随着新疆维吾尔自治区及新疆生产建设兵团经济、社会的快速发展, 新疆地域火力发电厂的数量、规模进一步扩大, 使得本地区的粉煤灰、煤渣和脱硫石膏等固体废弃物数量迅速增加。合理利用粉煤灰、煤渣和脱硫石膏等固体废弃物资源, 不仅能变废为宝、减少占地、降低污染, 还能为社会和企业带来巨大的经济效益。在粉煤灰、脱硫石膏和煤渣等电厂固体废弃物资源化利用方面, 国内学者开展了大量理论与试验研究, 主要集中在利用粉煤灰、脱硫石膏和煤渣研制胶凝材料、制作加气混凝土、生产建筑石膏砌块、制备建筑砂浆等建筑材料。尽管目前3种主要固体废弃物在新疆地域建筑行业中得到一定的资源化利用, 但是利用率很低。

本文在前期单因素试验研究的基础上, 以煤渣为细骨料, 以粉煤灰、脱硫石膏和水泥为主要胶凝材料, 以石灰为激化剂, 加水拌合形成绿色建筑砂浆。设计正交试验, 主要研究各胶凝材料不同掺量与砂浆7d, 28d抗压强度和表观密度之间的变化关系, 探索利用电厂固体废弃物生产不同强度等级需要的建筑砌筑砂浆材料的初步配合比, 减轻工业固体废弃物露天堆放对环境的威胁和对宝贵土地资源的侵占等危害, 为新疆地域电厂固体废弃物的资源化利用提供新的途径和理论支撑。

本试验中胶凝材料主要为水泥、脱硫石膏、粉煤灰和石灰所形成的多元胶凝体系, 细骨料为粒径<5mm的电厂煤渣, 水为城市洁净自来水。其中, 水泥为新疆石河子市天辰水泥有限责任公司 P·C 32.5 级复合硅酸盐水泥, 石灰为新疆石河子市建材市场市售石灰粉, 脱硫石膏、粉煤灰和煤渣均取自新疆石河子市南热电厂, 主要化学成分及含量如表1, 2所示。

基于前期单因素试验研究, 固定材料配合比中细骨料煤渣的质量分数, 以粉煤灰、脱硫石膏、水泥和石灰为4因素, 每个因素取3个水平, 设计正交试验, 试验方案如表3所示。本次试验主要研究胶凝材料不同掺量与砂浆7d, 28d抗压强度和表观密度之间的变化关系, 探索满足不同强度等级要求的砂浆材料初步配合比, 为后期开展优化研究提供理论依据。

试验中制作的试件为70.7mm砂浆标准立方体试块, 采用的仪器主要有电子秤、钢制捣棒、70.7mm×70.7mm×70.7mm标准钢模具、振动台、20t万能压力试验机等。

材料配合比试验按照JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行。材料立方体抗压强度试验试件规格为70.7mm×70.7mm×70.7mm, 试件成型采用有底试模, 每个配合比制作6块试件, 试件在实验室内自然养护到7d, 28d后进行抗压强度试验。试验中万能试验机加载速度为0.25kN/s, 试验前, 测量试件的尺寸、称量试件质量并做好记录。

根据表3设计的试验方案, 以JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》为依据, 通过试验得到砂浆7d, 28d抗压强度和自然表观密度试验数据, 具体试验结果如表4所示。

由表4可以看出, 各组分胶凝材料不同掺量水平下, 砂浆28d抗压强度范围为1.23～14.48MPa, 变化幅度很大, 适当调整胶凝材料用量或者调整煤渣用量, 可以很容易配制出满足M2.5～M15.0强度等级要求的各级别砂浆;砂浆28d自然表观密度变化范围为1.370 ～1.617g/cm³, 最大值小于普通水泥砂浆的表观密度。可见, 各组分胶凝材料不同水平掺量对砂浆抗压强度有很大影响, 对材料表观密度影响也较大。确定满足不同强度等级要求的砂浆, 应合理选择胶凝材料的最优掺量。

为深入探索多组分胶凝材料不同掺量水平对砂浆抗压强度和表观密度的影响, 对试验数据进行极差分析, 结果如表5所示。根据表5所示极差分析数据结果, 绘制各因素与材料7d, 28d抗压强度极差分析R值及材料7d, 28d表观密度极差分析R值间的关系图, 如图1, 2所示;并绘制各因素用量与材料7d, 28d抗压强度和表观密度2个主要指标间的K值关系曲线, 如图3, 4所示。

结合图1和表5可以看出, 本次试验各胶凝材料用量对材料7d, 28d抗压强度影响显著性规律变化一致, 按显著性排序为C>A>B>D, 其中材料C水泥是影响砂浆7d, 28d抗压强度的最显著、最关键因素, 水泥的水化反应提供材料的主要黏结力;脱硫石膏和石灰对砂浆7d, 28d抗压强度影响最小。由图3可见, 基于本次试验, 材料7d, 28d抗压强度随因素A, C掺量的增加而增加;材料7d, 28d抗压强度随因素B掺量的增加而减小, 在掺量水平2之前减小幅度较大, 水平2之后趋于稳定;材料7d, 28d抗压强度随因素D掺量的增大材料抗压强度先增大后减小。基于材料抗压强度、充分利用工业废料、节约水泥等要求而言, 粉煤灰用量越大越好, 水泥用量有一个最低 (小) 值要求, 脱硫石膏用量有一个最高 (大) 值要求, 石灰用量有一个最优值要求。

由图2和表5可以看出, 各材料对砂浆7d和28d表观密度的影响显著性规律不一致, 对砂浆7d表观密度影响显著性顺序为A>C>B>D, 其中材料粉煤灰是影响砂浆7d表观密度最显著的因素, 水泥次之, 脱硫石膏和石灰最小且显著性几乎一致。对砂浆28d表观密度影响显著性顺序为C>D>A>B, 其中水泥是影响砂浆28d表观密度最显著的因素, 石灰次之, 脱硫石膏显著性最小、最低。由图4可得出, 基于本次试验, 砂浆7d, 28d表观密度随粉煤灰、水泥和石灰掺量的增加而增大, 随脱硫石膏掺量的增加先增大后减小、总体呈增大的变化趋势。就本次试验而言, A, B, C, D 4因素均为粉料胶凝材料, 均需与水结合才能发生水化反应, 所以砂浆的表观密度会随4因素用量的增加而增大。

1) 用电厂粉煤灰、煤渣和脱硫石膏3种主要固体废弃物, 掺加少量水泥和石灰用来生产砂浆完全可行, 可制备满足M2.5～M15.0强度等级要求的绿色、轻质砂浆。

2) 煤渣用量固定的情况下:砂浆表观密度随4

种胶凝材料用量的增加而增大, 砂浆强度随水泥、粉煤灰用量的增大而增大, 砂浆强度随脱硫石膏用量的增大而减小, 砂浆强度随石灰用量的增大先增大后减小。

3) 在煤渣用量固定的情况下:应结合强度、表观密度、经济性、节能要求, 确定各强度等级砂浆对应的最小水泥用量范围、最大粉煤灰和脱硫石膏用量以及合理的石灰掺量。