煤氣化渣摻量對(duì)其復(fù)合膠凝材料的性能影響分析

康健

摘要：為了研究煤氣化渣對(duì)水泥復(fù)合膠凝材料細(xì)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間以及復(fù)合膠凝材料砂漿力學(xué)特性的影響，文章將煤氣化渣經(jīng)球磨機(jī)球磨70 min，以10%、20%、30%的摻量取代水泥熟料制備煤氣化渣復(fù)合膠凝材料并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。結(jié)果表明：復(fù)合膠凝材料的細(xì)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間以及復(fù)合膠凝材料砂漿力學(xué)特性隨煤氣化渣摻量的變化而有明顯變化，煤氣化渣最佳摻量為20%;通過復(fù)配煤氣化渣制備水泥膠凝材料可實(shí)現(xiàn)煤氣化渣的二次使用，達(dá)到綠色環(huán)保的目的。

關(guān)鍵詞：煤氣化渣;摻量;復(fù)合膠凝材料;物理性能;力學(xué)特性

中圖分類號(hào)：U416.03A170614

0 引言

煤氣化作為煤清潔利用的有效手段之一[1]，已經(jīng)應(yīng)用在許多實(shí)際生產(chǎn)中。但煤氣化處理產(chǎn)生的煤氣化渣會(huì)造成大量堆積，如不及時(shí)處理將對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成嚴(yán)重污染。而煤氣化渣中含有大量SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，與硅酸鹽水泥的化學(xué)成分相似。因此，可將煤氣化渣替代部分水泥熟料制備復(fù)合膠凝材料，不僅有利于減少水泥用量，還可實(shí)現(xiàn)煤氣化渣綠色應(yīng)用。

目前，許多相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者對(duì)煤氣化渣自身特性和煤氣化渣在水泥基材料中的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究。趙永彬[2]等人通過研究發(fā)現(xiàn)煤氣化渣中含有大量非晶態(tài)玻璃體，其含量可達(dá)67%以上，可將煤氣化渣應(yīng)用于建筑、防火、耐溫等領(lǐng)域。李虹燕[3]等人通過試驗(yàn)證明摻加一定量的礦粉會(huì)降低水泥復(fù)合材料的水化熱，且摻加礦粉的水泥復(fù)合材料28 d力學(xué)特性低于純水泥凈漿的強(qiáng)度。鄭登登[4]等人通過使用不同的堿激發(fā)劑NaOH和KOH，研究不同堿激發(fā)劑摻量對(duì)礦渣水泥砂漿力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明KOH能極大地提升礦渣水泥砂漿力學(xué)特性。孫文標(biāo)[5]等人采用煤氣化渣作為集料，普通水泥作為填料，研究了復(fù)合膠凝材料的坍落度和強(qiáng)度等指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用煤氣化渣作為充填材料，在性能和經(jīng)濟(jì)成本等方面是可以接受的。劉開平[6]等人通過將煤氣化渣粗渣與細(xì)渣研磨，制備了煤氣化渣混凝土試件。結(jié)果表明摻加煤氣化渣粗渣能有效提高煤氣化渣混凝土試件力學(xué)特性。

通過前人研究可以發(fā)現(xiàn)，采用煤氣化渣復(fù)配水泥制備煤氣化渣復(fù)合膠凝材料（Coal gasification Slag Complex Binder，以下簡(jiǎn)稱為CSCB）具有現(xiàn)實(shí)可行性。因此，本文將煤氣化渣粗渣經(jīng)球磨機(jī)球磨70 min，將煤氣化渣以10%、20%、30%的摻量替代水泥熟料復(fù)配CSCB。研究CSCB的細(xì)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間等物理性能以及力學(xué)特性，通過研究既能利用煤氣化渣的特性對(duì)其進(jìn)行性能開發(fā)，又可以解決煤氣化渣大量堆積帶來的環(huán)境問題。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）煤氣化渣

本文所使用的煤氣化渣（CS）為陜西寶雞長(zhǎng)青能源化工公司所提供的粗渣，其化學(xué)組成和物理指標(biāo)如表1和表2所示。

（2）熟料

本文所用熟料為陜西咸陽冀東水泥廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥熟料，熟料化學(xué)組成和礦物組成如表3和表4所示。

（3）水泥

本文所用水泥為陜西咸陽冀東水泥廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥PC32.5，密度為3.14 g/cm3。其主要物理性能如表5所示。

（4）砂和水

本文所用砂為廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂，水為自來水。

（5）石膏

本文所用石膏為天然二水石膏，其SO3含量為43.5%。

1.2 試驗(yàn)方案

本文將煤氣化渣在球磨機(jī)中粉磨70 min，煤氣化渣替代水泥熟料摻量為10%、20%、30%，熟料與石膏的比值定為95：5制備成CSCB。CSCB細(xì)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)特性（力學(xué)特性試件配比如表6所示）試驗(yàn)參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E30-2005）測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)度

通過80 μm篩余量和比表面積來表征CSCB細(xì)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1（a）可知，當(dāng)煤氣化渣粉磨時(shí)間為20 min，煤氣化渣摻量為10%、20%、30%時(shí)，CSCB均達(dá)到PC32.5水泥細(xì)度指標(biāo)，即80 μm篩余量均<10%。當(dāng)煤氣化渣摻量從10%增加到30%時(shí)，80 μm篩余分別減小13.6%與4.3%，即隨煤氣化渣摻量的增加，80 μm篩余量下降幅度逐漸減小。

由圖1（b）可知，CSCB比表面積隨粉磨時(shí)間的變化規(guī)律與80 μm篩余量變化規(guī)律相反，CSCB比表面積隨煤氣化渣摻量的增加呈增大趨勢(shì)，且隨著煤氣化渣摻量的增加，CSCB比表面積增加趨勢(shì)減小，當(dāng)煤氣化渣摻量從10%增加到30%時(shí)，CSCB比表面積分別增加5.4%與2.6%，即隨煤氣化渣摻量的增加，比表面積增加幅度逐漸減小。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量

CSCB標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量隨煤氣化渣摻量的增加而增大，煤氣化渣摻量每增加10%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量約增加3%～6%，且CSCB的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量均高于PC32.5水泥（24%）。這主要是由于煤氣化渣與熟料相比，其比表面積較大，煤氣化渣增加將導(dǎo)致CSCB表面吸附的水相應(yīng)增加，且隨著球磨機(jī)的球磨作用，CSCB細(xì)度增加，同樣導(dǎo)致樣品的比表面積增大，使得參與水化反應(yīng)的面積增大，從而導(dǎo)致CSCB的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量增加。

2.3 凝結(jié)時(shí)間

CSCB凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，CSCB的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均隨煤氣化渣摻量的增加而增大，且當(dāng)煤氣化渣摻量<20%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間增加較為緩慢;當(dāng)煤氣化渣摻量>20%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間顯著增加。這主要是由于煤氣化渣活性小于熟料的活性，而對(duì)CSCB凝結(jié)時(shí)間影響最大的是熟料，隨著煤氣化渣摻量的增加，有更多的熟料被取代，會(huì)使得CSCB水化生成的水化鋁酸鈣及水化硅酸鈣的數(shù)量大幅度減少，從而水泥體系形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的速率減慢，水化產(chǎn)物交聯(lián)作用減弱，宏觀表現(xiàn)為CSCB初凝和終凝時(shí)間延長(zhǎng)[7]，從圖3中可以看出CSCB均高于PC32.5水泥的初凝時(shí)間（91 min）和終凝時(shí)間（151 min）。

2.4 力學(xué)特性

CSCB力學(xué)特性測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，CSCB各齡期力學(xué)特性隨煤氣化渣摻量的增加而降低，且當(dāng)煤氣化渣摻量<20%時(shí)，CSCB力學(xué)特性下降幅度較小，這主要是因?yàn)槊簹饣缺砻娣e較大，經(jīng)球磨機(jī)破碎后，煤氣化渣可以很好地填充到CSCB膠凝材料體系中，一定程度上起到了較好的密實(shí)填充作用，相應(yīng)地抵消了由于熟料減少而對(duì)CSCB膠凝材料強(qiáng)度特性造成的不利影響;當(dāng)煤氣化渣摻量由20%增長(zhǎng)到30%時(shí)，CSCB力學(xué)特性大幅下降，這主要是由于CSCB中熟料被煤氣化渣大量取代，而煤氣化渣中含有大量無活性的殘?zhí)迹@些殘?zhí)冀Y(jié)構(gòu)在低摻量時(shí)可在CSCB膠凝材料體系中起到較好的填充作用，但隨著煤氣化渣摻量的增加，殘?zhí)冀Y(jié)構(gòu)也隨之增加。殘?zhí)疾⒉粎⑴cCSCB的水化反應(yīng)，且殘?zhí)嫉拇嬖跁?huì)影響水化產(chǎn)物之間的搭接及咬合，不利于CSCB強(qiáng)度的發(fā)展。因此，煤氣化渣摻量越大，CSCB強(qiáng)度越低。

同時(shí)由圖4可以看出，隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，CSCB力學(xué)特性增大。除了養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)CSCB力學(xué)特性的影響外，另一主要原因是煤氣化渣中的活性物質(zhì)在CSCB水化反應(yīng)后期所發(fā)生的“火山灰反應(yīng)”對(duì)CSCB力學(xué)特性的貢獻(xiàn)。經(jīng)球磨機(jī)球磨后的煤氣化渣會(huì)釋放其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)活性物質(zhì)，這些非晶態(tài)活性物質(zhì)的主要成分是具有活性的氧化硅和氧化鋁，當(dāng)其單獨(dú)與水作用時(shí)，反應(yīng)極慢，得不到足夠的膠凝性，但若處在水泥水化生成的Ca（OH）2堿性環(huán)境中時(shí)，會(huì)與Ca（OH）2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，水化作用顯著，從而增強(qiáng)CSCB的力學(xué)特性，通過查閱文獻(xiàn)[8-9]，礦渣水泥砂漿的力學(xué)特性隨所處堿溶液濃度的增強(qiáng)而增加，而在CSCB水化反應(yīng)的后期，水泥熟料水化生成大量的Ca（OH）2，CSCB體系中堿性環(huán)境增強(qiáng)，煤氣化渣中的非晶態(tài)活性物質(zhì)所發(fā)生的“火山灰”反應(yīng)也就越劇烈，生成的水化產(chǎn)物越多，宏觀表現(xiàn)為隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，CSCB后期力學(xué)特性增加。

由圖4也可知，CSCB28 d抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均低于PC32.5水泥砂漿28 d抗壓強(qiáng)度（40.12 MPa）與抗折強(qiáng)度（7.51 MPa）。這是由于CSCB中煤氣化渣代替了20%的水泥熟料，使得C2S和C3S的含量降低，從而導(dǎo)致C2S和C3S與水反應(yīng)生成的Ca（OH）2含量降低，且CSCB發(fā)生的火山灰反應(yīng)將消耗大量Ca（OH）2，導(dǎo)致CSCB中水化產(chǎn)物相對(duì)減少，因此CSCB力學(xué)特性低于PC32.5水泥砂漿的力學(xué)特性，但當(dāng)煤氣化渣摻量為10%與20%時(shí)，CSCB力學(xué)特性仍符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）規(guī)范要求的力學(xué)特性（28 d抗壓強(qiáng)度≥32.5 MPa，28 d抗折強(qiáng)度≥5.5 MPa）。從綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，煤氣化渣摻加20%為宜[10]。

3 結(jié)語

（1）CSCB的細(xì)度、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間等物理性能隨煤氣化渣摻量的增加而增加，當(dāng)煤氣化渣摻量達(dá)到20%時(shí)，其各項(xiàng)物理性能增幅緩慢。

（2）CSCB力學(xué)特性隨煤氣化渣摻量的增加而減小。煤氣化渣中的活性物質(zhì)可在堿性環(huán)境下發(fā)生火山灰反應(yīng)，在CSCB水化反應(yīng)的后期，火山灰反應(yīng)增強(qiáng)，CSCB力學(xué)特性大大增加。CSCB 28 d力學(xué)特性均小于PC32.5水泥砂漿的力學(xué)特性。

（3）通過對(duì)不同煤氣化渣摻量復(fù)配的CSCB各項(xiàng)物理性能、力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，以及考慮經(jīng)濟(jì)成本等綜合效益，煤氣化渣最佳摻量為20%。

參考文獻(xiàn)：

[1]王輔臣，于廣鎖，龔 欣，等.大型煤氣化技術(shù)的研究與發(fā)展[J].化工進(jìn)展，2009（2）：173-180.

[2]趙永彬，吳 輝，蔡曉亮，等.煤氣化殘?jiān)幕咎匦匝芯縖J].潔凈煤技術(shù)，2015（3）：110-113.

[3]李虹燕，丁 鑄，邢 鋒，等.粉煤灰、礦渣對(duì)水泥水化熱的影響[J].混凝土，2008（10）：54-57.

[4]鄭登登，季 韜，梁詠寧.苛性堿對(duì)堿礦渣水泥砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響[J/OL].福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）：2019（6）：800-806.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/35.1117.N.20191122.0842.002.html.

[5]孫文標(biāo)，郭兵兵，羅傳龍，等.煤氣化廢渣用作煤礦充填材料的試驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)，2017（2）：166-168.

[6]劉開平，趙紅艷，李祖仲，等.煤氣化渣對(duì)水泥混凝土性能的影響[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2017，34（5）：190-195.

[7]周惠群，李 強(qiáng)，楊曉杰，等.鋼渣摻量和細(xì)度對(duì)水泥物理性能影響研究[J].建材世界，2012，33（1）：1-4.

[8]申愛琴.水泥與水泥混凝土.[M].北京：人民交通出版社，2000.

[9]王 雙.摻合料對(duì)混凝土的界面過渡區(qū)性能及孔結(jié)構(gòu)的影響研究[D].哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018.

[10]王 強(qiáng)，黎夢(mèng)圓，石夢(mèng)曉.水泥-鋼渣-礦渣復(fù)合膠凝材料的水化特性[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2014，42（5）：629-634.

收稿日期：2020-04-17