粉煤灰配料烧制阿利特-硫铝酸盐水泥的生产实践
1 引言
在传统的硅酸盐水泥熟料中引入适量的无水硫铝酸钙(C4A3S)全部或部分替代C3A,同时引入少量硫酸钙(CaSO4),1300℃下烧成,得到以C3S、C2S、C4A3S、C4AF、CaSO4为主要矿物组成的熟料,掺加适量石膏、混合材等磨细,即制得阿利特-硫铝酸盐水泥。
该水泥发挥C3S和C4A3S两种矿物的早强、高强特性,除具有传统硅酸盐水泥的优良性能外,还具有水化硬化快,早期强度高,硬化时体积收缩小或不收缩等优良的建筑性能。尤其适用于抢修,防水,地下工程,矿井,桥梁,高层建筑,饰面材料等。
阿利特-硫铝酸盐水泥的出现,为低成本、低能耗生产高性能水泥,为大量处理利用如粉煤灰等工业废渣开辟了一条有效途径。本文介绍以粉煤灰配料烧制阿利特-硫铝酸盐水泥的工业生产结果。
2 阿利特-硫铝酸盐水泥的生产
生产阿利特-硫铝酸盐水泥的关键问题是:原料的选取,要求适当高的Al2O3含量;熟料矿物组成的选择及配料,要求适当的C3S及C4A3S含量;烧成控制,适当的煅烧温度及煅烧气氛以及水泥的配制。
2.1 原料
生产所用原料为石灰石、电厂粉煤灰、石膏、萤石,烧成用煤为烟煤。各原料及煤灰的化学成分以及煤的工业分析如表1和表2所示。
名称 |
Loss |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
CaF2 |
∑ |
石灰石 |
41.72 |
2.40 |
0.85 |
0.94 |
50.21 |
2.59 |
- |
- |
98.71 |
粉煤灰 |
9.56 |
53.18 |
26.66 |
4.63 |
2.63 |
1.00 |
- |
- |
97.66 |
石膏 |
21.37 |
10.50 |
0.31 |
0.49 |
30.00 |
2.15 |
34.00 |
- |
92.76 |
煤灰 |
- |
58.34 |
15.41 |
11.70 |
7.02 |
2.90 |
- |
- |
94.56 |
莹石 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
46.50 |
- |
Mad |
Vad |
Aad |
FCad |
Qnet,ad（kJ/kg） |
1.50 |
26.50 |
28.02 |
43.98 |
23910 |
2.2 配料及生料制备
根据原燃料组成,按照尽量多配粉煤灰并能得到性能优良的水泥熟料的原则,设计熟料的矿物组成及化学成分如表3所示。
C3S |
C2S |
C4A3S |
C4AF |
CaSO4 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
SO3 |
CaF2 |
|
设计 |
50 |
25 |
13 |
8 |
4 |
21.88 |
8.19 |
2.63 |
63.25 |
- |
4.06 |
0.50 |
实配 |
47.43 |
22.16 |
12.37 |
8.58 |
3.71 |
20.21 |
7.98 |
2.82 |
59.42 |
3.51 |
3.80 |
0.50 |
2.3 熟料烧成
理论研究表明,煅烧上为保证C3S及C4A3S均良好形成,阿利特-硫铝酸盐水泥熟料的烧成温度以1300±50℃为宜。
熟料的煅烧在小型中空回转窑上进行。与煅烧硅酸盐水泥熟料相比,由于粉煤灰配制的生料易烧性好,窑的产量可提高10%～15%。且由于配料中石灰石的减少及烧成温度约降低150℃以及粉煤灰带入一定热量,可使煅烧热耗降低15%～20%。
熟料的烧结状况由其外观及升重直接反映。在正常烧结温度下,烧制熟料的外观为青灰色或略带黄色,熟料结粒良好,结粒比煅烧硅酸盐水泥熟料时偏大,熟料升重1200～1350g/L;当烧结温度低时,熟料结粒较差,黄粉料多,升重较低,甚至低于1000g/L;当烧结温度高时,熟料整体结粒好且偏粗,可见大块料,外观看上去多数过烧,熟料升重可高达1500g/L。
煅烧气氛对熟料性能及矿物形成的影响较大,煅烧上应尽量控制在氧化气氛下。因为在还原气氛下,石膏会大量分解,使C4A3S难以形成,而且还原气氛也会加速C4A3S的分解,如此将使水泥失去其快硬早强性能,并会造成熟料中fCaO升高。
2.4 熟料的矿物形成
在煅烧过程中,根据出窑熟料的外观及升重,分别取几种不同的熟料:黄粉料、正常料、过烧料,测定了fCaO,并进行了XRD分析及岩相分析,结果为:
fCaO含量:黄粉料1.5%～1.8%;正常料0～0.3%;过烧料0.2%～0.8%。
XRD分析表明,黄粉料中C4A3S形成良好,C3S形成较差;正常料中C4A3S和C3S均形成良好;过烧料中C4A3S几乎不存在,含Al2O3相以C3A的形式出现,而C3S的形成量则较多。由熟料SO3的分析也可说明,黄粉料中SO3一般为2.5%～3.5%,较少分解;正常料中为2.2%～3.2%,亦存在较多的SO3;但过烧料中SO3一般小于1.0%。
对正常料、过烧料的反光显微镜岩相分析表明,正常料中C4A3S、C3S均良好形成,C3S边棱分明,结晶良好;过烧料中则较难见到C4A3S,而C3S结晶较为粗大,熔蚀严重。
2.5 水泥的配制、粉磨及水泥性能
在熟料煅烧过程中取黄粉料、正常料、过烧料、连续料,掺加7%石膏磨细,分别测定了其物理力学性能,并测定了熟料掺加粉煤灰混合材后的物理力学性能。结果见表4及表5。
名称 |
fCaO (%) |
细度 (%) |
安定性 |
标准稠度 |
凝结时间 （h∶min） |
强度（MPa）（抗折/抗压） |
|||
初凝 |
终凝 |
1d |
3d |
28d |
|||||
黄粉料 |
1.62 |
4.0 |
合格 |
28.5 |
0:47 |
1∶05 |
4.8/20.0 |
5.5/31.1 |
7.9/55.5 |
正常料 |
0.00 |
5.5 |
合格 |
25.8 |
1∶23 |
2∶24 |
5.8/26.6 |
6.7/48.8 |
9.3/67.9 |
过烧料 |
0.35 |
6.0 |
合格 |
25.2 |
1∶41 |
2∶56 |
5.0/18.7 |
5.8/31.1 |
8.3/58.4 |
连续料 |
0.81 |
5.2 |
合格 |
28.3 |
1∶35 |
2∶53 |
5.2/23.5 |
6.4/40.9 |
9.1/64.5 |
编号 |
配合比 （％） |
细度 (％) |
标准稠度 |
凝结时间 （h∶min） |
（抗折/抗压）强度（MPa） |
||||||
熟料 |
粉煤灰 |
石膏 |
初凝 |
终凝 |
1d |
3d |
7d |
28d |
|||
F1 |
97 |
- |
7 |
6.2 |
27.0 |
0∶55 |
1∶19 |
4.8/20.5 |
5.8/36.8 |
－ |
7.5/55.3 |
F2 |
78 |
15 |
7 |
4.2 |
29.0 |
1∶10 |
1∶32 |
4.6/20.3 |
5.6/32.9 |
－ |
7.1/51.5 |
F3 |
63 |
30 |
7 |
3.8 |
28.8 |
1∶35 |
1∶51 |
－ |
5.1/24.3 |
5.9/33.5 |
6.5/47.1 |
F4 |
53 |
40 |
7 |
4.0 |
29.3 |
1∶21 |
2∶05 |
－ |
4.6/21.5 |
5.6/31.3 |
6.2/45.8 |
由表4、表5可见,正常煅烧的熟料,1d、3d强度可达25MPa及48MPa以上,28d可达67MPa以上,确属一种快硬早强、高强的水泥,且掺加较多混合材后仍可生产425甚至425R型水泥。
生产上可按需要将熟料掺加适量石膏、石灰石、粉煤灰或矿渣等与硅酸盐水泥熟料共同粉磨,可以调节水泥的性能。由于熟料的易磨性较好,水泥磨的产量提高。
3 结语
(1)粉煤灰配料生产阿利特-硫铝酸盐水泥,配料时不用铁粉,亦可不用或少用粘土,原料的种类少,配比易于控制,生料合格率高。
(2)粉煤灰配料,生料的易磨性好,生料磨机产量高;生料的易烧性好,窑的产量高;烧制的熟料易磨性好,水泥磨产量高。
(3)熟料的烧成温度低,与硅酸盐水泥熟料相比,节煤可达20%,节能效果显著。
(4)熟料的煅烧属低温煅烧,控制较为容易。
(5)正常煅烧的熟料强度可达625号以上,一般fCaO<2%。
(6)粉磨水泥时掺加大量的粉煤灰作混合材而对水泥的早期强度影响较小。
总之,生产阿利特-硫铝酸盐水泥,能量消耗低,生产工艺过程简单,可吃掉大量粉煤灰,达0.3～0.5t/t水泥,能显著降低生产成本。
但是,阿利特-硫铝酸盐水泥目前尚未制订国家标准,给生产与使用带来一定困难,今后应着手制订相应标准。
