利用工業廢渣生產多微孔膠凝材料的研究*

周君生 ，徐 偉，陳益蘭，潘榮偉

（1.廣西大學，廣西南寧 530004；2.南寧市建筑節能和墻體材料改革辦公室）

利用工業廢渣生產多微孔膠凝材料的研究*

周君生1，徐 偉2，陳益蘭1，潘榮偉1

（1.廣西大學，廣西南寧 530004；2.南寧市建筑節能和墻體材料改革辦公室）

以粉煤灰、電石渣和脫硫石膏為主要原料，摻加少量礦化劑、黏結劑和造孔劑，采用一次低溫燒成工藝，制備出具有多微孔結構的新型無機膠凝材料，并對產品性能進行了研究。采用優化配方，在預熱溫度為400℃、焙燒溫度為1 220℃、保溫時間為25 min條件下制備的多微孔膠凝材料，其吸水率為2.10%、表觀密度為1.32 g/cm3，3 d抗壓強度為8.56 MPa。通過XRD分析可知，合成材料的主要礦物相為硅酸鈣和鈣鋁黃長石。材料采用工業廢渣制備，集多孔性和膠凝性，可部分代替水泥和陶粒制成保溫砂漿，達到環保節能的目的。

多微孔；膠凝材料；正交試驗

粉煤灰是燃煤電廠排出的固體廢棄物［1］，是排放量最大的工業廢渣［2］。脫硫石膏是煙氣脫硫（FGD）過程產生的廢棄物，主要成分是二水石膏（CaSO4·2H2O）［3-4］。電石渣是電石水解獲取乙炔氣后以氫氧化鈣為主要成分的廢渣，屬于難處理廢棄物［5］。以上3種廢棄物的排放量正逐年劇增，且以露天堆放為主，不僅占用土地、污染環境，而且浪費資源。中國已量化生產的保溫材料無機保溫砂漿，以具有輕質、高強、導熱系數低、吸水率小、化學穩定性好等特點而受到青睞［6］，其中陶粒作為無機保溫砂漿輕骨料已經應用于建筑工程［7］，但陶粒本身不具有膠凝性，施工性能較差。筆者以工業廢渣為主要原料，黏土為黏結劑，把焙燒陶粒工藝引入燒制膠凝礦物中，研制出一種同時具備膠凝性和多孔性的新型保溫材料，并以此材料作為骨料配制砂漿，用于建筑施工。

1 實驗原料及實驗方法

1.1 實驗原料

實驗原料為粉煤灰、電石渣、黏土、脫硫石膏、電鍍廠濾泥等，其化學組成和物理性能見表1。

表1 原料的化學組成及物理性能 %

1.2 實驗方法

1）試樣制備：將原料按一定物質的量比稱量并混合，粉磨至大于80 μm粒子質量分數小于6%，加水制成5～10 mm的料球；將料球放入105℃±5℃的恒溫干燥箱中干燥至質量恒定；在一定溫度下預熱，然后在高溫下焙燒，取出急冷即得到產品。

2）試樣表觀密度、吸水率和孔隙率的測定按照GB/T 17431.2—1998《輕集料及其試驗方法》進行。

3）試樣強度測定：將試樣粉磨，摻入質量分數為5%的二水石膏，選取水料質量比為0.3∶1加水并攪拌均勻，把漿體注入2 cm×2 cm×2 cm的試模內，放入恒溫恒濕養護箱標準養護1 d，脫模，繼續在恒溫恒濕養護箱養護至3 d，測其強度。

2 正交實驗方案及結果分析

2.1 預熱溫度和預熱時間的確定

表2列出試樣的3種配方。按表2配方制備試樣，結果為在焙燒過程中F3料球表面液相出現最明顯，因此采用F3配方確定預熱溫度和預熱時間（焙燒溫度皆為1 250℃，保溫時間為15 min）。

表2 材料配方 %

預熱溫度的確定：預熱時間設定為15 min，考察預熱溫度對材料性能的影響，實驗結果見表3。預熱時間的確定：預熱溫度設定為400℃，考察預熱時間對材料性能的影響，實驗結果見表3。

表3 預熱溫度和時間對材料性能的影響

在預熱溫度實驗中，隨著溫度遞增，料球的開裂程度依次增大。350～450℃無明顯開裂，但500～600℃出現開裂且裂痕依次增大，550℃和600℃料球有較大裂痕。這是由于原料中含有水分和其他小部分揮發分，同時，脫硫石膏脫去結合水（見圖1脫硫石膏的熱重-差熱分析，在158.0℃質量損失為19.49%）和電石渣中礦物成分氫氧化鈣分解（見圖2電石渣的熱重-差熱分析，在493.2℃質量損失為8.30%），都會有氣體快速溢出，造成料球開裂。因此，預熱溫度越高，開裂越明顯，尤其是550℃以上。在約490℃時，電石渣有部分分解，而350～450℃材料性能并無明顯差別，因此，正交實驗預熱溫度區間選擇400～500℃（預熱時間為15 min）。

2.2 正交實驗方案及結果分析

以3 d強度、表觀密度、1 h吸水率為考察指標，以配方、預熱溫度、焙燒溫度和焙燒時間為考察因素，每個因素選擇3個水平，按L9（34）正交表進行正交實驗。正交實驗因素及水平見表4，實驗方案、結果見表5，極差分析見表6。由表6可見：對于3 d強度，極差順序為 A＞B＞C＞D，最優方案為 A1B1C1D1，即配方F1、預熱溫度為400℃、焙燒溫度為1 220℃、焙燒時間為15 min；對于表觀密度，極差順序為A>C>D>B，最優方案為 A1B2C1D1，即配方F1、預熱溫度為450℃、焙燒溫度為1 220℃、焙燒時間為15 min；對于1 h吸水率，極差順序為A>D>C>B，最優方案為A3B3C2D3，即配方F3、預熱溫度為500℃、焙燒溫度為1 250℃、焙燒時間為25 min。根據極差分析：因素A對材料的3 d強度、表觀密度和1 h吸水率的影響均排在第一位，而對3 d強度和表觀密度的影響皆為A1，故A因素取A1；因素B對材料的表觀密度和1 h吸水率的影響都排在最后一位，而對3 d強度的影響排在第二位，故取 B1；同理分析，C 取 C1、D 取 D3。優化組合為 A1B1C1D3，即配方為 F1、預熱溫度為400℃、焙燒溫度為1220℃、焙燒時間為25 min。

表4 正交實驗因素和水平

表5 正交實驗方案及結果

表6 極差分析

對優化配方A1B1C1D3進行了驗證性實驗，實驗結果為：3 d強度＝8.56 MPa，1 h吸水率＝2.10%，表觀密度＝1.32 g/cm3。優化配方的實驗結果與表5的各組配方相比，材料的表觀密度和1 h吸水率仍保持相對較低，3 d抗壓強度顯著提高。

2.3 材料的成孔膠凝機理

料球在焙燒過程中，1 220～1 280℃是形成液相的膨脹溫度，此溫度下料球具有一定的軟化現象和表面張力，液相包圍在料球表面，使料球成為一個半熔融軟化體。此外，原料中的電石渣礦物氫氧化鈣和碳酸鈣在受熱條件下分解釋放出CO2氣體，脫硫石膏分解和電鍍廠濾泥中的FeS礦物分解都釋放出SO2氣體，粉煤灰中含有的赤鐵礦也會反應釋放出CO，于是，所產生的氣體逸出與液相形成的適宜黏度構成一個動態平衡；同時，原料在燒制過程中產生膠凝礦物，從而得到具有多微孔和膠凝性的材料。

2.4 XRD分析

圖3為F1樣品XRD譜圖。由圖3看出，在1220～1 280℃焙燒，形成的主要礦物為鈣鋁黃長石和硅酸鈣類礦物。1 220℃時硅酸鈣類礦物的衍射峰比1 250、1 280℃略低，可知低溫下燒成的硅酸鈣類礦物的活性比高溫燒成的高，表現為3 d強度高。

3 結論

1）利用工業廢渣制備具有膠凝性和保溫性能的多孔材料是可行的。料球在焙燒過程中，在形成膠凝礦物的同時受熱分解產生氣體逸出，與液相形成的適宜粘度構成一個動態平衡。2）優化配方為預熱溫度400℃，焙燒溫度1 220℃，焙燒時間25 min。在該條件下制備出了表觀密度及1 h吸水率較低而強度較高的多孔材料。3）材料的礦物組成主要是硅酸鈣類礦物，低溫下燒成的硅酸鈣類礦物的活性比高溫燒成的高，可以提供一定的膠凝強度。

［1］劉興勇，劉應剛，張利.粉煤灰沸石的合成及應用研究進展［J］.無機鹽工業，2010，42（1）：13-16.

［2］李軍旗，宮敏，金會心，等.不同燃燒方式粉煤灰性質研究［J］.粉煤灰，2010（5）：10-13.

［3］鐘莎，陳堅軍.脫硫石膏綜合利用現狀［J］.廣東化工，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］田偉軍，賴乃斌.從電石渣中回收氧化鈣的工藝研究與生產實踐［J］.無機鹽工業，2010，42（8）：36-38.

［6］邱小華，徐清，淺談無機保溫砂漿及發展趨勢［J］.建筑節能，2007，35（10）：39-41.

［7］余民鋒，沙晨光.燒結粉煤灰陶粒的開發與研究應用［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

南寧市科學研究與技術開發計劃項目基金（合同編號：201003061G）。

2012-03-12

周君生（1985— ），男，碩士研究生，研究方向為材料化學化工工藝。

聯 系 人：陳益蘭

聯系方式：chenyilan0008@163.com