煤气化渣掺量对其复合胶凝材料的性能影响分析

康健

摘要：为了研究煤气化渣对水泥复合胶凝材料细度、标准稠度用水量、凝结时间以及复合胶凝材料砂浆力学特性的影响，文章将煤气化渣经球磨机球磨70 min，以10%、20%、30%的掺量取代水泥熟料制备煤气化渣复合胶凝材料并进行相关试验。结果表明：复合胶凝材料的细度、标准稠度用水量、凝结时间以及复合胶凝材料砂浆力学特性随煤气化渣掺量的变化而有明显变化，煤气化渣最佳掺量为20%;通过复配煤气化渣制备水泥胶凝材料可实现煤气化渣的二次使用，达到绿色环保的目的。

关键词：煤气化渣;掺量;复合胶凝材料;物理性能;力学特性

中图分类号：U416.03A170614

0 引言

煤气化作为煤清洁利用的有效手段之一[1]，已经应用在许多实际生产中。但煤气化处理产生的煤气化渣会造成大量堆积，如不及时处理将对当地环境造成严重污染。而煤气化渣中含有大量SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，与硅酸盐水泥的化学成分相似。因此，可将煤气化渣替代部分水泥熟料制备复合胶凝材料，不仅有利于减少水泥用量，还可实现煤气化渣绿色应用。

目前，许多相关领域研究学者对煤气化渣自身特性和煤气化渣在水泥基材料中的应用进行了一些研究。赵永彬[2]等人通过研究发现煤气化渣中含有大量非晶态玻璃体，其含量可达67%以上，可将煤气化渣应用于建筑、防火、耐温等领域。李虹燕[3]等人通过试验证明掺加一定量的矿粉会降低水泥复合材料的水化热，且掺加矿粉的水泥复合材料28 d力学特性低于纯水泥净浆的强度。郑登登[4]等人通过使用不同的碱激发剂NaOH和KOH，研究不同碱激发剂掺量对矿渣水泥砂浆力学特性的影响，结果表明KOH能极大地提升矿渣水泥砂浆力学特性。孙文标[5]等人采用煤气化渣作为集料，普通水泥作为填料，研究了复合胶凝材料的坍落度和强度等指标。结果发现使用煤气化渣作为充填材料，在性能和经济成本等方面是可以接受的。刘开平[6]等人通过将煤气化渣粗渣与细渣研磨，制备了煤气化渣混凝土试件。结果表明掺加煤气化渣粗渣能有效提高煤气化渣混凝土试件力学特性。

通过前人研究可以发现，采用煤气化渣复配水泥制备煤气化渣复合胶凝材料（Coal gasification Slag Complex Binder，以下简称为CSCB）具有现实可行性。因此，本文将煤气化渣粗渣经球磨机球磨70 min，将煤气化渣以10%、20%、30%的掺量替代水泥熟料复配CSCB。研究CSCB的细度、标准稠度用水量、凝结时间等物理性能以及力学特性，通过研究既能利用煤气化渣的特性对其进行性能开发，又可以解决煤气化渣大量堆积带来的环境问题。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）煤气化渣

本文所使用的煤气化渣（CS）为陕西宝鸡长青能源化工公司所提供的粗渣，其化学组成和物理指标如表1和表2所示。

（2）熟料

本文所用熟料為陕西咸阳冀东水泥厂生产的硅酸盐水泥熟料，熟料化学组成和矿物组成如表3和表4所示。

（3）水泥

本文所用水泥为陕西咸阳冀东水泥厂生产的硅酸盐水泥PC32.5，密度为3.14 g/cm3。其主要物理性能如表5所示。

（4）砂和水

本文所用砂为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂，水为自来水。

（5）石膏

本文所用石膏为天然二水石膏，其SO3含量为43.5%。

1.2 试验方案

本文将煤气化渣在球磨机中粉磨70 min，煤气化渣替代水泥熟料掺量为10%、20%、30%，熟料与石膏的比值定为95：5制备成CSCB。CSCB细度、标准稠度用水量、凝结时间、力学特性（力学特性试件配比如表6所示）试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）测试。

2 结果与讨论

2.1 细度

通过80 μm筛余量和比表面积来表征CSCB细度，试验结果如图1所示。由图1（a）可知，当煤气化渣粉磨时间为20 min，煤气化渣掺量为10%、20%、30%时，CSCB均达到PC32.5水泥细度指标，即80 μm筛余量均<10%。当煤气化渣掺量从10%增加到30%时，80 μm筛余分别减小13.6%与4.3%，即随煤气化渣掺量的增加，80 μm筛余量下降幅度逐渐减小。

由图1（b）可知，CSCB比表面积随粉磨时间的变化规律与80 μm筛余量变化规律相反，CSCB比表面积随煤气化渣掺量的增加呈增大趋势，且随着煤气化渣掺量的增加，CSCB比表面积增加趋势减小，当煤气化渣掺量从10%增加到30%时，CSCB比表面积分别增加5.4%与2.6%，即随煤气化渣掺量的增加，比表面积增加幅度逐渐减小。

2.2 标准稠度用水量

CSCB标准稠度用水量试验结果如图2所示。由图2可知，标准稠度用水量随煤气化渣掺量的增加而增大，煤气化渣掺量每增加10%，标准稠度用水量约增加3%～6%，且CSCB的标准稠度用水量均高于PC32.5水泥（24%）。这主要是由于煤气化渣与熟料相比，其比表面积较大，煤气化渣增加将导致CSCB表面吸附的水相应增加，且随着球磨机的球磨作用，CSCB细度增加，同样导致样品的比表面积增大，使得参与水化反应的面积增大，从而导致CSCB的标准稠度用水量增加。

2.3 凝结时间

CSCB凝结时间试验结果如图3所示。由图3可知，CSCB的初凝时间和终凝时间均随煤气化渣掺量的增加而增大，且当煤气化渣掺量<20%时，凝结时间增加较为缓慢;当煤气化渣掺量>20%时，凝结时间显著增加。这主要是由于煤气化渣活性小于熟料的活性，而对CSCB凝结时间影响最大的是熟料，随着煤气化渣掺量的增加，有更多的熟料被取代，会使得CSCB水化生成的水化铝酸钙及水化硅酸钙的数量大幅度减少，从而水泥体系形成空间网状结构的速率减慢，水化产物交联作用减弱，宏观表现为CSCB初凝和终凝时间延长[7]，从图3中可以看出CSCB均高于PC32.5水泥的初凝时间（91 min）和终凝时间（151 min）。

2.4 力学特性

CSCB力学特性测试结果如图4所示。由图4可知，CSCB各龄期力学特性随煤气化渣掺量的增加而降低，且当煤气化渣掺量<20%时，CSCB力学特性下降幅度较小，这主要是因为煤气化渣比表面积较大，经球磨机破碎后，煤气化渣可以很好地填充到CSCB胶凝材料体系中，一定程度上起到了较好的密实填充作用，相应地抵消了由于熟料减少而对CSCB胶凝材料强度特性造成的不利影响;当煤气化渣掺量由20%增长到30%时，CSCB力学特性大幅下降，这主要是由于CSCB中熟料被煤气化渣大量取代，而煤气化渣中含有大量无活性的残碳，这些残碳结构在低掺量时可在CSCB胶凝材料体系中起到较好的填充作用，但随着煤气化渣掺量的增加，残碳结构也随之增加。残碳并不参与CSCB的水化反应，且残碳的存在会影响水化产物之间的搭接及咬合，不利于CSCB强度的发展。因此，煤气化渣掺量越大，CSCB强度越低。

同时由图4可以看出，随养护龄期的增加，CSCB力学特性增大。除了养护时间对CSCB力学特性的影响外，另一主要原因是煤气化渣中的活性物质在CSCB水化反应后期所发生的“火山灰反应”对CSCB力学特性的贡献。经球磨机球磨后的煤气化渣会释放其内部结构的非晶态活性物质，这些非晶态活性物质的主要成分是具有活性的氧化硅和氧化铝，当其单独与水作用时，反应极慢，得不到足够的胶凝性，但若处在水泥水化生成的Ca（OH）2碱性环境中时，会与Ca（OH）2发生火山灰反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化产物，水化作用显著，从而增强CSCB的力学特性，通过查阅文献[8-9]，矿渣水泥砂浆的力学特性随所处碱溶液浓度的增强而增加，而在CSCB水化反应的后期，水泥熟料水化生成大量的Ca（OH）2，CSCB体系中碱性环境增强，煤气化渣中的非晶态活性物质所发生的“火山灰”反应也就越剧烈，生成的水化产物越多，宏观表现为随养护龄期的增加，CSCB后期力学特性增加。

由图4也可知，CSCB28 d抗压强度与抗折强度均低于PC32.5水泥砂浆28 d抗压强度（40.12 MPa）与抗折强度（7.51 MPa）。这是由于CSCB中煤气化渣代替了20%的水泥熟料，使得C2S和C3S的含量降低，从而导致C2S和C3S与水反应生成的Ca（OH）2含量降低，且CSCB发生的火山灰反应将消耗大量Ca（OH）2，导致CSCB中水化产物相对减少，因此CSCB力学特性低于PC32.5水泥砂浆的力学特性，但当煤氣化渣掺量为10%与20%时，CSCB力学特性仍符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）规范要求的力学特性（28 d抗压强度≥32.5 MPa，28 d抗折强度≥5.5 MPa）。从综合经济性考虑，煤气化渣掺加20%为宜[10]。

3 结语

（1）CSCB的细度、标准稠度用水量、凝结时间等物理性能随煤气化渣掺量的增加而增加，当煤气化渣掺量达到20%时，其各项物理性能增幅缓慢。

（2）CSCB力学特性随煤气化渣掺量的增加而减小。煤气化渣中的活性物质可在碱性环境下发生火山灰反应，在CSCB水化反应的后期，火山灰反应增强，CSCB力学特性大大增加。CSCB 28 d力学特性均小于PC32.5水泥砂浆的力学特性。

（3）通过对不同煤气化渣掺量复配的CSCB各项物理性能、力学特性进行试验研究，以及考虑经济成本等综合效益，煤气化渣最佳掺量为20%。

参考文献：

[1]王辅臣，于广锁，龚 欣，等.大型煤气化技术的研究与发展[J].化工进展，2009（2）：173-180.

[2]赵永彬，吴 辉，蔡晓亮，等.煤气化残渣的基本特性研究[J].洁净煤技术，2015（3）：110-113.

[3]李虹燕，丁 铸，邢 锋，等.粉煤灰、矿渣对水泥水化热的影响[J].混凝土，2008（10）：54-57.

[4]郑登登，季 韬，梁咏宁.苛性碱对碱矿渣水泥砂浆抗压强度和抗折强度的影响[J/OL].福州大学学报（自然科学版）：2019（6）：800-806.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/35.1117.N.20191122.0842.002.html.

[5]孙文标，郭兵兵，罗传龙，等.煤气化废渣用作煤矿充填材料的试验研究[J].中国矿业，2017（2）：166-168.

[6]刘开平，赵红艳，李祖仲，等.煤气化渣对水泥混凝土性能的影响[J].建筑科学与工程学报，2017，34（5）：190-195.

[7]周惠群，李 强，杨晓杰，等.钢渣掺量和细度对水泥物理性能影响研究[J].建材世界，2012，33（1）：1-4.

[8]申爱琴.水泥与水泥混凝土.[M].北京：人民交通出版社，2000.

[9]王 双.掺合料对混凝土的界面过渡区性能及孔结构的影响研究[D].哈尔滨.哈尔滨工业大学，2018.

[10]王 强，黎梦圆，石梦晓.水泥-钢渣-矿渣复合胶凝材料的水化特性[J].硅酸盐学报，2014，42（5）：629-634.

收稿日期：2020-04-17