固硫灰基輔助膠凝材料的制備及其在水泥中的應用研究

武建芳

（山西平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 036800）

硅酸鹽水泥是世界上應用最為廣泛的人造材料，是一種高強度的膠凝材料。全球水泥年產量已高達40 億噸，并且該產業貢獻了全球8%的CO2排放[1]。在水泥生產過程，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境造成破壞。為了應對水泥行業出現的上述問題，越來越多的研究關注于用大量的礦渣、粉煤灰等工業固體廢棄物可以作為原料或輔助性膠凝材料生產水泥[3]，該方法可以有效降低水泥生產的能耗，降低生產成本。

隨著我國經濟的快速發展，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，產生了大量的粉煤灰、爐渣等固體廢棄物，亟待規模化利用[4]。由于普通煤粉爐粉煤灰與循環流化床鍋爐內脫硫產生的固硫灰在組成、顯微結構等方面有著較大的差異[5]，導致性能差異也較大。固硫灰具有自硬性、吸水率大、及后期膨脹性等缺點，在建材領域中的直接應用受到限制[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，并將其應用在水泥中，在降低水泥生產成本的同時，提高固硫灰、爐渣等的利用率，以減少工業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 循環流化床鍋爐發電產生的固體廢棄物，礦渣來源于內蒙古包頭市某鋼鐵廠。各原料的化學組成如表1 所示。

表1 原料的化學分析(wt%)

1.2 輔助膠凝材料的制備

本實驗將3 種原料按表2 所示配比進行混合，并置于球磨機中分別球磨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《水泥膠砂強度檢驗方法（IOS 法）》，利用JJ-15 型水泥膠砂攪拌機和ZT-96 型水泥膠砂振實臺上述輔助膠凝材料制備成規格為40mm×40mm×160mm 的實驗樣品。樣品成型后，置于SBY-40A型水泥養護箱中養護至齡期，后脫模。

按GB/T 18736-2002《高強高性能混凝土用礦物外加劑》規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；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行檢測，結果如表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，比表面積均相對較小；當球磨時間為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《高強高性能混凝土用礦物外加劑》中Ⅱ級磨細礦渣的要求（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，滿足上述標準中規定的Ⅱ級磨細礦渣（不低于550m2/kg）和Ⅰ級磨細粉煤灰（不低于600m2/kg）相應要求。

從圖3 看出，球磨時間對各試樣不同齡期活性指數的影響規律基本一致：當相同養護齡期且輔助膠凝材料配比相同時，球磨20min 時的材料活性指數相對最低；球磨30min 和40min 時的活性指數相差不大。

圖3 輔助膠凝材料的活性指數

當球磨時間相同時，在同一養護齡期下，各試樣的活性指數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度。

GB/T18736-2002 要求Ⅱ級磨細礦渣的活性指數為3d≥70%，7d≥85%，28d≥105；要求Ⅰ級磨細粉煤灰的活性指數為7d≥80%，28d≥90%。從表3可以看出，各試樣的7d、28d 活性指數均滿足標準中Ⅰ級磨細粉煤灰的要求；但只有C1 樣品和球磨30min、40min 的C2 樣品，活性指數均滿足國標中Ⅱ級磨細礦渣的要求。

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，仍會產生一定的費用，且礦渣較粉煤灰不易磨細，費用較高。因此，結合經濟性、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用

將前述相對最優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 水泥強度、標稠、凝結時間等性能進行檢測，結果如表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 水泥的標稠增加，3d 抗折、抗壓強度以及28 抗折、抗壓強度均下降。當外摻量達40%時，3d 抗折強度、28d 抗折和抗壓強度均不符合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

(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級磨細固硫灰和Ⅱ級磨細礦渣的要求。結合經濟性及成本比較可知，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 水泥強度下降，最大外摻量為30%。