綠色環保生態水泥的制備及其硬度、抗彎強度的研究

張徽斌

摘 要：本文利用垃圾飛灰成分中的CaOAl2O3Fe2O3SiO2混合物體系，制備出環保生態的阿利尼特水泥。研究了MgO與Cl的含量比對水泥硬度以及抗彎強度的影響，結果表明：當兩者質量比為1.5：1時，水泥維氏硬度值為52.1，在養護3天以及28天后的抗彎強度值分別達到了32.3以及52.5 MPa。

關鍵詞：飛灰；環保生態；阿利尼特；含量比；強度

中圖分類號： TQ172.1 文獻標識碼： A

1 緒論

大部分的生態水泥都是由生活垃圾以及污泥混合制成，這就使得原料選取過程相對繁瑣，對兩種物質進行焚燒，增加了制備難度，也增長了制備周期，導致成本較高、能耗過大。針對焚燒城市廢棄垃圾中所含有的CaOAl2O3Fe2O3SiO2混合物體系，可以制備出被稱為阿利尼特的生態水泥，它是一種低溫燒成水泥，具有特殊的晶體結構，而且固溶能力較強，由于其在低溫下就可燒制成功，它的生產過程中所需的能耗要比傳統硅酸鹽水泥低600 kJ/kg左右，而且焚燒的廢棄垃圾中含有少量的MgO和含氯的化合物，對阿利尼特水泥的硬度以及抗彎強度會有較大影響，但是鮮有此方面的研究報道。本文以城市生活廢棄垃圾為原料制備了阿利尼特水泥，并且系統研究了MgO和含氯化合物對水泥硬度以及抗彎強度的影響。

2 實驗過程

2.1 實驗所用原料試劑及設備

實驗所用的垃圾焚燒飛灰來自于市內某垃圾焚燒廠，它的主要成分以及含量由XRF測定，具體結果見表1。

表1為城市垃圾焚燒后飛灰物質的XRF測試結果，從結果可以看出，飛灰的主要成分為CaOAl2O3Fe2O3SiO2的混合物體系，是成功制備阿利尼特水泥的前提。由于焚燒后的物質成分較為復雜，本文除了四種主要成分外，只考慮MgO與Cl的含量比對生態水泥力學性能的影響，所以XRF測試只定量分析以上六種物質的含量。

因為飛灰成分中的MgO和Cl的含量一定，為了考查兩者含量比對生態水泥力學性能的影響，需要MgO和CaCl2作為補充材料來調整生態水泥中的兩者含量，兩種藥品的純度均到達AR級別，全部由上海國藥集團試劑有限公司來提供。

利用吳江市恒佳節能烘箱廠出品的HJXX806型烘箱烘干泥漿塊體；采用北京卓的儀器設備有限公司生產的SX214TP型箱式電阻爐來燒制泥漿塊體；使用上海一實儀器設備廠生產的DHT27PSD型恒溫恒濕箱陳化水泥塊體以備后續測試；采用日本理學公司100E型X射線熒光光譜儀（XRF）分析飛灰的主要成分以及純度；使用上海倫捷機電儀表有限公司的HVS10型數顯維氏硬度計來測量阿利尼特水泥的維氏硬度；使用濟南耐而試驗機有限公司的WAWD型萬能實驗機來測定阿利尼特水泥的抗彎強度

2.2 實驗方法

準確稱取垃圾焚燒后的飛灰，根據實驗需求加入MgO和CaCl2作為校正補充材料，將它們均勻混合后放入去離子水，攪拌成泥漿狀態，利用模具將泥漿成型為10 mm×10 mm×10 mm的泥漿塊，放入干燥箱中60oC下烘干12 h。將干燥后的泥漿塊脫模取出放入箱式電阻爐中煅燒，煅燒過程分為三個步驟，首先爐溫從室溫升到600oC，保溫20 min，之后將溫度升高的900oC，保溫15 min，最后將爐溫升高至1100oC，保溫 1 h后立即將其取出，在室溫下讓其自然冷卻，最后對燒制成型的樣品進行磨拋處理，以備后面測試所用。

3 實驗結果與分析

MgO含量的變化對阿利尼特水泥維氏硬度的影響圖

首先考查MgO與Cl的質量比對阿利尼特水泥維氏硬度的影響，為在固定的Cl含量下，我們改變MgO的含量。從圖中結果可以看出，隨著MgO含量的增加，樣品的維氏硬度呈現出上升趨勢，當MgO與Cl的質量比為1.5：1時維氏硬度值達到最大，雖然當兩者質量比達到2：1時樣品的維氏硬度值稍有上升，但是考慮到生產成本，以及過多的MgO會有少量固溶進SiO2以及CaO的晶格內，很可能影響阿利尼特水泥的固有屬性，所以將兩者的質量比定位1.5：1。此外，Cl對硅酸鹽類物質的燒結性能有很大影響，本文焚燒的垃圾飛灰中Cl含量為3.23（詳見表1），處于較低水平，故不對飛灰做任何后續處理。

表2表示了MgO與Cl的含量比對放置不同時間的水泥塊體三點抗彎強度的影響。實驗中所有燒制成功的水泥塊體被放置在恒溫恒濕箱中，溫度為20oC，濕度為60%，放置時間分別為3天和28天。從表中結果可以看出，當兩者質量比為15：1時，養護3天的水體塊體強度已經達到了32.3 MPa，28天后強度增加到52.5 MPa，其值已經略高于普通的硅酸鹽水泥，但是當進一步增加氧化鎂的含量，當兩者質量比達到2∶1時，養護3天和28天的樣品強度略有下降，很可能是由于過多的MgO已經固溶進SiO2以及CaO的晶格內，形成了少量的固溶體，從而導致水泥塊體抗彎強度下降，故進一步證明了在本實驗中，MgO與Cl的最優質量比為1.5∶1。

4 結論

本文以焚燒后的垃圾飛灰為原料，制備出環保生態水泥，在最優MgO與Cl的質量比1.5∶1的條件下，水泥樣品的維氏硬度與抗彎強度最高。