基于礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥的研究

摘 要：國內(nèi)煉鋼產(chǎn)生大量爐渣廢料，針對爐渣廢料處理難、隨意堆放占用土地、污染環(huán)境等問題，以紅土鎳礦爐渣為原材料經(jīng)處理制備礦熱爐粒化渣微粉生產(chǎn)高性能水泥，可使煉鋼爐渣變廢為寶解決占地、環(huán)境污染等問題又可制備性能優(yōu)越的高性能水泥。

關(guān)鍵詞：礦熱爐粒化渣微粉;高性能;綠色環(huán)保

水泥是土木工程領(lǐng)域的重要原材料，其制備生料來源廣泛且儲藏豐富，生產(chǎn)工藝簡單、經(jīng)濟價值高，水泥的高性能化已成為人們研究的熱點。2006年5月在國際會議上提出高性能水泥的粗略定義：“高性能水泥是由一定配比組成的水泥熟料、石膏和礦物外加劑粉磨后獲得的水泥，由這種水泥配制的混凝土，應具有更好的工作性、力學性能和耐久性能”。20世紀90年代以來，高性能混凝土的探索研究得到迅速發(fā)展。高性能混凝土的使用對水泥的性能指標提出了一些新的要求，是水泥行業(yè)新的機遇也是新的挑戰(zhàn)。

一、礦熱爐粒化渣微粉的研究

2018年11月1日，習近平總書記強調(diào)毫不動搖鼓勵支持引導非公有制經(jīng)濟發(fā)展，支持民營企業(yè)發(fā)展并走向更加廣闊舞臺。總書記的講話給民營鋼鐵市場帶來巨大的生機與動力，再加上國內(nèi)幾大鋼鐵巨頭的呼應，我國鋼鐵產(chǎn)量穩(wěn)居世界之首。大量的生產(chǎn)鋼材產(chǎn)生了豐富的爐渣，大量的爐渣沿海地區(qū)用于填海而內(nèi)陸只能隨意堆放，如此處理爐渣既浪費資源又污染環(huán)境占用土地。如何將爐渣變廢為寶實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化可持續(xù)發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)綠色環(huán)保生活理念，這一系列問題成為材料專業(yè)學者研究方向與熱點，筆者多年從事材料的組織結(jié)構(gòu)、性能及應用的研究發(fā)現(xiàn)紅土鎳礦是制鐵的主要原料，而且產(chǎn)生的爐渣質(zhì)地均勻雜質(zhì)較少。將紅土鎳礦礦熱爐粒化渣微粉，其形貌和性能與粉煤灰類似，可以在拌制混凝土時加入一定比例，減少水泥用量，從而可以達到降低成本目的，而且采用添加紅土鎳礦微粉拌制的混凝土和易性和強度及其他性能都不受到影響。

二、高性能水泥的研究

城市的發(fā)展帶動了建筑行業(yè)，摩天大樓高聳入云，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土已然不能滿足現(xiàn)代構(gòu)筑物的性能的要求，高性能水泥已經(jīng)逐漸的取代普通水泥制備混凝土。高性能水泥生產(chǎn)工藝簡單、易操作，但是由于制備高性能水泥成本高，造成高性能水泥性價比差，施工單位為節(jié)約成本往往不使用高性能水泥，致使高性能水泥銷量差。

將紅土鎳礦礦熱爐粒化渣微粉直接添加在拌制的混凝土里，不僅用量少而且對水泥行業(yè)的發(fā)展沒有任何促進作用，反而會減少水泥的使用量。如果將紅土鎳礦礦熱爐粒化渣經(jīng)簡單處理磨粉后加入普通水泥中，不僅可以通過減少熟料達到降低生產(chǎn)水泥成本的目的，而且加入紅土鎳礦礦熱爐粒化渣微粉的水泥和易性及強度都比普通高性能水泥好。

三、礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥的研究

（一）原料

赤泥、焦粉、硫鋁酸鹽水泥熟料、紅土鎳礦礦熱爐粒化渣微粉、煅燒煤矸石微粉、減水劑、引氣劑、分散劑、早強劑。

赤泥是用鋁土礦制備氧化鋁后剩余廢棄物，該廢棄物中富含F(xiàn)e2O3、Al2O3、SiO、CaO和Na2O等化學成分。調(diào)研發(fā)現(xiàn)每制備一噸AlO，產(chǎn)生月0.8～2.0 噸赤泥，目前，我國每年產(chǎn)生赤泥約3000萬噸，全世界產(chǎn)生約9000萬噸。如此大量的赤泥在全世界只有微小部分被綜合利用，絕大部分依然是運往堆場露天堆存，既占用了大片土地，耗費了大量資金，又易造成環(huán)境污染，使附件農(nóng)田堿化、沼澤化，甚至污染地表和地下水源，危機人類身體健康。

煤矸石是我國目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物，我國在煤矸石組織結(jié)構(gòu)性能理論研究和應用方面幾乎是空白，對激發(fā)煤矸石潛在活性研究也是如此。廢棄物煤矸石固有活性偏低，是造成其利用率低的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)通過煅燒可以激發(fā)煤矸石廢棄物活性，原理是煤矸石廢棄物各微粒在高溫的作用下產(chǎn)生劇烈的熱運動并失去結(jié)合水，同時煤矸石廢棄物中的金屬陽離子重新隨意排列孔隙位置，致使硅氧四面體和鋁氧三角體不能徹底地地聚合成長鏈條，形成大量的自由斷裂點。質(zhì)點無規(guī)律的排列，形成處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)的玻璃相結(jié)構(gòu)，從而使經(jīng)過煅燒處理的煤矸石中富含活性SiO和AlO，達到活化的目的。

焦粉是焦化企業(yè)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，出粉率是焦煤成品的近4% ，產(chǎn)量大利用率低長期堆放污染環(huán)境，急需尋求出路資源利用、變廢為寶。

（二）制備步驟

第一步：將赤泥、紅土鎳礦和焦粉按照特定的比例混合后制成團塊送入礦熱爐內(nèi)還原熔煉，控制爐溫經(jīng)預造渣、熔化、還原，將鐵從礦渣中分離出來，形成爐渣層，爐渣從出渣口放出并經(jīng)水淬或風冷粒化，制成礦熱爐粒化渣微粉。

第二步：將煤矸石廢棄物放入具有通風設(shè)備的窯爐中，使用1000℃～1200℃高溫煅燒12～15個小時，再經(jīng)過研磨細后制得活性煤矸石微粉。

第三步：按照特定比例配合無水硫鋁酸鈣、石膏、三乙醇胺和甲酸鈣制成早強劑。

第四步：將甘蔗蜜糖和固含量為40%～60%的造紙黑液混合，再加入體積濃度為90%的濃硫酸，充分反應45分鐘左右制得引氣劑。

第五步：按照特定的比例配合丙烯酸、過硫酸銨、尿素、硝酸鈣、聚硅酮制成分散劑。

第六步：將以上第一步至第五步制備產(chǎn)物按照特定比例混合，制成礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥。

（三）礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥的性能研究

利用該制備工藝制備出的礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥的質(zhì)地細膩，外觀和普通水泥相比略微紅其他外觀上看無區(qū)別。另對礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥做標準用水量和膠砂強度試驗已經(jīng)使用該款水泥拌制混凝土的坍落度試驗，研究該款水泥的性能優(yōu)勢。

1.標準稠度用水量

所謂標準稠度用水量是指將水泥和水拌成標準稠度狀態(tài)下需要加水量。水泥的凝結(jié)時間和體積安定性均與加水量關(guān)系密切，為消除試驗條件帶來的差異，測定凝結(jié)時間和安定性時，必須使用具有標準稠度的水泥凈漿。本試驗的目的就是測定該水泥凈漿達到標準稠度所需水量，為測定礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥的凝結(jié)時間和體積安定性做準備。通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)該款節(jié)能環(huán)保高性能水泥的標準用水量是同類產(chǎn)品的85%～90%，同時用礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥標準稠度凈漿做凝結(jié)時間和體積安定性試驗，發(fā)現(xiàn)該款節(jié)能環(huán)保高性能水泥如此降低水量不僅僅可以節(jié)約用水而且還可以保證礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥的體積安定性，甚至可以延緩該水泥的初凝時間和加速終凝時間。

2.膠砂強度試驗

膠砂強度試驗的目的是檢測水泥的強度，確定水泥的強度等級。本次試驗共測試五組試塊，分別測定初始流動性、30分鐘流動性、3天抗折強度、28天抗折強度、3天抗壓強度和28天抗壓強度。其中試塊5為市面上普通礦渣硅酸鹽水泥，其余四個試塊為礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥，測試結(jié)果如表1所示。

通過試驗結(jié)果可以看出本項目研發(fā)的礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥初始流動性和30分鐘流動性均大于礦渣硅酸鹽水泥，而且3天和28天的抗折和抗壓強度也高于市面上的礦渣硅酸鹽水泥。

3.混凝土坍落度試驗

對礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥拌制的混凝土進行坍落度試驗，測定該水泥拌制的混凝土的工作性能。通過坍落度試驗發(fā)現(xiàn)利用礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥拌制的混凝土具有高強度、高流動性、不分層、不離析、不泌水、水化熱低等性能優(yōu)勢。

四、結(jié)論

利用紅土鎳礦礦熱爐粒化渣微粉為主要原料，添加赤泥、焦粉、煅燒煤矸石微粉和硫鋁酸鹽水泥熟料制備的礦熱爐粒化渣微粉高性能水泥，具有成本低、工藝簡單、性能優(yōu)越等特點，同時還可以節(jié)約能源保護環(huán)境，充分利用工業(yè)廢棄物，為可持續(xù)發(fā)展貢獻一份力量。

參考文獻

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