趙艷榮, 葉虔薪, 陳 平

(桂林理工大學 a.材料科學與工程學院; b.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室; c.有色金屬礦產勘查與資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心; d.廣西工業(yè)廢渣建材資源利用工程技術研究中心, 廣西 桂林 541004)

0 引 言

傳統(tǒng)硅酸鹽水泥因具有較好的力學性能受到廣泛應用, 然而每生產1 t 硅酸鹽水泥熟料要消耗1.0～1.3 t 優(yōu)質石灰石, 排放0.6～0.97 t 的CO2, 在消耗大量資源的同時污染了環(huán)境。隨著自然資源的減少、 環(huán)保要求的日益嚴格, 利用工業(yè)固廢制備低鈣節(jié)能水泥成為研究熱點[1-2]， 尋求新的高強低鈣水泥熟料礦物替代阿利特礦成為其中一個方向。

本文利用拜耳法赤泥、 磷石膏、 鋇泥替代部分天然原料制備高鐵阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥, 重點研究水泥熟料中不同C4AF設計含量(即生料中不同赤泥摻量)對水泥礦物形成、 工作性能、 力學性能及水化產物的影響, 為高鐵阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的低成本綠色制備提供理論依據。

1 實 驗

1.1 原材料

赤泥取自廣西平果鋁業(yè)公司的赤泥堆場, 鋁礬土購自于山東某鋁廠, 石灰石、 黏土取自廣西魚峰水泥有限責任公司, 磷石膏購自于貴州甕福(集團)有限責任公司, 鋇泥購于廣西象州聯(lián)壯化工有限公司。原料的化學成分如表1所示。

1.2 水泥配料方案及燒結制度設計

1.3 實驗方法

1)樣品的制備: 將表1中原料分別烘干至含水量小于1.0%, 粉磨至80 μm方孔篩篩余小于10%備用; 根據表3中原料配比進行配料、 混料, 混勻后原料制成直徑為50 mm、 厚3～10 mm的試餅, 壓力小于6 MPa。 2)水泥的制備: 將成型好的樣品按照表2中的燒結溫度及保溫時間進行煅燒, 并于1 000 ℃以上取樣, 用小型鼓風機急冷制成水泥熟料; 將熟料與8%的石膏混合磨細至比表面積380±20 m2/kg, 即制成水泥。 3)水泥試塊的制備: 參照《水泥膠砂強度檢測方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進行試樣制備。 4) 測試方法: 水泥的比表面積參照《水泥比表面積測試方法 勃氏法》(GB/T 8074—2008)進行; 水泥的標準稠度用水量、 凝結時間、 安定性參照《水泥標準稠度用水量、 凝結時間、 安定性的測定》(GB/T 1346—2011)進行; 水泥的f-CaO采用乙二醇-乙醇快速滴定法進行; 水泥熟料礦物采用荷蘭帕納科(PANantical)公司的X’Pert PRO X射線衍射儀進行鑒別; 水泥熟料的礦物形貌及水化產物采用日本日立公司的S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行分析; 水泥熟料的巖相采用德國萊卡(LEICA)公司的DM2700M金相顯微鏡進行測試。

表1 原料的化學成分

表2 水泥熟料的礦物組成設計

表3 水泥的原料配比

2 結果與討論

2.1 不同C4AF設計含量對水泥礦物形成的影響

圖1 不同C4AF設計含量水泥熟料的XRD分析

圖2 C4AF設計含量為30%時熟料礦物的SEM-EDS分析

圖3為不同C4AF設計含量水泥熟料的礦物形成情況, 分別為試樣1、 2、 3、 4。4個樣品中均出現(xiàn)A礦、 B礦和中間相。隨著C4AF設計含量的增加, A礦的生成量減少, B礦的生成量增加, 鐵鋁中間相的含量增加, 且A礦的結晶邊沿逐漸模糊, 被鐵鋁中間相溶蝕； 當C4AF設計含量為35%時溶蝕現(xiàn)象最明顯, 說明過多鐵相形成對A礦的形成有抑制作用， 而水泥熟料中A礦生成量減少， 會降低水泥的力學性能。因此, 阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料的鐵相設計含量不宜超過30%, 即赤泥在原料中的配比不超過16.4%。

圖3 不同C4AF設計含量熟料的礦物形成情況

2.2 不同C4AF設計含量對水泥工作性能和力學性能的影響

表4 不同C4AF設計含量水泥的工作性能

表5 不同C4AF設計含量水泥的力學性能

2.3 不同C4AF設計含量水泥的水化產物形貌

水泥的力學性能決定于水泥水化產物的種類、 形貌及結構, 圖4為不同C4AF設計含量(20%、 25%、 30%、 35%)水泥的28 d水化產物SEM圖。 4種水泥的結構均較致密, 水化產物均有C-S-H、 AFt、 Al(OH)3、 Fe(OH)3, 未見六方片狀Ca(OH)2, 且隨著C4AF設計含量的增加, AFt含量增加, 圖4c、 d中的AFt較多, 呈長柱狀, C-S-H填充在AFt周圍, 但致密度較圖4a稍差, 孔隙率增加。結合表5數據分析可知, 水泥的抗折強度升高是由于水化產物中大量長柱狀鈣礬石的形成, 對制品起增韌作用引起; 而抗壓強度降低則是由于C-S-H凝膠生成量減少, AFt生成量增加, C-S-H凝膠無法填滿AFt間的空隙, 使結構中孔隙率增加引起的。

圖4 不同C4AF設計含量水泥的28 d水化產物SEM圖

3 結 論

利用工業(yè)固廢赤泥、 磷石膏、 鋇泥代替部分天然原料制備高鐵阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥, 研究不同C4AF設計含量(赤泥摻量)對水泥礦物形成、 工作性能、 力學性能的影響, 以及水泥的水化產物形貌, 得到結論如下:

(2)隨著水泥熟料中C4AF設計含量的增加(配料中赤泥摻量的增加), A礦的生成量減少, B礦的生成量增加, A礦的結晶邊沿逐漸被鐵鋁中間相溶蝕, 水泥的凝結時間逐漸延長, 當C4AF設計含量小于30%時, 水泥的28 d抗折、 抗壓強度趨于平穩(wěn)。過多C4AF的形成抑制了C2S向C3S的轉變, 高鐵阿利特-硫鋁酸鋇鈣水泥中C4AF設計含量不宜超過30%, 即配料時赤泥的摻量不超過16.4%。

(3)通過水化產物SEM分析可知, 水泥的抗折強度升高是由于水化產物中大量長柱狀鈣礬石的形成, 對制品起到增韌作用引起, 而抗壓強度降低則是由于C-S-H凝膠生成量減少, AFt生成量增加, C-S-H凝膠無法填滿AFt間的空隙, 使結構中孔隙率增加引起。