化灰机返砂返石用作干粉砂浆和混凝土掺合料的研究

李俊杰，曾松峰

（广东南方碱业股份有限公司，广东 广州 510760）

返砂返石是氨碱法制纯碱的石灰石车间从化灰机中分离出来的废渣，主要是由未完全分解的石灰石、在化灰机中未来得及消化的过烧石灰及未完全燃烧的白煤或焦炭组成。化灰机出来的返砂返石经皮带送入返砂返石仓，定时用卡车把返砂返石运到厂区外堆场。大量的废渣堆积不仅占用土地，而且污染环境。

目前，磨细石灰石粉（CaCO3颗粒）用作水泥混合材已被普遍接受，用作混凝土掺合料的研究亦有较多报道，但实际应用较少。返砂返石中不仅含有CaCO3，还含有部分Ca（OH）2，用作干粉砂浆和商品混凝土掺合料，既可以改善拌合物的和易性，促进水泥的早期水化，又可以补充浆体中的钙含量，提高抗中性化能力。但实现此种综合利用要考虑过烧的CaO必须消解完全，否则对安定性有影响；未燃烧完全的焦炭或白煤会影响拌合物和易性和硬化体强度，需要控制其含量，即实现此种利用对返砂返石的品质有所要求。

对氨碱法生产纯碱过程中返砂返石的综合利用研究国内外很少见报道，主要原因在于相对于碱厂的废气、废液和碱渣而言，其污染性、危害性不大，而且长期以来一直用于铺路、立窑水泥原材料等用途，虽然利用价值低，但大部分能够消耗掉。而随着对道路质量要求的提高和立窑水泥厂的淘汰，其利用率反而下降，寻求新的利用途径势在必行。

1 研究内容

将返砂返石破碎、粉磨后，根据干粉砌筑砂浆的配合比，设计返砂返石与粉煤灰复掺作为掺合料的不同配比，在相同稠度下，对比基准样，研究不同种砂浆的需水量（水灰比）、凝结时间、分层度、力学性能、抗碳化性能，水化产物组成和微观结构（孔结构），分析返砂返石用量配比对砂浆性能的影响。

2 返砂返石物化性质分析

本研究主要是对化灰机返砂返石进行分析，返石指的是粒径大于40mm的样品，返砂是粒径较小的返石及碎石。样品1是在化灰机转筛返砂返石皮带采集，其余在厂区外返砂返石堆场采集。

2.1 返砂返石样品的化学成分

由表1分析可见，样品1的返砂化学成分与其它三个样品的差异较大，有害组分含量大，如Cl含量高，不能用于水泥及混凝土中；此外，其SO3、碱含量也较高，会对窑的正常煅烧产生影响，MgO含量很高，对水泥的安定性不利。主要原因是当时石灰窑生产有过烧结瘤现象，另外用部分废液补充化灰水试验导致氯根含量高。其它三个样品的化学成分相近。返砂的化学成分波动比返石大，返砂比返石的杂质含量高。

表1 返砂返石样品的化学成分（wt%）

2.2 返砂返石的矿物组成

样品1的XRD分析的结果为：

返砂的矿物组成为：CaCO3、Ca（OH）2、SiO2、MgO

返石的矿物组成为：CaCO3、Ca（OH）2、CaO、MgO

返石中存在仍未消解的CaO，可能为过烧的难以消解的CaO，对水泥安定性不利；返砂中存在结晶SiO2，对水泥生料易烧性不利；返砂返石中都存在晶体MgO，可能对水泥安定性不利。

样品2的返石为粒径大于40mm的白色石块，返砂为粒径较小的白色石块和石粉，两者之中均夹杂有块状的未完全燃烧的白煤，取白色石块若干，粉磨至全部通过0.08mm方孔筛，采取四分法多次缩量后，取出部分样品进行XRD分析，结果如图1、图2。

图1 XRD分析——样品2的返砂

由XRD图谱可见，返砂主要由方解石CaCO3、羟钙石Ca（OH）2两种矿物组成，返石主要由方解石CaCO3一种矿物组成，两者均含有很少量的水镁石Mg（OH）2，几乎不含其它杂质矿物。这与样品1的取样结果差异较大，说明返砂返石的化学成分、矿物组成不稳定。DSC－TG分析结果如下：

图2 XRD分析——样品2的返石

图3 DSC－TG分析——样品2的返砂

由图3、图4可见，返砂返石均有三个吸热峰，其中最主要是峰值在843℃的CaCO3分解反应特征峰，失重量达40%以上，表明返砂返石主要由CaCO3组成。在420℃左右为Ca（OH）2的脱去结构水的特征峰，失重量很小，返砂略大于返石；另外，在370℃左右还有一微弱峰，是含有的很少量Mg（OH）2的脱水。热分析结果与XRD分析结果相吻合。

图4 DSC－TG分析——样品2的返石

3 返砂返石粉用作干粉砂浆和混凝土掺合料的研究

3.1 返砂返石粉代替粉煤灰

把返砂返石进行粉磨，代替粉煤灰作为混凝土掺合料，掺量为胶凝材料的20%，配制C30泵送混凝土，性能如表2所示。

表2 返砂返石粉配制C30泵送混凝土性能表

与粉煤灰相比，返砂返石粉作混凝土掺合料，不仅可改善混凝土拌合物的工作性能，使流动性提高；而且能够提高混凝土的早期强度和抗碳化性能，抗氯离子渗透性和后期强度比粉煤灰混凝土差。这是因为：返砂返石粉的水化活性低于粉煤灰，故具有一定的减水作用；且返砂返石颗粒形态多呈片、角状，可以互相搭接，起桥架作用，故能够改善混凝土拌合物的和易性。CaCO3颗粒会促进水泥早期水化反应的进行，使混凝土早期强度提高。CaCO3颗粒的存在延缓了碳化速率，使混凝土抗碳化性能提高。但返砂返石粉为惰性材料，降低了浆体的水化程度，水化产物更少，结构致密度相对更差，使混凝土28d抗压强度下降，抗氯离子渗透性变差。

3.2 返砂返石粉部分或全部代替粉煤灰

将返砂返石粉部分或全部代替粉煤灰作为干粉砂浆掺合料，掺量分别为胶凝材料的6%、9%、12%，配制稠度为80mm的砌筑砂浆，性能如表3所示。

表3 返砂返石粉配制稠度为80mm的砌筑砂浆性能表

从表3数据可看出，与粉煤灰相比，返砂返石粉作砂浆掺合料，在一定稠度范围下，能降低砂浆用水量，减少分层度，缩短凝结时间，但会降低砂浆28d抗压强度；且随返砂返石粉掺量增加，上述规律越显著。其原因分别如下：①虽然返砂返石粉比表面积大，需水量增加，但由于其水化活性远低于水泥熟料，也低于粉煤灰，故具有一定的减水作用。②同时由于返砂返石粉粒度细，能够很好的填充在砂浆中，使砂浆更紧密；且返砂返石细颗粒形态多呈片、角状，可以互相搭接，起桥架作用，故能够减少砂浆的泌水，改善和易性。③由于水灰比降低，同时研究表明CaCO3颗粒会促进水泥早期水化反应的进行，使得其凝结时间缩短。④但返砂返石粉为惰性材料，其掺加相对降低了水化活性更高的粉煤灰含量，降低了浆体的水化程度，对砂浆28d抗压强度是不利的。

4 结 语

上述研究试验表明，返砂返石粉相比粉煤灰作混凝土掺合料，不仅可改善混凝土拌合物的工作性能，使流动性提高，而且能够提高混凝土的早期强度和抗碳化性能，抗氯离子渗透性和后期强度比粉煤灰混凝土差；返砂返石粉代替粉煤灰作砂浆掺合料，在一定稠度范围下，能降低砂浆用水量，减少分层度，缩短凝结时间，但会降低砂浆抗压强度。本研究为返砂返石代替粉煤灰用作干粉砂浆掺合料用于水泥或混凝土工业进一步深入研究奠定了基础。