利用拜耳法赤泥制备高铁阿利特-硫铝酸钡钙水泥

赵艳荣, 叶虔薪, 陈 平

(桂林理工大学 a.材料科学与工程学院; b.广西建筑新能源与节能重点实验室; c.有色金属矿产勘查与资源高效利用省部共建协同创新中心; d.广西工业废渣建材资源利用工程技术研究中心, 广西 桂林 541004)

0 引 言

传统硅酸盐水泥因具有较好的力学性能受到广泛应用, 然而每生产1 t 硅酸盐水泥熟料要消耗1.0～1.3 t 优质石灰石, 排放0.6～0.97 t 的CO2, 在消耗大量资源的同时污染了环境。随着自然资源的减少、 环保要求的日益严格, 利用工业固废制备低钙节能水泥成为研究热点[1-2]， 寻求新的高强低钙水泥熟料矿物替代阿利特矿成为其中一个方向。

本文利用拜耳法赤泥、 磷石膏、 钡泥替代部分天然原料制备高铁阿利特-硫铝酸钡钙水泥, 重点研究水泥熟料中不同C4AF设计含量(即生料中不同赤泥掺量)对水泥矿物形成、 工作性能、 力学性能及水化产物的影响, 为高铁阿利特-硫铝酸钡钙水泥的低成本绿色制备提供理论依据。

1 实 验

1.1 原材料

赤泥取自广西平果铝业公司的赤泥堆场, 铝矾土购自于山东某铝厂, 石灰石、 黏土取自广西鱼峰水泥有限责任公司, 磷石膏购自于贵州瓮福(集团)有限责任公司, 钡泥购于广西象州联壮化工有限公司。原料的化学成分如表1所示。

1.2 水泥配料方案及烧结制度设计

1.3 实验方法

1)样品的制备: 将表1中原料分别烘干至含水量小于1.0%, 粉磨至80 μm方孔筛筛余小于10%备用; 根据表3中原料配比进行配料、 混料, 混匀后原料制成直径为50 mm、 厚3～10 mm的试饼, 压力小于6 MPa。 2)水泥的制备: 将成型好的样品按照表2中的烧结温度及保温时间进行煅烧, 并于1 000 ℃以上取样, 用小型鼓风机急冷制成水泥熟料; 将熟料与8%的石膏混合磨细至比表面积380±20 m2/kg, 即制成水泥。 3)水泥试块的制备: 参照《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)进行试样制备。 4) 测试方法: 水泥的比表面积参照《水泥比表面积测试方法 勃氏法》(GB/T 8074—2008)进行; 水泥的标准稠度用水量、 凝结时间、 安定性参照《水泥标准稠度用水量、 凝结时间、 安定性的测定》(GB/T 1346—2011)进行; 水泥的f-CaO采用乙二醇-乙醇快速滴定法进行; 水泥熟料矿物采用荷兰帕纳科(PANantical)公司的X’Pert PRO X射线衍射仪进行鉴别; 水泥熟料的矿物形貌及水化产物采用日本日立公司的S-4800场发射扫描电子显微镜进行分析; 水泥熟料的岩相采用德国莱卡(LEICA)公司的DM2700M金相显微镜进行测试。

表1 原料的化学成分

表2 水泥熟料的矿物组成设计

表3 水泥的原料配比

2 结果与讨论

2.1 不同C4AF设计含量对水泥矿物形成的影响

图1 不同C4AF设计含量水泥熟料的XRD分析

图2 C4AF设计含量为30%时熟料矿物的SEM-EDS分析

图3为不同C4AF设计含量水泥熟料的矿物形成情况, 分别为试样1、 2、 3、 4。4个样品中均出现A矿、 B矿和中间相。随着C4AF设计含量的增加, A矿的生成量减少, B矿的生成量增加, 铁铝中间相的含量增加, 且A矿的结晶边沿逐渐模糊, 被铁铝中间相溶蚀； 当C4AF设计含量为35%时溶蚀现象最明显, 说明过多铁相形成对A矿的形成有抑制作用， 而水泥熟料中A矿生成量减少， 会降低水泥的力学性能。因此, 阿利特-硫铝酸钡钙水泥熟料的铁相设计含量不宜超过30%, 即赤泥在原料中的配比不超过16.4%。

图3 不同C4AF设计含量熟料的矿物形成情况

2.2 不同C4AF设计含量对水泥工作性能和力学性能的影响

表4 不同C4AF设计含量水泥的工作性能

表5 不同C4AF设计含量水泥的力学性能

2.3 不同C4AF设计含量水泥的水化产物形貌

水泥的力学性能决定于水泥水化产物的种类、 形貌及结构, 图4为不同C4AF设计含量(20%、 25%、 30%、 35%)水泥的28 d水化产物SEM图。 4种水泥的结构均较致密, 水化产物均有C-S-H、 AFt、 Al(OH)3、 Fe(OH)3, 未见六方片状Ca(OH)2, 且随着C4AF设计含量的增加, AFt含量增加, 图4c、 d中的AFt较多, 呈长柱状, C-S-H填充在AFt周围, 但致密度较图4a稍差, 孔隙率增加。结合表5数据分析可知, 水泥的抗折强度升高是由于水化产物中大量长柱状钙矾石的形成, 对制品起增韧作用引起; 而抗压强度降低则是由于C-S-H凝胶生成量减少, AFt生成量增加, C-S-H凝胶无法填满AFt间的空隙, 使结构中孔隙率增加引起的。

图4 不同C4AF设计含量水泥的28 d水化产物SEM图

3 结 论

利用工业固废赤泥、 磷石膏、 钡泥代替部分天然原料制备高铁阿利特-硫铝酸钡钙水泥, 研究不同C4AF设计含量(赤泥掺量)对水泥矿物形成、 工作性能、 力学性能的影响, 以及水泥的水化产物形貌, 得到结论如下:

(2)随着水泥熟料中C4AF设计含量的增加(配料中赤泥掺量的增加), A矿的生成量减少, B矿的生成量增加, A矿的结晶边沿逐渐被铁铝中间相溶蚀, 水泥的凝结时间逐渐延长, 当C4AF设计含量小于30%时, 水泥的28 d抗折、 抗压强度趋于平稳。过多C4AF的形成抑制了C2S向C3S的转变, 高铁阿利特-硫铝酸钡钙水泥中C4AF设计含量不宜超过30%, 即配料时赤泥的掺量不超过16.4%。

(3)通过水化产物SEM分析可知, 水泥的抗折强度升高是由于水化产物中大量长柱状钙矾石的形成, 对制品起到增韧作用引起, 而抗压强度降低则是由于C-S-H凝胶生成量减少, AFt生成量增加, C-S-H凝胶无法填满AFt间的空隙, 使结构中孔隙率增加引起。