康健

摘要：為了研究煤氣化渣對水泥復(fù)合膠凝材料細度、標準稠度用水量、凝結(jié)時間以及復(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)合膠凝材料并進行相關(guān)試驗。結(jié)果表明：復(fù)合膠凝材料的細度、標準稠度用水量、凝結(jié)時間以及復(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現(xiàn)煤氣化渣的二次使用，達到綠色環(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：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)用在許多實際生產(chǎn)中。但煤氣化處理產(chǎn)生的煤氣化渣會造成大量堆積，如不及時處理將對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成嚴重污染。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]等人通過試驗證明摻加一定量的礦粉會降低水泥復(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[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度等指標。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，以下簡稱為CSCB）具有現(xiàn)實可行性。因此，本文將煤氣化渣粗渣經(jīng)球磨機球磨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的細度、標準稠度用水量、凝結(jié)時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其進行性能開發(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）為陜西寶雞長青能源化工公司所提供的粗渣，其化學(xué)組成和物理指標如表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歐標準砂有限公司生產(chǎn)的標準砂，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 試驗方案

本文將煤氣化渣在球磨機中粉磨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細度、標準稠度用水量、凝結(jié)時間、力學(xué)特性（力學(xué)特性試件配比如表6所示）試驗參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30-2005）測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 細度

通過80 μm篩余量和比表面積來表征CSCB細度，試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1（a）可知，當(dāng)煤氣化渣粉磨時間為20 min，煤氣化渣摻量為10%、20%、30%時，CSCB均達到PC32.5水泥細度指標，即80 μm篩余量均<10%。當(dāng)煤氣化渣摻量從10%增加到30%時，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，且隨著煤氣化渣摻量的增加，CSCB比表面積增加趨勢減小，當(dāng)煤氣化渣摻量從10%增加到30%時，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 標準稠度用水量

CSCB標準稠度用水量試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，標準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%，標準稠度用水量約增加3%～6%，且CSCB的標準稠度用水量均高于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，且隨著球磨機的球磨作用，CSCB細度增加，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的標準稠度用水量增加。

2.3 凝結(jié)時間

CSCB凝結(jié)時間試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，CSCB的初凝時間和終凝時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，凝結(jié)時間增加較為緩慢;當(dāng)煤氣化渣摻量>20%時，凝結(jié)時間顯著增加。這主要是由于煤氣化渣活性小于熟料的活性，而對CSCB凝結(jié)時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初凝和終凝時間延長[7]，從圖3中可以看出CSCB均高于PC32.5水泥的初凝時間（91 min）和終凝時間（151 min）。

2.4 力學(xué)特性

CSCB力學(xué)特性測試結(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，CSCB力學(xué)特性下降幅度較小，這主要是因為煤氣化渣比表面積較大，經(jīng)球磨機破碎后，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填充作用，相應(yīng)地抵消了由于熟料減少而對CSCB膠凝材料強度特性造成的不利影響;當(dāng)煤氣化渣摻量由20%增長到30%時，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绊懰a(chǎn)物之間的搭接及咬合，不利于CSCB強度的發(fā)展。因此，煤氣化渣摻量越大，CSCB強度越低。

同時由圖4可以看出，隨養(yǎng)護齡期的增加，CSCB力學(xué)特性增大。除了養(yǎng)護時間對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CSCB力學(xué)特性的貢獻。經(jīng)球磨機球磨后的煤氣化渣會釋放其內(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)其單獨與水作用時，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，會與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CSCB的力學(xué)特性，通過查閱文獻[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，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抗壓強度與抗折強度均低于PC32.5水泥砂漿28 d抗壓強度（40.12 MPa）與抗折強度（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，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抗壓強度≥32.5 MPa，28 d抗折強度≥5.5 MPa）。從綜合經(jīng)濟性考慮，煤氣化渣摻加20%為宜[10]。

3 結(jié)語

（1）CSCB的細度、標準稠度用水量、凝結(jié)時間等物理性能隨煤氣化渣摻量的增加而增加，當(dāng)煤氣化渣摻量達到20%時，其各項物理性能增幅緩慢。

（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，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）通過對不同煤氣化渣摻量復(fù)配的CSCB各項物理性能、力學(xué)特性進行試驗研究，以及考慮經(jīng)濟成本等綜合效益，煤氣化渣最佳摻量為20%。

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收稿日期：2020-04-17