保措施的实施等，给企业带来了沉重的经济负担，同时也造成了资源的极大浪费。

水泥基自流平砂浆作为一种高性能的地坪材料，具有自平性、高强度、高流动性等特点，在现代建筑装修领域应用广泛。其通常以水泥为主要胶凝材料，通过人工摊铺后依靠自身重力找平，可成型为1-10mm厚度的光滑高强地坪。然而，在其生产过程中，需要加入一定的膨胀性组分和高性能胶凝材料来改善收缩和强度性能，这无疑增加了生产成本。将固硫灰应用于水泥基自流平砂浆中具有重要意义。从环保角度看，这为固硫灰的资源化利用开辟了新途径，有助于减少固硫灰对环境的负面影响，实现废弃物的减量化和再利用；从经济角度出发，固硫灰可部分取代传统的膨胀剂和胶凝材料，降低水泥基自流平砂浆的生产成本，提高产品的市场竞争力，同时也为固硫灰的处理企业减轻了经济压力。此外，通过研究固硫灰在水泥基自流平砂浆中的应用，还能进一步拓展固硫灰的应用领域，推动建筑材料行业朝着绿色、可持续的方向发展。

1.2国内外研究现状

国外对固硫灰特性的研究开展较早，重点关注其水化特性。研究发现固硫灰中较高的CaO和SO?含量，使其具有一定火山灰活性和自身水硬性，但同时也伴随着较高的膨胀性。在应用研究方面，国外尝试将固硫灰预水化处理后用作水泥混合材，研究表明，预水化处理可以在一定程度上稳定固硫灰的性能，降低其膨胀风险，使其能更好地与水泥体系相容，用于调节水泥的性能。在混凝土掺合料应用中，虽然固硫灰能在一定程度上改善混凝土的某些性能，如提高混凝土的后期强度，但由于其膨胀性难以精确控制，大规模应用受到限制。此外，固硫灰还被用于矿井填埋、无水泥混凝土、地质聚合物等领域。在矿井填埋中，固硫灰可以填充矿井空间，减少地表塌陷风险；用于无水泥混凝土时，利用其自身的水硬性和火山灰活性，形成一定强度的结构体；在地质聚合物制备中，固硫灰参与化学反应，形成具有特殊性能的地质聚合物材料，但在这些应用中，也都面临着固硫灰性能不稳定带来的问题。

国内对固硫灰特性的研究涵盖物理、化学和矿物组成等多个方面。物理性质上，固硫灰一般呈红色，比表面积大，标准稠度用水量大，粒径分布多在10-50μm之间。化学性质受运行工况影响显著，成分以Al?O?和SiO?为主，但CaO和SO?含量比煤粉炉粉煤灰大得多，烧失量也较大。主要矿物组成包括α-石英、Ⅱ型硬石膏、氧化钙、未分解的石灰石、钙矾石以及赤铁矿等。在水泥基自流平砂浆应用研究中，发现固硫灰细度和掺量对砂浆性能影响明显。固硫灰细度越细，砂浆1d、3d、28d抗折和抗压强度越高，但收缩先减小后增大。随着固硫灰掺量增大，水泥基自流平砂浆的1d和3d强度先增大后减小，28d强度呈减小趋势，收缩则随着固硫灰掺量增大而减小。固硫灰取代硅酸盐水泥的40%-60%时，砂浆的强度和收缩性较好，取代率为50%时性能最佳。国内还研究了固硫灰在其他建材领域的应用，如作为水泥混合材时会降低水泥砂浆的早期强度，但其中的无水硫酸钙可代替二水石膏起缓凝作用，水泥的凝结时间正常，安定性合格，符合国标要求；应用于干粉砂浆时掺量较小；用于制备泡沫混凝土、地聚物等也有相关探索，但在实际应用中，固硫灰仍面临着缺乏统一标准规范、性能波动大等问题。

尽管国内外在固硫灰特性及在水泥基自流平砂浆中应用研究取得了一定成果，但仍存在不足。现有研究对固硫灰在复杂水泥基体系中的长期稳定性研究较少，对于固硫灰与其他外加剂、掺合料的协同作用机制尚未完全明确。不同来源固硫灰性能差异较大，目前缺乏有效的分类和质量控制标准，导致在实际应用中难以准确把握其性能变