利用工业废渣研制复合水泥

丁欣 金文辉 成岳 焦创 杨文俊

（1.景德镇市环境科学研究所，江西景德镇333000；2.景德镇市华意压缩股份有限公司，江西景德镇333000；3.景德镇陶瓷学院材料学院江西省先进陶瓷材料重点实验室，江西景德镇333403）

1 前言

合理利用资源，减少废弃物的浪费，是当今社会一种发展方向[1-3]。本研究主要原料是粉煤灰和石膏等工业废弃物，一方面解决了市政填料问题，另一方面又解决了固体废弃物对环境的污染问题，可谓一举多得，意义重大[4-7]。

2 试验

2.1 试验原料

本实验所用的主要原料是发电厂的粉煤灰、德兴铜矿尾砂、陶瓷厂的废石膏、昌河汽车涂装废水处理厂的絮凝污泥和水泥熟料等,原料的化学组见表1。

2.2 正交实验

采用的是四因素三水平的正交表，一共做了9个配方，每个配方做了三至四个试条，测其复合水泥抗折强度和抗压强度作考核指标。按照正交实验表准确称料，然后按工艺参数球磨，模具成型、脱模，最后放入湿度为90%养护室中养护，因素水平如表2。

2.3 性能测试

水泥凝结时间、标准稠度用水量按 GB/T1346-1989进行检验,水泥强度按GB/T17671-1999进行检验;抗折强度和抗压强度的测定采用宁夏机械研究所生产的TZS-4000压力测试仪；XRD物相分析采用德国Bruker公司D8-ADVANCE的X衍射仪；SEM显微结构分析采用中国科学院仪器公司生产的KYKY-1000B型扫描电子显微镜。

表1 试验原料Tab.1 Test materials

表2 因素水平表（质量份数）Tab.2 The levels of factors(mass fraction)

3 结果与讨论

3.1 原料组成的影响

本试验采用的混凝污泥来源于景德镇昌河涂装废水处理厂的絮凝污泥，其XRD分析如图1所示，其主要成分有石灰石。石灰石经过1100摄氏度煅烧后变成氧化钙。由于氧化钙在少量二氧化硅、三氧化二铁、三氧化二铝等杂质氧化物的作用下，晶体结构致密，水化活化能明显地高于纯氧化钙，水化活性较低，且随煅烧温度增加而降低。有相当一部分氧化钙在水泥凝结之前尚未水化，所以，虽然它也能缩短水泥的凝结时间，但对凝结时间的影响没有纯氧化钙显著。

试验采用的粉煤灰来源于景德镇发电厂，外观黑色，密度2.3～2.5g/cm3；其XRD分析如图2所示，分析可知粉煤灰中的主要晶体矿物成分有石英、莫来石以及较少量的赤铁矿。

图2 粉煤灰XRD的分析图谱Fig.2 XRD analysis of fly ash

粉煤灰的易磨作用和外加剂的活化作用,改善了复合水泥的强度、水化和孔结构特性,从而得到性能优异的复合水泥。

试验所采用的铜矿尾砂来源于江西德兴铜矿，外观呈浅灰色,粒度较细,密度2.8～3.0 g/cm3，有一定的可塑性。它的XRD分析见图3，其矿物组成为：石英、云母、白云石、绿泥石、黄铁矿等。经过分析，试验用的铜矿尾砂，主要矿物有石英52～56%，云母24～26%，白云石4～6%，绿泥石2～4%，黄铁矿2～3%。铜矿尾砂掺量过大会影响水合反应和复合水泥的生成，并影响到复合水泥结构的均匀性，从而影响复合水泥强度和其他性能。

其实生产硅酸盐水泥时掺少量石膏是为了起到缓凝作用，在初始反映阶段石膏和水化铝酸三钙反应阻碍水化，并且反应后体积膨胀。但这是发生在水泥还没有强度之前，水泥还有可塑性，所以水泥没有强度，体积膨胀怎么能使他裂开呢。再之生产水泥加入的石膏只是少量的。但水泥石有硫酸盐介质时，水泥本身已经是有强度的固体，这时要是从内部再发生体积膨胀就会使水泥裂开。但水泥石有硫酸盐介质时，水泥本身已经是有强度的固体，这时要是从内部再发生体积膨胀就会使水泥裂开。

复合水泥中，熟料首先提供早期强度，随着水化的进行，粒度较细的矿渣在石膏和熟料水化析出的Ca(OH)2的激发作用下，加速水化，可明显改善水泥石中胶凝物质的组成，减少或消除游离石灰；同时矿渣粉还具有一定的填充作用，提高了水泥石的致密度、抗渗性，从而提高了水泥石的强度和耐久性。

2.2 正交实验

表3 L9(34)正交实验结果表明：不同组成的抗折强度和抗压强度相差不是很大，其中1和6组样品显示出良好的抗折强度，而第1、5和6组样品显示出良好的抗压强度。其他几组实验的抗折强度和抗压强度表现的不是那么明显。采用抗折强度与抗压强度相加后的强度作为评价指标进行计算分析。

从正交实验表的极差分析可知，各因素主次顺序：A→B→D→C。对抗折强度、抗压强度影响顺序依次是粉煤灰、铜矿尾砂、混凝污泥和废石膏。粉煤灰的加入量对复合水泥的强度会有影响，先是对强度有好的影响，但粉煤灰的量越多，复合水泥的强度不升反降。铜矿尾砂、混凝污泥和废石膏的用量对强度是加入量越大对复合水泥的强度却是越小，所以我们应该取其最小的值做最佳配方。这就可以说，工业废弃物的加入不但没有破坏传统填料的一些性能，而且使得其应用更加广泛。

综合考虑到各方面因素的影响分析，主要考虑复合水泥的抗折、抗压性能，我们选择A2B1C1D1为最佳配方，其质量组成见表4。

根据试验计算结果与分析，依照表4的最佳配比方案，再次设计一次实验配比方案，分别测28天后的抗折强度、抗压强度分别为28.30MPa和50.21MP。

3.3 样品的XRD、SEM分析

将28天后的复合水泥试样条的粉末进行X射线衍射分析，见图4。XRD分析结果表明：主要成分为石灰石，石英以及少量的硅酸二钙和硅酸三钙。SEM的表征测定结果见图5。可发现样品比较致密，小颗粒粒度5～10um，为粉煤灰和矿渣的组成，在结构中起到填充的作用，能加强水泥的强度系数。大颗粒粒度10～15um，为普通水泥结块，是主要强度的产生物质。

表4 最佳配比组份Tab.4 The best ratio of the components

图4 试验样品的XRD图Fig.4 XRD pattern of the test sample

4 结论

（1）本实验主要以工业废弃物为原料，其中有粉煤灰、铜矿尾砂、废石膏、混凝污泥和普通水泥，并且以这前四因素做正交试验，试验结果表明当粉煤灰14.05%、废石膏2.24%、混凝污泥22.47%、铜矿尾砂11.24%以及普通水泥50%的时候复合水泥的强度最强。

（2）通过正交试验，利用极差法得出：粉煤灰原料是影响复合水泥的主要因素，其次是废石膏，铜矿尾砂以及混凝污泥。并且当粉煤灰用量取到一定值的时候，其符合水泥的强度才最大。混凝污泥，铜矿尾砂以及废石膏用量越大，不但不增加其复合水泥的强度，而且还会降低，所以在用量上取最小值。

（3）符合构建循环经济、环境友好型社会的要求，如果工业化生产，能解决矿山尾矿和煤炭发电尾渣的堆存以及市政工程、路基填料等问题，产生可观的经济效益和社会效益。

图5 试验样品的SEM图Fig.5 SEM graph of the test sample

1 WANG R Y,CHEN R H,SHI L.Beneficial use of stainless steel EAF slag as composite cement admixture and its heavy metals leaching risk analysis.Baosteel Technical Research, 2009,3(4):14～18

2 She A M,Yao W.Probing the hydration of composite cement pastes containing fly ash and silica fume by proton NMR spin-lattice relaxation.Science China-Technological Sciences, 2010,53(6):1471～1476

3施惠生.利用工业废石膏作水泥缓凝剂的技术研究.水泥, 2004(4):5～8

4王芳,陈雪斌.利用工业三废生产复合水泥.中国水泥,2007 (12):72～73

5杨南如.水泥工业应用工业废渣的有效途径.水泥技术,2007 (6):19～23

6王敏.复合水泥开发利用的初探.水泥产品,2007,2007(6): 42～43

7朱永亮,杨万芳,崔海兵.用尾矿配料生产环保水泥熟料.2008 (6):55～57