固硫灰基輔助膠凝材料的制備及其在水泥中的應(yīng)用研究

武建芳

（山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036800）

硅酸鹽水泥是世界上應(yīng)用最為廣泛的人造材料，是一種高強(qiáng)度的膠凝材料。全球水泥年產(chǎn)量已高達(dá)40 億噸，并且該產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)了全球8%的CO2排放[1]。在水泥生產(chǎn)過程，會消耗大量的黏土、石灰石等天然資源以及能源[2]，同時污染物排放等也會對環(huán)境造成破壞。為了應(yīng)對水泥行業(yè)出現(xiàn)的上述問題，越來越多的研究關(guān)注于用大量的礦渣、粉煤灰等工業(yè)固體廢棄物可以作為原料或輔助性膠凝材料生產(chǎn)水泥[3]，該方法可以有效降低水泥生產(chǎn)的能耗，降低生產(chǎn)成本。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭等一次能源消費不斷增長，其中煤炭消費量大多被直接燃用，產(chǎn)生了大量的粉煤灰、爐渣等固體廢棄物，亟待規(guī)模化利用[4]。由于普通煤粉爐粉煤灰與循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)脫硫產(chǎn)生的固硫灰在組成、顯微結(jié)構(gòu)等方面有著較大的差異[5]，導(dǎo)致性能差異也較大。固硫灰具有自硬性、吸水率大、及后期膨脹性等缺點，在建材領(lǐng)域中的直接應(yīng)用受到限制[6]。

本文研究一種以固硫灰、爐渣為主要原料，添加適量爐渣制備輔助膠凝材料，并將其應(yīng)用在水泥中，在降低水泥生產(chǎn)成本的同時，提高固硫灰、爐渣等的利用率，以減少工業(yè)固廢堆積引起的占用土地等問題[7]。

1 實驗

1.1 原料

本試驗采用礦渣、爐渣和超細(xì)固硫灰等固體廢棄物制備固硫灰基輔助膠凝材料。其中，爐渣和固硫灰來源于山西省朔州某300MW 循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電產(chǎn)生的固體廢棄物，礦渣來源于內(nèi)蒙古包頭市某鋼鐵廠。各原料的化學(xué)組成如表1 所示。

表1 原料的化學(xué)分析(wt%)

1.2 輔助膠凝材料的制備

本實驗將3 種原料按表2 所示配比進(jìn)行混合，并置于球磨機(jī)中分別球磨20min、30min 和40min 即得所制備的輔助膠凝材料。

表2 試驗配比(wt%)

1.3 檢測方法

本實驗按照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（IOS 法）》，利用JJ-15 型水泥膠砂攪拌機(jī)和ZT-96 型水泥膠砂振實臺上述輔助膠凝材料制備成規(guī)格為40mm×40mm×160mm 的實驗樣品。樣品成型后，置于SBY-40A型水泥養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至齡期，后脫模。

按GB/T 18736-2002《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》規(guī)定測定固硫灰基輔助膠凝材料的需水量比和3d、7d、28d 的活性指數(shù)；利用勃氏比表面積測定儀測定固硫灰基輔助膠凝材料比表面積。

2 結(jié)果與討論

將按表2 所示配比球磨不同時間制得的輔助膠凝材料性能進(jìn)行檢測，結(jié)果如表3 和圖1-3 所示。

表3 固硫灰基輔助膠凝材料性能

從圖1 和圖2 可以看出，同一配比制得的固硫灰基輔助膠凝材料，當(dāng)球磨時間為20min 時，其需水量比均相對較大，比表面積均相對較?。划?dāng)球磨時間為30min，材料的需水量比與球磨40min 時基本相同，前者的比表面積略低于后。球磨時間相同時，與未加礦渣的材料相比，加入5%和10%的礦渣均可以降低材料的需水量比，但同時也降低材料的比表面積。

圖1 輔助膠凝材料的需水量比

圖2 輔助膠凝材料的比表面積

本實驗所制備的各材料需水量比均不低于95%，最高為102%，部分樣品滿足GB/T18736-2002《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》中Ⅱ級磨細(xì)礦渣的要求（100%），但只有采用C1 配比球磨40min、C2 配比球磨20min 和C2配比球磨30min 時，需水量比滿足Ⅰ級磨細(xì)粉煤灰的要求（95%）。

從表3 可知，各配比制得的輔助膠凝材料比表面積均高于600m2/kg，滿足上述標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Ⅱ級磨細(xì)礦渣（不低于550m2/kg）和Ⅰ級磨細(xì)粉煤灰（不低于600m2/kg）相應(yīng)要求。

從圖3 看出，球磨時間對各試樣不同齡期活性指數(shù)的影響規(guī)律基本一致：當(dāng)相同養(yǎng)護(hù)齡期且輔助膠凝材料配比相同時，球磨20min 時的材料活性指數(shù)相對最低；球磨30min 和40min 時的活性指數(shù)相差不大。

圖3 輔助膠凝材料的活性指數(shù)

當(dāng)球磨時間相同時，在同一養(yǎng)護(hù)齡期下，各試樣的活性指數(shù)均隨著礦渣加入量的增加而增加，且礦渣的加入可以顯著改善材料的早期強(qiáng)度。

GB/T18736-2002 要求Ⅱ級磨細(xì)礦渣的活性指數(shù)為3d≥70%，7d≥85%，28d≥105；要求Ⅰ級磨細(xì)粉煤灰的活性指數(shù)為7d≥80%，28d≥90%。從表3可以看出，各試樣的7d、28d 活性指數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)中Ⅰ級磨細(xì)粉煤灰的要求；但只有C1 樣品和球磨30min、40min 的C2 樣品，活性指數(shù)均滿足國標(biāo)中Ⅱ級磨細(xì)礦渣的要求。

本實驗制備的固硫灰基輔助膠凝材料原料均為固體廢棄物，但在使用過程中，仍會產(chǎn)生一定的費用，且礦渣較粉煤灰不易磨細(xì)，費用較高。因此，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、材料性能考慮，本實驗制得的固硫灰基輔助膠凝材料配比以固硫灰：爐渣：礦渣=60:35:5 為宜，球磨時間以30min 為宜。

3 固硫灰基輔助膠凝材料的應(yīng)用

將前述相對最優(yōu)方案制得的輔助膠凝材料，外摻入市售P.O 42.5 水泥中制備P.C 42.5 水泥，外摻量分別為20%、30%和40%，按GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》對所制備的P.C 42.5 水泥強(qiáng)度、標(biāo)稠、凝結(jié)時間等性能進(jìn)行檢測，結(jié)果如表4 所示。

表4 水泥試樣性能

從表4 可以看出，本實驗制得的P.C 42.5 水泥的凝結(jié)時間均符合GB 175-2007 的要求，但隨著輔助膠凝材料外摻量的增加，P.C42.5 水泥的標(biāo)稠增加，3d 抗折、抗壓強(qiáng)度以及28 抗折、抗壓強(qiáng)度均下降。當(dāng)外摻量達(dá)40%時，3d 抗折強(qiáng)度、28d 抗折和抗壓強(qiáng)度均不符合GB 175-2007 要求。因此，本次實驗制備的P.C 42.5 水泥，固硫灰基輔助膠凝材料外摻量最大為30%。

4 總結(jié)

(1)以固硫灰、爐渣和礦渣為主要原料制備的固硫灰基輔助膠凝材料，其性能可滿足GB/T18736-2002 中Ⅰ級磨細(xì)固硫灰和Ⅱ級磨細(xì)礦渣的要求。結(jié)合經(jīng)濟(jì)性及成本比較可知，配比以固硫灰：爐渣：礦渣=60:35:5 為宜，球磨時間以30min 為宜。

(2)將以最優(yōu)方案制備的固硫灰基輔助膠凝材料摻入市售P.O 42.5 水泥中制備P.C 42.5 水泥，隨著外摻量的加大，P.C 42.5 水泥強(qiáng)度下降，最大外摻量為30%。