采用鋁渣和脫硫石膏制備硫鋁酸鹽水泥熟料可行性研究

馮春 夏瑞杰 朱建平 趙倩

摘? 要：本文以鋁渣和脫硫石膏等固廢為原料燒制硫鋁酸鹽水泥熟料，研究了不同因素對熟料燒成的影響，結果表明，當煅燒溫度低于1280℃時，熟料中的f-CaO含量較高，煅燒溫度過高時，熟料中液相量較多;硫鋁酸鹽水泥熟料最佳煅燒溫度為1280℃～1300℃，最佳保溫時間為30min;當鋁硫比為3.84時，生成的C4A3S低于預期設計;隨著硫鋁比的降低，熟料中C2S含量減少，最佳鋁硫比為2.5～3.0。

關鍵詞：鋁渣? 脫硫石膏? 硫鋁酸鹽水泥熟料? 煅燒制度

中圖分類號：TQ172.44? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）08（b）-0103-04

Abstract： In this paper， sulphoaluminate cement clinker was prepared using solid wastes such as aluminum slag and desulfurized gypsum. The influence of different factors on the preparation of clinker was studied. The results showed that， when the calcination temperature was lower than 1280 ℃， the content of f-CaO in clinker was higher， and when the calcination temperature was too high， the amount of liquid phase in clinker was more; the optimal calcination temperature of sulphoaluminate cement clinker was 1280 ℃ ～ 1300 ℃， and the optimal holding time was 30min; when the aluminum sulfur ratio is 3.84， the C4A3S generated is lower than the expected design; with the decrease of S / Al ratio， the content of C2S in clinker decreases， and the optimal Al / S ratio is 2.5 ～ 3.0.

Key Words： Aluminumdross; Desulfurization gypsum; Sulphoaluminate cement clinker; Calcination system

鋁渣是氧化鋁工業中產生的廢渣，目前世界上鋁渣的堆存量已超過35億t，每年仍會增加約1.2億t，大量鋁渣的排放不僅會占用大量土地資源，還會對人類環境造成威脅。硫鋁酸鹽水泥具有早強、煅燒溫度低、耐腐蝕等優點，在修補材料中應用廣泛，其在燒制過程中對原料的品位要求較低，這便為利用鋁渣和脫硫石膏等工業固廢燒制硫鋁酸鹽水泥熟料提供了可能。本實驗擬采用鋁渣和脫硫石膏為主要原料來燒制硫鋁酸鹽水泥，研究不同因素對熟料燒成的影響，可以為鋁渣在硫鋁酸鹽工業中的應用提供一定的實驗參考。

1? 原材料及試驗方法

1.1 原材料

赤泥和鋁尾礦來自焦作市中州鋁業，脫硫石膏來自焦作市高新區電廠，石灰石和砂巖來自焦作堅固水泥廠，原料的成分分析如表1所示。

1.2 原料配合比

根據表2中設計的原料配比進行配料，加入7%的蒸餾水，充分的攪拌均勻后壓制成Φ30mm的試餅，105℃條件下干燥12h后放入高溫爐中在不同溫度條件下（1250℃、1280℃、1300℃、1320℃）進行煅燒。

1.3 水泥熟料中f-CaO的測試方法

按照國家標準GB/T 176-2008 《水泥化學分析方法》采用乙醇-乙二醇法測定熟料中游離氧化鈣（f-CaO）含量。

2? 實驗結果及分析

2.1 煅燒溫度對熟料燒成的影響

圖1是煅燒溫度對硫鋁酸鹽熟料燒成的影響。從圖中可以看出，當煅燒溫度為1250℃、保溫30min時燒成的熟料中f-CaO含量大于2.5%，仍超過國家標準要求（1.0%），說明此時熟料仍未燒成，f-CaO含量高會對水泥的安定性和強度等均會產生不利的影響。在1280℃、保溫30min時，熟料中的f-CaO含量低于0.5%，此時繼續升高溫度，熟料中的f-CaO含量持續降低，但熟料中液相量逐漸增加，當煅燒溫度為1320℃時，熟料已出現熔融狀態，表明熟料中的礦物組分的最低共熔溫度在1320℃左右，且溫度過高，熟料礦物易分解[1-2]，反而對熟料性能產生不利影響。可以認為熟料的最佳煅燒溫度為1280℃，此時熟料已燒成。

2.2 保溫時間對熟料燒成的影響

將配制的生料在1280℃條件下分別保溫20min、30min、45min和60min，研究保溫時間對熟料燒成的影響。圖2是不同保溫時間對熟料中f-CaO含量的影響。從圖中可以看出，保溫時間對熟料燒成的影響相對低于煅燒溫度。當在1280℃條件下保溫20min時，熟料中的f-CaO含量為0.85%，已低于國家標準;當保溫時間大于30min時，f-CaO含量進一步降低，但含量變化不明顯，且隨著保溫時間延長，熟料中的β-C2S的水化活性會降低，主要是由于煅燒時間過長時，β-C2S晶粒尺寸生成較大，內部微觀應力較小導致的[3-4]。

發生變化，如圖3，均為C2S和C4A3S，并有少量的C4AF和C12A7。對測試結果通過Rietveld精修進行了半定量分析[5]，從表3中XRD的定量結果也可以看出，當保溫時間在30～60min時，熟料中的礦物組成生成量變化不大，可以認為熟料煅燒的最佳保溫時間為30min。

2.3 鋁硫比對熟料燒成的影響

從表3中可以看出熟料中存在一定量的礦物C12A7，分析原因這可能是由于高溫條件下脫硫石膏分解，導致熟料中硫元素不足，從而會有C12A7生成。因此進一步研究鋁硫比（P=3.8，3.0，2.5，2.0）進行生料配料，保證熟料在煅燒的情況下有足夠的硫進行參與反應。配合比見表4所示。圖4為不同鋁硫比燒成的熟料XRD圖譜，從圖中可以看出，隨著石膏摻量的增加，鋁硫比降低，此時熟料中C12A7的生成量也降低，C4A3S的含量逐漸增多，但也會導致C2S的生成量降低[6]，主要是由于硫鋁酸鹽熟料中生成較多的C4A3S ，需要CaO的量會增加，從而導致與SiO2結合的氧化鈣含量降低，C2S生成量隨之有所降低。

3? 結論

（1）采用鋁渣和脫硫石膏制備的硫鋁酸鹽水泥熟料最佳的煅燒條件為：煅燒溫度1280℃，保溫時間30min。

（2） 煅燒熟料時，配比中的脫硫石膏會有一定量的分解，導致硫元素流失，C4A3S的生成量減少，生成少量的C12A7。

（3）石膏的摻量越大，鋁硫比越小，C12A7的生成量越少，同時C2S的生成量會有所降低。

（4）采用鋁渣和脫硫石膏可以制備出礦物組成較好的硫鋁酸鹽水泥熟料。

參考文獻

[1] 王曉麗，李秋義，陳帥超，等.全固廢高貝利特-硫鋁酸鹽水泥熟料礦物的形成研究[J].水泥，2019（7）：11-15.

[2] 鐘文，盧忠遠，李軍，等.鋁灰替代部分高鋁礬土制備鋁酸鹽水泥熟料的研究[J].水泥，2018（9）：9-13.

[3] 黃永波.磷石膏制備硫硅酸鈣——硫鋁酸鹽水泥[D]. 重慶：重慶大學，2018.

[4] 張楠楠.鐵礬渣焙燒與制備硫鋁酸鹽水泥的研究[D]. 漢中：陜西理工大學，2018.

[5] 常鈞，崔凱.基于Rietveld方法的硫鋁酸鹽水泥熟料及其水化產物定量相分析[J]. 建筑材料學報，2020，23（2）：438-446.

[6] 蘭明章，趙旭東，陳智豐，等. 快凝快硬高貝利特硫鋁酸鹽水泥熟料燒成過程研究[J].硅酸鹽通報，2017，36（9）：2958-2962.