刘丽清
[摘 要]电解法制备锰渣、镁渣可以作为有价值的原料制作硫铝酸盐水泥，两种废渣的掺比可分别达到21%，烧结过程的最佳温度为1260℃，保温时间为30min，此时烧结出的试样的矿物相主要为C2S、C4A3S—。当石膏掺量为15%时，放出的水化总热最多，制备出的水泥力学性能最好，28d的抗折强度为5.1MPa，抗压强度为31.2MPa，抗渗等级达到P6，烧制熟料和水化产物将锰渣和镁渣中的重金属有效的固化稳定，不易被浸出。
中图分类号：TQ172.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）05-0018-01
1 引言
普通硫铝酸盐水泥具有低温烧成、低排放、高早强、抗渗、抗冻、耐腐蚀等特性，是目前最活跃的研究方向之一。通常普通硫铝酸盐水泥主要是以石灰石、矾土、石膏为原料，近年来，为了提高工业固体废弃物的资源化利用率，人们在以粉煤灰、煤矸石、磷石膏等工业固体废弃物为原料制备贝利特硫铝酸盐水泥方面也取得了不少研究成果。就电解锰渣而言，其可作为特殊的高硫含量的铝硅酸盐质材料。利用锰渣代替水泥的缓凝剂石膏，虽然缓凝作用比天然的二水石膏，将锰渣高温烧结后，缓凝效果明显要比低温烘干的物料优越。电解锰渣同时是一种富含Si、S、Fe、Ca、Al的材料，其作为烧制高铁硫铝酸盐水泥（FAC）熟料的原材料，分别考察了煅烧温度、保温时间、电解锰渣掺量对高铁硫铝酸盐水泥抗压强度的影响。镁渣属于介稳的高温型结构，结构中存在活性的阳离子，具有很高的水化活性。本文利用电解锰渣、镁渣为原料烧制硫铝酸盐水泥熟料，旨在探索电解锰渣、镁渣资源化利用的新途径，促进电解锰渣、镁渣的综合利用。
2 实验
2.1 锰渣、镁渣基本性质分析为确定锰渣、镁渣制备硫铝酸盐水泥熟料的可行性及资源化利用的优点，采用化学分析法检测分析锰渣、镁渣的组分及含量，用X射线衍射测定其主要的物相组成并用差热-热重（TG-DSC）分析不同温度下的主要物相转变。
2.2 方案设计根据硫铝酸盐水泥的矿物组成以及工艺控制条件，设定其熟料矿物由无水硫铝酸钙（C4A3S—）、硅酸二钙（C2S）和铁铝酸钙（C4AF）组成（其中字母表示为C-CaO、A-Al2O3、S—-SO3、F-Fe2O3）。烧结温度分别为1200℃、1230℃、1260℃、1300℃，当达到预设温度时保温30min。
2.3 水泥熟料性质及水泥性能测试用X射线衍射分析所设计的方案烧制出的硫铝酸盐水泥熟料物相组成，确定是否符合硫铝酸盐水泥主要的矿物要求；采用瑞典RetracHB公司制造的TAMAir型八通道等温微量量热仪测定制备的水泥熟料添加不同石膏时的水化放热和水化放热量，确定最佳石膏用量并分析不同时间对水化性能的影响。按照GB/T17671-1990标准对制备的硫铝酸盐水泥熟料进行抗压、抗折性能检测。材料的抗渗性是参考水泥砂浆抗渗性测试规范。参考HJ/T299-2007《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》中的毒性浸出方法。以硫酸硝酸为浸出剂，对原料及渣料制备的不同的试样进行毒性浸出的测定，浸出液中重金属离子浓度与GB8978-1996《污水综合排放标准》比较。
3 结果与讨论
3.1 电解锰渣与镁渣的基本性质
（1）化学成分分析结果
通过化学分析的方法对电解锰渣镁渣的元素含量测定结果如表1所示。
从表中可以看出，电解锰渣、镁渣的主要的化学组分为SiO2、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、MnO2、SO3。渣料所含的化学组分与硫硫酸盐水泥的化学组分相似，而且电解锰渣中含有的硫元素，这对利用电解锰渣制备硫铝酸盐水泥熟料有重要意义。
3.2 性能检测
（1）硫铝酸盐水泥是一种早强型水泥，水化过程中水化硫铝酸盐相和水化硅酸钙填充在其他相中间，减少了水泥水化中的缝隙，增加了水泥的强度。水化硫铝酸盐相呈现晶粒状生长模式，但是如果后期水化硫铝酸盐相水化过于强烈则会引起水泥水化的裂缝，从而降低水泥的后期强度。硫铝酸盐相是早强相能够调节水泥的水化时间，加入石膏作为缓凝剂，调节水化时间及水化热。普通硫铝酸盐水泥早期水化时会出现放热峰为硫铝酸钙水化形成钙矾石导致。
（2）水泥熟料性能检测结果
不同石膏掺量对抗折抗压强度的影响如图1所示。虽然试样1和2初始几天的抗折强度相差较大，但在7d时试样1和2样品抗折强度都最终达到了5.1MPa，而试样3的抗折强度相对较低；从图7（b）的抗压强度图中可以看出，在1d时，1、2、3三個的样品抗压强度基本一样，但试样2的7d抗压强度达到了31.2MPa，要远大于试样1、3的抗压强度，这与水化放热和水化产物SEM分析相符合，因此可以确定石膏掺量为15%时为最佳的添加量，石膏添加过多或者过少对水泥熟料的力学性能有很大的影响，过少时水化不完全，过多可能会引起体积膨胀，导致力学性能倒缩。图中PC42.5和CAS42.5分别为市场-现有的42.5级硅酸盐水泥成品和42.5级硫铝酸盐水泥熟料（未添加其他添加剂）。试样2与PC42.5水泥相比，相同龄期的抗压、抗折强度均相对较高。与CAS42.5水泥熟料（试验条件与试样2相同的情况下，添加15%二水石膏）相比，试样2的抗折强度略低于CAS42.5水泥熟料，但是抗压强度远高于CAS42.5水泥熟料。抗压抗折强度实验说明利用电解锰渣、镁渣作为原料不仅可以烧制出早强、快硬的硫铝酸盐水泥熟料，并且在性能上与市场上现有相关产品相比也具有很大的优势。
4 结论
（1）电解锰渣中含有二水石膏，镁渣中含有正硅酸二钙，而且主要的化学成分主要为Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO，与硫酸酸盐水泥熟料主要的化学成分相符，利用电解锰渣、镁渣制备硫铝酸盐水泥熟料是可行的，而且有利于实现工业废渣的资源化利用。
（2）根据合理计算可以确定生料中电解锰渣和镁渣的掺量可分别达到21%，从实验得出最佳的生料烧结温度为1260℃，保温时间为30min，此时烧结出的试样的矿物相主要为C2S、C4A3S—。
（3）在制备出的水泥熟料中添加一定量的石膏，当添加量为15%时，放出的水化总热最多，力学性能最好，28d的抗折强度为5.1MPa，抗压强度为31.2MPa。抗渗等级达到P6，烧制熟料和水化产物将重金属有效的固化稳定，不易被浸出。总之，利用电解锰渣、镁渣能够烧制出早强、快硬型的硫铝酸盐水泥熟料，相比于市场现有的硅酸盐和硫铝酸盐水泥熟料，其不仅具有性能上的优势，而且还具有成本低，废物资源化，污染低等特点。
参考文献
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