新型绿色无熟料碱渣胶凝材料

喻光勇，刘智慧

(西藏交通工程质量安全监督局，西藏 拉萨 850000)

新型绿色无熟料碱渣胶凝材料

喻光勇，刘智慧

(西藏交通工程质量安全监督局，西藏 拉萨 850000)

文章以碱渣、脱硫石膏和矿渣为主要原料，掺入少量粉煤灰和激发剂，通过正交试验配制出碱渣胶凝材料。试验表明配制的胶凝材料达到复合32.5水泥技术要求。同时发现脱硫石膏的掺量为15%左右时，胶凝材料的强度最好；矿渣的掺量越大，胶凝材料的强度越高。

正交试验；碱渣；脱硫石膏；矿渣

0 引言

碱渣是工业制碱厂在制碱过程中排出的白色工业废渣，据统计数据每生产1 t的纯碱，就会向外排放约有10 m3废液，而这些废液中大概含有0.3～0.6 t的碱渣，所以每年我国会产生大量的碱渣[1，2]。碱渣排入河中会造成河道堵塞，污染水质影响水产养殖业；碱渣的堆积不仅会占用大量的土地，也会影响安全，而且受雨水的冲刷和渗透的影响，会把碱渣的氯离子带入水中，会对地下水造成一定的污染[3，4]。但是，碱渣中含有大量碳酸钙(CaCO3)和硫酸钙(CaSO4)以及氧化钙(CaO)，这些都是有活性的成分，可以充分利用[5]。孙亚光等[4]在900 ℃～1 000 ℃下煅烧掺入适量石灰石、粉煤灰、煤矸石及煤的碱渣得到28 d抗折强度为6.6 MPa、抗压强度为43.8 MPa的胶凝材料，但是其初凝终凝时间较短；孙树林等[5]研究了碱渣改良膨胀土，得出碱渣的掺量在30%时，膨胀土的膨胀性减低最多，含水率最小，粘聚力增长41%，内摩擦角变化不大；钱春香等[6]对碱渣作为沥青混合料的填料做了研究，发现碱渣可以显著提高沥青混合料的高温稳定性和改善其抗剥落性能。

一般来说，普通水泥每生产1 t，便会向空气中排放1 t的二氧化碳，而且由于需要煅烧，会消耗大量的能源。在节约能源，保护环境的大趋势下，应该积极寻找一种可以部分甚至完全替代水泥的产品。无熟料胶凝材料由于不需要煅烧，不会消耗大量能源，也不会排放大量二氧化碳，因此是低碳节能的代表，可以部分替代普通水泥。本文从碱渣、粉煤灰、矿渣、脱硫石膏以及少量激发剂着手研制出新型绿色无熟料碱渣胶凝材料，得出该胶凝材料的最佳配合比，并对其进行了一系列物理力学性能试验。该研究成果对提高我国的固体废弃物资源化利用有一定的推动作用。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

碱渣为南京某碱厂排出的白色固体废弃物，主要的成分是碳酸钙(CaCO3)和硫酸钙(CaSO4)，再加上铁、铝和硅等的氧化物。碱渣的活性比较低，需要充分磨细才能具有活性。

脱硫石膏为宁波某电厂对产生的烟气进行脱硫处理产生的黄色固体废弃物，其含水量比较高，主要成分为二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)。

矿渣为上海某炼铁厂高炉炼铁时产生的水淬矿渣，为具有较高的活性白色固体、碱性矿渣，具有较好的胶凝性能。

粉煤灰为宁波某电厂产生的颗粒呈蜂窝状、比表面积较大且具有较高吸附活性的灰色固体废弃物。

1.2 试验方法

试验准备阶段，对各个原材料先进行烘干(脱硫石膏在60 ℃下烘干，其他材料均在105 ℃下烘干)，预磨处理(将各个烘干材料在SM-500水泥球磨试验机里球磨30 min，得到各个材料的比表面积均在400 m2/kg以上)。然后，再进行初配，得到各个原材料大概的掺量。最终，在初配的基础上选取合适的因素以及各因素下适当的水平进行正交试验。

该碱渣胶凝材料主要参照水泥的标准来进行试验：胶凝材料的抗折和抗压强度试验按照GB/T 17671-1999进行；胶凝材料的标准稠度、初终凝时间、安定性试验按照GB/T 1346-2011进行。

2 试验结果与分析

试验设计为三因素三水平(各水平百分数均为其质量分数)的正交试验(见表1)。对表1中各个配比下的各个材料均为先称量好其质量，再进行机械拌和，然后再进行强度等一系列试验(见表2)。

表1 正交试验表

表2 正交试验结果表

从表2可以看出，A1～A9各个配比下的安定性均为合格，说明各个材料对胶凝材料均不存在不安定因素；标准需水量都在29%～30%之间，各个配比的标准需水量相差较小，说明各个材料的需水量均差不多；初凝时间都在60～90 min之间，均不早于45 min，终凝时间都在120～160 min之间，也都不迟于600 min，可以看出初凝和终凝时间均符合水泥标准要求，满足施工要求；最佳配比A4配比下的碱渣胶凝材料的强度达到复合32.5水泥标准，且该碱渣胶凝材料的抗折强度达到了复合32.5R水泥标准，说明该碱渣胶凝材料的抗折强度是比较好的。

图1 抗折强度极差分析图

抗折强度极差分析图见图1，从图中可以看出对碱渣胶凝材料抗折强度影响最大的是脱硫石膏，当其掺量为15%时3 d和28 d抗折强度最大；随着矿渣的掺量增加，碱渣胶凝材料的3 d抗折强度增长趋势先快后慢，28 d抗折强度增长趋势保持较快；而碱渣胶凝材料抗折强度随着碱渣掺量的增加呈现下降的趋势。

抗压强度极差分析图见图2，从图中可以看出对碱渣胶凝材料抗折强度影响最大的依然是脱硫石膏，其掺量为15%时抗压强度最大，从3 d和28 d极差分析来看，脱硫石膏的掺量对该碱渣胶凝材料的后期强度影响呈现增加的趋势；而碱渣和矿渣掺量的影响比较接近，随着矿渣掺量的增加，抗压强度呈缓慢增长趋势，而碱渣掺量的增加，使抗压强度呈缓慢降低趋势。

图2 抗压强度极差分析图

3 结语

(1)本文研究的胶凝材料为固体废弃物再加上少量激发剂配比而成，对环境保护、废弃物利用有一定的推动作用。

(2)脱硫石膏的掺量对本文研究的碱渣胶凝材料的影响最大，随着脱硫石膏掺量的增加，该胶凝材料的强度呈先增加后减小的趋势，脱硫石膏的掺量为15%左右最佳。

(3)矿渣的掺量与该胶凝材料的强度成正比，而碱渣的掺量与该胶凝材料的强度呈反比。

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[2]天津碱厂.氨碱法纯碱厂废液废渣处理和综合利用[J].纯碱工业，1998(1)：17-20.

[3]王宝民，王立久，李 宇.国内外碱渣治理与综合利用、进展及对策[J].国外建材科技，2003(2)：47-48.

[4]孙亚光，余丽秀.碱渣建筑胶凝材料的制备及应用[J].中国资源综合利用，2003(5)：14-16.

[5]孙树林，郑青海，唐 俊，等.碱渣改良膨胀土室内试验研究[J].岩土力学，2012，3(6)：1608-1612.

[6]钱春香，胡晓敏，王鸿博，等.碱渣用作沥青混合料填料的可行性研究[J].公路交通科技，2006，23(4)：14-18.

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New Green Clinker-free Alkaline Residue Cementing Material

YU Guang-yong，LIU Zhi-hui

(Tibet Traffic Engineering Quality Safety Supervision Bureau，Lhasa，Tibet，850000)

With alkaline residue，gypsum and slag as the main raw materials，mixed with a small amount of fly ash and activator，this article formulated the alkaline residue cementing material through orthogo-nal experiment.The experiment showed that the prepared cementing materials reached the technology requirements of composite 32.5 cement.Meanwhile it found that，when gypsum content is about 15%，the strength of cementing material is best；when the slag content is higher，the strength of cementing materials becomes higher.

Orthogonal experiment；Alkaline residue；Gypsum；Slag

喻光勇(1975—)，工程师，主要从事交通工程质量安全监督工作。

U414

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.007

1673-4874(2015)07-0026-03

2015-06-05