采用铝渣和脱硫石膏制备硫铝酸盐水泥熟料可行性研究

冯春 夏瑞杰 朱建平 赵倩

摘  要：本文以铝渣和脱硫石膏等固废为原料烧制硫铝酸盐水泥熟料，研究了不同因素对熟料烧成的影响，结果表明，当煅烧温度低于1280℃时，熟料中的f-CaO含量较高，煅烧温度过高时，熟料中液相量较多;硫铝酸盐水泥熟料最佳煅烧温度为1280℃～1300℃，最佳保温时间为30min;当铝硫比为3.84时，生成的C4A3S低于预期设计;随着硫铝比的降低，熟料中C2S含量减少，最佳铝硫比为2.5～3.0。

关键词：铝渣  脱硫石膏  硫铝酸盐水泥熟料  煅烧制度

中图分类号：TQ172.44                        文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2020）08（b）-0103-04

Abstract： In this paper， sulphoaluminate cement clinker was prepared using solid wastes such as aluminum slag and desulfurized gypsum. The influence of different factors on the preparation of clinker was studied. The results showed that， when the calcination temperature was lower than 1280 ℃， the content of f-CaO in clinker was higher， and when the calcination temperature was too high， the amount of liquid phase in clinker was more; the optimal calcination temperature of sulphoaluminate cement clinker was 1280 ℃ ～ 1300 ℃， and the optimal holding time was 30min; when the aluminum sulfur ratio is 3.84， the C4A3S generated is lower than the expected design; with the decrease of S / Al ratio， the content of C2S in clinker decreases， and the optimal Al / S ratio is 2.5 ～ 3.0.

Key Words： Aluminumdross; Desulfurization gypsum; Sulphoaluminate cement clinker; Calcination system

铝渣是氧化铝工业中产生的废渣，目前世界上铝渣的堆存量已超过35亿t，每年仍会增加约1.2亿t，大量铝渣的排放不仅会占用大量土地资源，还会对人类环境造成威胁。硫铝酸盐水泥具有早强、煅烧温度低、耐腐蚀等优点，在修补材料中应用广泛，其在烧制过程中对原料的品位要求较低，这便为利用铝渣和脱硫石膏等工业固废烧制硫铝酸盐水泥熟料提供了可能。本实验拟采用铝渣和脱硫石膏为主要原料来烧制硫铝酸盐水泥，研究不同因素对熟料烧成的影响，可以为铝渣在硫铝酸盐工业中的应用提供一定的实验参考。

1  原材料及试验方法

1.1 原材料

赤泥和铝尾矿来自焦作市中州铝业，脱硫石膏来自焦作市高新区电厂，石灰石和砂岩来自焦作坚固水泥厂，原料的成分分析如表1所示。

1.2 原料配合比

根据表2中设计的原料配比进行配料，加入7%的蒸馏水，充分的搅拌均匀后压制成Φ30mm的试饼，105℃条件下干燥12h后放入高温炉中在不同温度条件下（1250℃、1280℃、1300℃、1320℃）进行煅烧。

1.3 水泥熟料中f-CaO的测试方法

按照国家标准GB/T 176-2008 《水泥化学分析方法》采用乙醇-乙二醇法测定熟料中游离氧化钙（f-CaO）含量。

2  實验结果及分析

2.1 煅烧温度对熟料烧成的影响

图1是煅烧温度对硫铝酸盐熟料烧成的影响。从图中可以看出，当煅烧温度为1250℃、保温30min时烧成的熟料中f-CaO含量大于2.5%，仍超过国家标准要求（1.0%），说明此时熟料仍未烧成，f-CaO含量高会对水泥的安定性和强度等均会产生不利的影响。在1280℃、保温30min时，熟料中的f-CaO含量低于0.5%，此时继续升高温度，熟料中的f-CaO含量持续降低，但熟料中液相量逐渐增加，当煅烧温度为1320℃时，熟料已出现熔融状态，表明熟料中的矿物组分的最低共熔温度在1320℃左右，且温度过高，熟料矿物易分解[1-2]，反而对熟料性能产生不利影响。可以认为熟料的最佳煅烧温度为1280℃，此时熟料已烧成。

2.2 保温时间对熟料烧成的影响

将配制的生料在1280℃条件下分别保温20min、30min、45min和60min，研究保温时间对熟料烧成的影响。图2是不同保温时间对熟料中f-CaO含量的影响。从图中可以看出，保温时间对熟料烧成的影响相对低于煅烧温度。当在1280℃条件下保温20min时，熟料中的f-CaO含量为0.85%，已低于国家标准;当保温时间大于30min时，f-CaO含量进一步降低，但含量变化不明显，且随着保温时间延长，熟料中的β-C2S的水化活性会降低，主要是由于煅烧时间过长时，β-C2S晶粒尺寸生成较大，内部微观应力较小导致的[3-4]。

发生变化，如图3，均为C2S和C4A3S，并有少量的C4AF和C12A7。对测试结果通过Rietveld精修进行了半定量分析[5]，从表3中XRD的定量结果也可以看出，当保温时间在30～60min时，熟料中的矿物组成生成量变化不大，可以认为熟料煅烧的最佳保温时间为30min。

2.3 铝硫比对熟料烧成的影响

从表3中可以看出熟料中存在一定量的矿物C12A7，分析原因这可能是由于高温条件下脱硫石膏分解，导致熟料中硫元素不足，从而会有C12A7生成。因此进一步研究铝硫比（P=3.8，3.0，2.5，2.0）进行生料配料，保证熟料在煅烧的情况下有足够的硫进行参与反应。配合比见表4所示。图4为不同铝硫比烧成的熟料XRD图谱，从图中可以看出，随着石膏掺量的增加，铝硫比降低，此时熟料中C12A7的生成量也降低，C4A3S的含量逐渐增多，但也会导致C2S的生成量降低[6]，主要是由于硫铝酸盐熟料中生成较多的C4A3S ，需要CaO的量会增加，从而导致与SiO2结合的氧化钙含量降低，C2S生成量随之有所降低。

3  结论

（1）采用铝渣和脱硫石膏制备的硫铝酸盐水泥熟料最佳的煅烧条件为：煅烧温度1280℃，保温时间30min。

（2） 煅烧熟料时，配比中的脱硫石膏会有一定量的分解，导致硫元素流失，C4A3S的生成量减少，生成少量的C12A7。

（3）石膏的掺量越大，铝硫比越小，C12A7的生成量越少，同时C2S的生成量会有所降低。

（4）采用铝渣和脱硫石膏可以制备出矿物组成较好的硫铝酸盐水泥熟料。

参考文献

[1] 王晓丽，李秋义，陈帅超，等.全固废高贝利特-硫铝酸盐水泥熟料矿物的形成研究[J].水泥，2019（7）：11-15.

[2] 钟文，卢忠远，李军，等.铝灰替代部分高铝矾土制备铝酸盐水泥熟料的研究[J].水泥，2018（9）：9-13.

[3] 黄永波.磷石膏制备硫硅酸钙——硫铝酸盐水泥[D]. 重庆：重庆大学，2018.

[4] 张楠楠.铁矾渣焙烧与制备硫铝酸盐水泥的研究[D]. 汉中：陕西理工大学，2018.

[5] 常钧，崔凯.基于Rietveld方法的硫铝酸盐水泥熟料及其水化产物定量相分析[J]. 建筑材料学报，2020，23（2）：438-446.

[6] 兰明章，趙旭东，陈智丰，等. 快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥熟料烧成过程研究[J].硅酸盐通报，2017，36（9）：2958-2962.