利用工业废渣生产多微孔胶凝材料的研究*

周君生 ，徐 伟，陈益兰，潘荣伟

（1.广西大学，广西南宁 530004；2.南宁市建筑节能和墙体材料改革办公室）

利用工业废渣生产多微孔胶凝材料的研究*

周君生1，徐 伟2，陈益兰1，潘荣伟1

（1.广西大学，广西南宁 530004；2.南宁市建筑节能和墙体材料改革办公室）

以粉煤灰、电石渣和脱硫石膏为主要原料，掺加少量矿化剂、黏结剂和造孔剂，采用一次低温烧成工艺，制备出具有多微孔结构的新型无机胶凝材料，并对产品性能进行了研究。采用优化配方，在预热温度为400℃、焙烧温度为1 220℃、保温时间为25 min条件下制备的多微孔胶凝材料，其吸水率为2.10%、表观密度为1.32 g/cm3，3 d抗压强度为8.56 MPa。通过XRD分析可知，合成材料的主要矿物相为硅酸钙和钙铝黄长石。材料采用工业废渣制备，集多孔性和胶凝性，可部分代替水泥和陶粒制成保温砂浆，达到环保节能的目的。

多微孔；胶凝材料；正交试验

粉煤灰是燃煤电厂排出的固体废弃物［1］，是排放量最大的工业废渣［2］。脱硫石膏是烟气脱硫（FGD）过程产生的废弃物，主要成分是二水石膏（CaSO4·2H2O）［3-4］。电石渣是电石水解获取乙炔气后以氢氧化钙为主要成分的废渣，属于难处理废弃物［5］。以上3种废弃物的排放量正逐年剧增，且以露天堆放为主，不仅占用土地、污染环境，而且浪费资源。中国已量化生产的保温材料无机保温砂浆，以具有轻质、高强、导热系数低、吸水率小、化学稳定性好等特点而受到青睐［6］，其中陶粒作为无机保温砂浆轻骨料已经应用于建筑工程［7］，但陶粒本身不具有胶凝性，施工性能较差。笔者以工业废渣为主要原料，黏土为黏结剂，把焙烧陶粒工艺引入烧制胶凝矿物中，研制出一种同时具备胶凝性和多孔性的新型保温材料，并以此材料作为骨料配制砂浆，用于建筑施工。

1 实验原料及实验方法

1.1 实验原料

实验原料为粉煤灰、电石渣、黏土、脱硫石膏、电镀厂滤泥等，其化学组成和物理性能见表1。

表1 原料的化学组成及物理性能 %

1.2 实验方法

1）试样制备：将原料按一定物质的量比称量并混合，粉磨至大于80 μm粒子质量分数小于6%，加水制成5～10 mm的料球；将料球放入105℃±5℃的恒温干燥箱中干燥至质量恒定；在一定温度下预热，然后在高温下焙烧，取出急冷即得到产品。

2）试样表观密度、吸水率和孔隙率的测定按照GB/T 17431.2—1998《轻集料及其试验方法》进行。

3）试样强度测定：将试样粉磨，掺入质量分数为5%的二水石膏，选取水料质量比为0.3∶1加水并搅拌均匀，把浆体注入2 cm×2 cm×2 cm的试模内，放入恒温恒湿养护箱标准养护1 d，脱模，继续在恒温恒湿养护箱养护至3 d，测其强度。

2 正交实验方案及结果分析

2.1 预热温度和预热时间的确定

表2列出试样的3种配方。按表2配方制备试样，结果为在焙烧过程中F3料球表面液相出现最明显，因此采用F3配方确定预热温度和预热时间（焙烧温度皆为1 250℃，保温时间为15 min）。

表2 材料配方 %

预热温度的确定：预热时间设定为15 min，考察预热温度对材料性能的影响，实验结果见表3。预热时间的确定：预热温度设定为400℃，考察预热时间对材料性能的影响，实验结果见表3。

表3 预热温度和时间对材料性能的影响

在预热温度实验中，随着温度递增，料球的开裂程度依次增大。350～450℃无明显开裂，但500～600℃出现开裂且裂痕依次增大，550℃和600℃料球有较大裂痕。这是由于原料中含有水分和其他小部分挥发分，同时，脱硫石膏脱去结合水（见图1脱硫石膏的热重-差热分析，在158.0℃质量损失为19.49%）和电石渣中矿物成分氢氧化钙分解（见图2电石渣的热重-差热分析，在493.2℃质量损失为8.30%），都会有气体快速溢出，造成料球开裂。因此，预热温度越高，开裂越明显，尤其是550℃以上。在约490℃时，电石渣有部分分解，而350～450℃材料性能并无明显差别，因此，正交实验预热温度区间选择400～500℃（预热时间为15 min）。

2.2 正交实验方案及结果分析

以3 d强度、表观密度、1 h吸水率为考察指标，以配方、预热温度、焙烧温度和焙烧时间为考察因素，每个因素选择3个水平，按L9（34）正交表进行正交实验。正交实验因素及水平见表4，实验方案、结果见表5，极差分析见表6。由表6可见：对于3 d强度，极差顺序为 A＞B＞C＞D，最优方案为 A1B1C1D1，即配方F1、预热温度为400℃、焙烧温度为1 220℃、焙烧时间为15 min；对于表观密度，极差顺序为A>C>D>B，最优方案为 A1B2C1D1，即配方F1、预热温度为450℃、焙烧温度为1 220℃、焙烧时间为15 min；对于1 h吸水率，极差顺序为A>D>C>B，最优方案为A3B3C2D3，即配方F3、预热温度为500℃、焙烧温度为1 250℃、焙烧时间为25 min。根据极差分析：因素A对材料的3 d强度、表观密度和1 h吸水率的影响均排在第一位，而对3 d强度和表观密度的影响皆为A1，故A因素取A1；因素B对材料的表观密度和1 h吸水率的影响都排在最后一位，而对3 d强度的影响排在第二位，故取 B1；同理分析，C 取 C1、D 取 D3。优化组合为 A1B1C1D3，即配方为 F1、预热温度为400℃、焙烧温度为1220℃、焙烧时间为25 min。

表4 正交实验因素和水平

表5 正交实验方案及结果

表6 极差分析

对优化配方A1B1C1D3进行了验证性实验，实验结果为：3 d强度＝8.56 MPa，1 h吸水率＝2.10%，表观密度＝1.32 g/cm3。优化配方的实验结果与表5的各组配方相比，材料的表观密度和1 h吸水率仍保持相对较低，3 d抗压强度显著提高。

2.3 材料的成孔胶凝机理

料球在焙烧过程中，1 220～1 280℃是形成液相的膨胀温度，此温度下料球具有一定的软化现象和表面张力，液相包围在料球表面，使料球成为一个半熔融软化体。此外，原料中的电石渣矿物氢氧化钙和碳酸钙在受热条件下分解释放出CO2气体，脱硫石膏分解和电镀厂滤泥中的FeS矿物分解都释放出SO2气体，粉煤灰中含有的赤铁矿也会反应释放出CO，于是，所产生的气体逸出与液相形成的适宜黏度构成一个动态平衡；同时，原料在烧制过程中产生胶凝矿物，从而得到具有多微孔和胶凝性的材料。

2.4 XRD分析

图3为F1样品XRD谱图。由图3看出，在1220～1 280℃焙烧，形成的主要矿物为钙铝黄长石和硅酸钙类矿物。1 220℃时硅酸钙类矿物的衍射峰比1 250、1 280℃略低，可知低温下烧成的硅酸钙类矿物的活性比高温烧成的高，表现为3 d强度高。

3 结论

1）利用工业废渣制备具有胶凝性和保温性能的多孔材料是可行的。料球在焙烧过程中，在形成胶凝矿物的同时受热分解产生气体逸出，与液相形成的适宜粘度构成一个动态平衡。2）优化配方为预热温度400℃，焙烧温度1 220℃，焙烧时间25 min。在该条件下制备出了表观密度及1 h吸水率较低而强度较高的多孔材料。3）材料的矿物组成主要是硅酸钙类矿物，低温下烧成的硅酸钙类矿物的活性比高温烧成的高，可以提供一定的胶凝强度。

［1］刘兴勇，刘应刚，张利.粉煤灰沸石的合成及应用研究进展［J］.无机盐工业，2010，42（1）：13-16.

［2］李军旗，宫敏，金会心，等.不同燃烧方式粉煤灰性质研究［J］.粉煤灰，2010（5）：10-13.

［3］钟莎，陈坚军.脱硫石膏综合利用现状［J］.广东化工，2010，37（6）：195-197.

［4］Pang X M，Xu M X，Liang H.Rheological properties and thixotropy model of concentrated aqueous silicon slurry for gel casting ［J］.Colloids Surf.A：Physicochem.Eng.Aspects，2008，317 （1/2/3）：136-145.

［5］田伟军，赖乃斌.从电石渣中回收氧化钙的工艺研究与生产实践［J］.无机盐工业，2010，42（8）：36-38.

［6］邱小华，徐清，浅谈无机保温砂浆及发展趋势［J］.建筑节能，2007，35（10）：39-41.

［7］余民锋，沙晨光.烧结粉煤灰陶粒的开发与研究应用［J］.河南建材，2010（2）：86-88.

Study on utilization of industrial waste residue for production of microporous cementitious materials

Zhou Junsheng1，Xu Wei2，Chen Yilan1，Pan Rongwei1
（1.Guangxi University,Nanning 530004，China；2.Nanning Reform Office for Construction Energy-saving and W all Materials）

A new inorganic cementitious material with microporous structure was prepared by single low-temperature sintering process with fly ash，carbide slag，and desulfurization gypsum as raw materials and with adding a small amount of mineralizer，adhesive agent，and pore-forming agent and the material′s performances were also studied.Taking the optimized formula and under the conditions of pre-heat temperature 400 ℃，roasting temperature 1 220 ℃，and holding time 25 min，water absorption，apparent density，and 3 d compressive strength of the prepared microporous cementitious material were 2.10%，1.32 g/cm3，and 8.56 MPa，respectively.XRD analysis showed the main phases of synthesized material were calcium silicate and gehlenite.Using industrial waste slag as raw material as well as the combination of porosity and cementitious character made the microporous cementitious material can partially replace cement and lightweight aggregates（haydite） to prepare insulating mortar so that the purpose of environmental protection and energy saving could be realized.

microporous；cementitious material；orthogonal tests

TQ172

A

1006-4990（2012）09-0039-03

南宁市科学研究与技术开发计划项目基金（合同编号：201003061G）。

2012-03-12

周君生（1985— ），男，硕士研究生，研究方向为材料化学化工工艺。

联 系 人：陈益兰

联系方式：chenyilan0008@163.com