化灰機(jī)返砂返石用作干粉砂漿和混凝土摻合料的研究

李俊杰，曾松峰

（廣東南方堿業(yè)股份有限公司，廣東 廣州 510760）

返砂返石是氨堿法制純堿的石灰石車間從化灰機(jī)中分離出來的廢渣，主要是由未完全分解的石灰石、在化灰機(jī)中未來得及消化的過燒石灰及未完全燃燒的白煤或焦炭組成。化灰機(jī)出來的返砂返石經(jīng)皮帶送入返砂返石倉，定時用卡車把返砂返石運(yùn)到廠區(qū)外堆場。大量的廢渣堆積不僅占用土地，而且污染環(huán)境。

目前，磨細(xì)石灰石粉（CaCO3顆粒）用作水泥混合材已被普遍接受，用作混凝土摻合料的研究亦有較多報道，但實(shí)際應(yīng)用較少。返砂返石中不僅含有CaCO3，還含有部分Ca（OH）2，用作干粉砂漿和商品混凝土摻合料，既可以改善拌合物的和易性，促進(jìn)水泥的早期水化，又可以補(bǔ)充漿體中的鈣含量，提高抗中性化能力。但實(shí)現(xiàn)此種綜合利用要考慮過燒的CaO必須消解完全，否則對安定性有影響；未燃燒完全的焦炭或白煤會影響拌合物和易性和硬化體強(qiáng)度，需要控制其含量，即實(shí)現(xiàn)此種利用對返砂返石的品質(zhì)有所要求。

對氨堿法生產(chǎn)純堿過程中返砂返石的綜合利用研究國內(nèi)外很少見報道，主要原因在于相對于堿廠的廢氣、廢液和堿渣而言，其污染性、危害性不大，而且長期以來一直用于鋪路、立窯水泥原材料等用途，雖然利用價值低，但大部分能夠消耗掉。而隨著對道路質(zhì)量要求的提高和立窯水泥廠的淘汰，其利用率反而下降，尋求新的利用途徑勢在必行。

1 研究內(nèi)容

將返砂返石破碎、粉磨后，根據(jù)干粉砌筑砂漿的配合比，設(shè)計(jì)返砂返石與粉煤灰復(fù)摻作為摻合料的不同配比，在相同稠度下，對比基準(zhǔn)樣，研究不同種砂漿的需水量（水灰比）、凝結(jié)時間、分層度、力學(xué)性能、抗碳化性能，水化產(chǎn)物組成和微觀結(jié)構(gòu)（孔結(jié)構(gòu)），分析返砂返石用量配比對砂漿性能的影響。

2 返砂返石物化性質(zhì)分析

本研究主要是對化灰機(jī)返砂返石進(jìn)行分析，返石指的是粒徑大于40mm的樣品，返砂是粒徑較小的返石及碎石。樣品1是在化灰機(jī)轉(zhuǎn)篩返砂返石皮帶采集，其余在廠區(qū)外返砂返石堆場采集。

2.1 返砂返石樣品的化學(xué)成分

由表1分析可見，樣品1的返砂化學(xué)成分與其它三個樣品的差異較大，有害組分含量大，如Cl含量高，不能用于水泥及混凝土中；此外，其SO3、堿含量也較高，會對窯的正常煅燒產(chǎn)生影響，MgO含量很高，對水泥的安定性不利。主要原因是當(dāng)時石灰窯生產(chǎn)有過燒結(jié)瘤現(xiàn)象，另外用部分廢液補(bǔ)充化灰水試驗(yàn)導(dǎo)致氯根含量高。其它三個樣品的化學(xué)成分相近。返砂的化學(xué)成分波動比返石大，返砂比返石的雜質(zhì)含量高。

表1 返砂返石樣品的化學(xué)成分（wt%）

2.2 返砂返石的礦物組成

樣品1的XRD分析的結(jié)果為：

返砂的礦物組成為：CaCO3、Ca（OH）2、SiO2、MgO

返石的礦物組成為：CaCO3、Ca（OH）2、CaO、MgO

返石中存在仍未消解的CaO，可能為過燒的難以消解的CaO，對水泥安定性不利；返砂中存在結(jié)晶SiO2，對水泥生料易燒性不利；返砂返石中都存在晶體MgO，可能對水泥安定性不利。

樣品2的返石為粒徑大于40mm的白色石塊，返砂為粒徑較小的白色石塊和石粉，兩者之中均夾雜有塊狀的未完全燃燒的白煤，取白色石塊若干，粉磨至全部通過0.08mm方孔篩，采取四分法多次縮量后，取出部分樣品進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖1、圖2。

圖1 XRD分析——樣品2的返砂

由XRD圖譜可見，返砂主要由方解石CaCO3、羥鈣石Ca（OH）2兩種礦物組成，返石主要由方解石CaCO3一種礦物組成，兩者均含有很少量的水鎂石Mg（OH）2，幾乎不含其它雜質(zhì)礦物。這與樣品1的取樣結(jié)果差異較大，說明返砂返石的化學(xué)成分、礦物組成不穩(wěn)定。DSC－TG分析結(jié)果如下：

圖2 XRD分析——樣品2的返石

圖3 DSC－TG分析——樣品2的返砂

由圖3、圖4可見，返砂返石均有三個吸熱峰，其中最主要是峰值在843℃的CaCO3分解反應(yīng)特征峰，失重量達(dá)40%以上，表明返砂返石主要由CaCO3組成。在420℃左右為Ca（OH）2的脫去結(jié)構(gòu)水的特征峰，失重量很小，返砂略大于返石；另外，在370℃左右還有一微弱峰，是含有的很少量Mg（OH）2的脫水。熱分析結(jié)果與XRD分析結(jié)果相吻合。

圖4 DSC－TG分析——樣品2的返石

3 返砂返石粉用作干粉砂漿和混凝土摻合料的研究

3.1 返砂返石粉代替粉煤灰

把返砂返石進(jìn)行粉磨，代替粉煤灰作為混凝土摻合料，摻量為膠凝材料的20%，配制C30泵送混凝土，性能如表2所示。

表2 返砂返石粉配制C30泵送混凝土性能表

與粉煤灰相比，返砂返石粉作混凝土摻合料，不僅可改善混凝土拌合物的工作性能，使流動性提高；而且能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度和抗碳化性能，抗氯離子滲透性和后期強(qiáng)度比粉煤灰混凝土差。這是因?yàn)椋悍瞪胺凳鄣乃钚缘陀诜勖夯遥示哂幸欢ǖ臏p水作用；且返砂返石顆粒形態(tài)多呈片、角狀，可以互相搭接，起橋架作用，故能夠改善混凝土拌合物的和易性。CaCO3顆粒會促進(jìn)水泥早期水化反應(yīng)的進(jìn)行，使混凝土早期強(qiáng)度提高。CaCO3顆粒的存在延緩了碳化速率，使混凝土抗碳化性能提高。但返砂返石粉為惰性材料，降低了漿體的水化程度，水化產(chǎn)物更少，結(jié)構(gòu)致密度相對更差，使混凝土28d抗壓強(qiáng)度下降，抗氯離子滲透性變差。

3.2 返砂返石粉部分或全部代替粉煤灰

將返砂返石粉部分或全部代替粉煤灰作為干粉砂漿摻合料，摻量分別為膠凝材料的6%、9%、12%，配制稠度為80mm的砌筑砂漿，性能如表3所示。

表3 返砂返石粉配制稠度為80mm的砌筑砂漿性能表

從表3數(shù)據(jù)可看出，與粉煤灰相比，返砂返石粉作砂漿摻合料，在一定稠度范圍下，能降低砂漿用水量，減少分層度，縮短凝結(jié)時間，但會降低砂漿28d抗壓強(qiáng)度；且隨返砂返石粉摻量增加，上述規(guī)律越顯著。其原因分別如下：①雖然返砂返石粉比表面積大，需水量增加，但由于其水化活性遠(yuǎn)低于水泥熟料，也低于粉煤灰，故具有一定的減水作用。②同時由于返砂返石粉粒度細(xì)，能夠很好的填充在砂漿中，使砂漿更緊密；且返砂返石細(xì)顆粒形態(tài)多呈片、角狀，可以互相搭接，起橋架作用，故能夠減少砂漿的泌水，改善和易性。③由于水灰比降低，同時研究表明CaCO3顆粒會促進(jìn)水泥早期水化反應(yīng)的進(jìn)行，使得其凝結(jié)時間縮短。④但返砂返石粉為惰性材料，其摻加相對降低了水化活性更高的粉煤灰含量，降低了漿體的水化程度，對砂漿28d抗壓強(qiáng)度是不利的。

4 結(jié) 語

上述研究試驗(yàn)表明，返砂返石粉相比粉煤灰作混凝土摻合料，不僅可改善混凝土拌合物的工作性能，使流動性提高，而且能夠提高混凝土的早期強(qiáng)度和抗碳化性能，抗氯離子滲透性和后期強(qiáng)度比粉煤灰混凝土差；返砂返石粉代替粉煤灰作砂漿摻合料，在一定稠度范圍下，能降低砂漿用水量，減少分層度，縮短凝結(jié)時間，但會降低砂漿抗壓強(qiáng)度。本研究為返砂返石代替粉煤灰用作干粉砂漿摻合料用于水泥或混凝土工業(yè)進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。