利用工業(yè)廢渣研制復(fù)合水泥

丁欣 金文輝 成岳 焦創(chuàng) 楊文俊

（1.景德鎮(zhèn)市環(huán)境科學(xué)研究所，江西景德鎮(zhèn)333000；2.景德鎮(zhèn)市華意壓縮股份有限公司，江西景德鎮(zhèn)333000；3.景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料學(xué)院江西省先進(jìn)陶瓷材料重點實驗室，江西景德鎮(zhèn)333403）

1 前言

合理利用資源，減少廢棄物的浪費(fèi)，是當(dāng)今社會一種發(fā)展方向[1-3]。本研究主要原料是粉煤灰和石膏等工業(yè)廢棄物，一方面解決了市政填料問題，另一方面又解決了固體廢棄物對環(huán)境的污染問題，可謂一舉多得，意義重大[4-7]。

2 試驗

2.1 試驗原料

本實驗所用的主要原料是發(fā)電廠的粉煤灰、德興銅礦尾砂、陶瓷廠的廢石膏、昌河汽車涂裝廢水處理廠的絮凝污泥和水泥熟料等,原料的化學(xué)組見表1。

2.2 正交實驗

采用的是四因素三水平的正交表，一共做了9個配方，每個配方做了三至四個試條，測其復(fù)合水泥抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度作考核指標(biāo)。按照正交實驗表準(zhǔn)確稱料，然后按工藝參數(shù)球磨，模具成型、脫模，最后放入濕度為90%養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，因素水平如表2。

2.3 性能測試

水泥凝結(jié)時間、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量按 GB/T1346-1989進(jìn)行檢驗,水泥強(qiáng)度按GB/T17671-1999進(jìn)行檢驗;抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的測定采用寧夏機(jī)械研究所生產(chǎn)的TZS-4000壓力測試儀；XRD物相分析采用德國Bruker公司D8-ADVANCE的X衍射儀；SEM顯微結(jié)構(gòu)分析采用中國科學(xué)院儀器公司生產(chǎn)的KYKY-1000B型掃描電子顯微鏡。

表1 試驗原料Tab.1 Test materials

表2 因素水平表（質(zhì)量份數(shù)）Tab.2 The levels of factors(mass fraction)

3 結(jié)果與討論

3.1 原料組成的影響

本試驗采用的混凝污泥來源于景德鎮(zhèn)昌河涂裝廢水處理廠的絮凝污泥，其XRD分析如圖1所示，其主要成分有石灰石。石灰石經(jīng)過1100攝氏度煅燒后變成氧化鈣。由于氧化鈣在少量二氧化硅、三氧化二鐵、三氧化二鋁等雜質(zhì)氧化物的作用下，晶體結(jié)構(gòu)致密，水化活化能明顯地高于純氧化鈣，水化活性較低，且隨煅燒溫度增加而降低。有相當(dāng)一部分氧化鈣在水泥凝結(jié)之前尚未水化，所以，雖然它也能縮短水泥的凝結(jié)時間，但對凝結(jié)時間的影響沒有純氧化鈣顯著。

試驗采用的粉煤灰來源于景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，外觀黑色，密度2.3～2.5g/cm3；其XRD分析如圖2所示，分析可知粉煤灰中的主要晶體礦物成分有石英、莫來石以及較少量的赤鐵礦。

圖2 粉煤灰XRD的分析圖譜Fig.2 XRD analysis of fly ash

粉煤灰的易磨作用和外加劑的活化作用,改善了復(fù)合水泥的強(qiáng)度、水化和孔結(jié)構(gòu)特性,從而得到性能優(yōu)異的復(fù)合水泥。

試驗所采用的銅礦尾砂來源于江西德興銅礦，外觀呈淺灰色,粒度較細(xì),密度2.8～3.0 g/cm3，有一定的可塑性。它的XRD分析見圖3，其礦物組成為：石英、云母、白云石、綠泥石、黃鐵礦等。經(jīng)過分析，試驗用的銅礦尾砂，主要礦物有石英52～56%，云母24～26%，白云石4～6%，綠泥石2～4%，黃鐵礦2～3%。銅礦尾砂摻量過大會影響水合反應(yīng)和復(fù)合水泥的生成，并影響到復(fù)合水泥結(jié)構(gòu)的均勻性，從而影響復(fù)合水泥強(qiáng)度和其他性能。

其實生產(chǎn)硅酸鹽水泥時摻少量石膏是為了起到緩凝作用，在初始反映階段石膏和水化鋁酸三鈣反應(yīng)阻礙水化，并且反應(yīng)后體積膨脹。但這是發(fā)生在水泥還沒有強(qiáng)度之前，水泥還有可塑性，所以水泥沒有強(qiáng)度，體積膨脹怎么能使他裂開呢。再之生產(chǎn)水泥加入的石膏只是少量的。但水泥石有硫酸鹽介質(zhì)時，水泥本身已經(jīng)是有強(qiáng)度的固體，這時要是從內(nèi)部再發(fā)生體積膨脹就會使水泥裂開。但水泥石有硫酸鹽介質(zhì)時，水泥本身已經(jīng)是有強(qiáng)度的固體，這時要是從內(nèi)部再發(fā)生體積膨脹就會使水泥裂開。

復(fù)合水泥中，熟料首先提供早期強(qiáng)度，隨著水化的進(jìn)行，粒度較細(xì)的礦渣在石膏和熟料水化析出的Ca(OH)2的激發(fā)作用下，加速水化，可明顯改善水泥石中膠凝物質(zhì)的組成，減少或消除游離石灰；同時礦渣粉還具有一定的填充作用，提高了水泥石的致密度、抗?jié)B性，從而提高了水泥石的強(qiáng)度和耐久性。

2.2 正交實驗

表3 L9(34)正交實驗結(jié)果表明：不同組成的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度相差不是很大，其中1和6組樣品顯示出良好的抗折強(qiáng)度，而第1、5和6組樣品顯示出良好的抗壓強(qiáng)度。其他幾組實驗的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)的不是那么明顯。采用抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相加后的強(qiáng)度作為評價指標(biāo)進(jìn)行計算分析。

從正交實驗表的極差分析可知，各因素主次順序：A→B→D→C。對抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度影響順序依次是粉煤灰、銅礦尾砂、混凝污泥和廢石膏。粉煤灰的加入量對復(fù)合水泥的強(qiáng)度會有影響，先是對強(qiáng)度有好的影響，但粉煤灰的量越多，復(fù)合水泥的強(qiáng)度不升反降。銅礦尾砂、混凝污泥和廢石膏的用量對強(qiáng)度是加入量越大對復(fù)合水泥的強(qiáng)度卻是越小，所以我們應(yīng)該取其最小的值做最佳配方。這就可以說，工業(yè)廢棄物的加入不但沒有破壞傳統(tǒng)填料的一些性能，而且使得其應(yīng)用更加廣泛。

綜合考慮到各方面因素的影響分析，主要考慮復(fù)合水泥的抗折、抗壓性能，我們選擇A2B1C1D1為最佳配方，其質(zhì)量組成見表4。

根據(jù)試驗計算結(jié)果與分析，依照表4的最佳配比方案，再次設(shè)計一次實驗配比方案，分別測28天后的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度分別為28.30MPa和50.21MP。

3.3 樣品的XRD、SEM分析

將28天后的復(fù)合水泥試樣條的粉末進(jìn)行X射線衍射分析，見圖4。XRD分析結(jié)果表明：主要成分為石灰石，石英以及少量的硅酸二鈣和硅酸三鈣。SEM的表征測定結(jié)果見圖5?？砂l(fā)現(xiàn)樣品比較致密，小顆粒粒度5～10um，為粉煤灰和礦渣的組成，在結(jié)構(gòu)中起到填充的作用，能加強(qiáng)水泥的強(qiáng)度系數(shù)。大顆粒粒度10～15um，為普通水泥結(jié)塊，是主要強(qiáng)度的產(chǎn)生物質(zhì)。

表4 最佳配比組份Tab.4 The best ratio of the components

圖4 試驗樣品的XRD圖Fig.4 XRD pattern of the test sample

4 結(jié)論

（1）本實驗主要以工業(yè)廢棄物為原料，其中有粉煤灰、銅礦尾砂、廢石膏、混凝污泥和普通水泥，并且以這前四因素做正交試驗，試驗結(jié)果表明當(dāng)粉煤灰14.05%、廢石膏2.24%、混凝污泥22.47%、銅礦尾砂11.24%以及普通水泥50%的時候復(fù)合水泥的強(qiáng)度最強(qiáng)。

（2）通過正交試驗，利用極差法得出：粉煤灰原料是影響復(fù)合水泥的主要因素，其次是廢石膏，銅礦尾砂以及混凝污泥。并且當(dāng)粉煤灰用量取到一定值的時候，其符合水泥的強(qiáng)度才最大?；炷勰?，銅礦尾砂以及廢石膏用量越大，不但不增加其復(fù)合水泥的強(qiáng)度，而且還會降低，所以在用量上取最小值。

（3）符合構(gòu)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好型社會的要求，如果工業(yè)化生產(chǎn)，能解決礦山尾礦和煤炭發(fā)電尾渣的堆存以及市政工程、路基填料等問題，產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

圖5 試驗樣品的SEM圖Fig.5 SEM graph of the test sample

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