废弃混凝土对水泥熟料煅烧过程矿物形成的影响.pdf

2 0 1 4 年 第 9 期 (总 第 2 9 9 期 ) N u mb e r 9i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ，AND ADM I NI CL E 废弃混凝土对水泥熟料煅烧过程矿物形成的影响 滕英跃 a ，赵畅 ，乔举 a ，王聪 ，李田 ( 内蒙古工业大学 a 化工学院；b 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 5 1 ) 摘要 ： 以废弃混凝土、 石灰石、 砂岩 、 铁矿石、 煤粉为原料 ， 采用普通煅烧工艺烧制了不同煅烧温度下的水泥熟料 ， 利用 X R D、 S E M 等表征手段考察了不同目数的混凝土对水泥煅烧过程中熟料主要矿物形成的影响， 并将煅烧生成的水泥熟料与标准熟料进行 了对比分析。 结果表明， 在不同煅烧温度下烧成的水泥熟料 中主要矿物的 X R D特征峰明显 ， 矿物形成正常， 并与对比试样水泥熟料 的矿物化学成分相近。 不同目数混凝土代替部分生料烧制的水泥熟料组成及形貌的变化有明显的区别 ， 6 0 - 8 0目烧制的水泥熟料因 A 1 、 F e 和 s i 元素含量较高而出现主要矿物黏结和熔蚀现象 ， 阻碍 C ， S的形成 ， 水泥矿物发育较差 ， 而大于 1 2 0目烧制的水泥熟料矿 物发育良好 ， 主要矿物黏结和熔蚀较少 ， 但 f - C a O量高于标准熟料。 关键词 ： 废弃混凝土；水泥生料 ；煅烧 ；水泥熟料；矿物组成 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 0 0 8 6 0 5 I m p a c t s o f wa s t e c on c r e t e o n mi n e r a l i n f o r m a t i on i n t h e p r o c e s s o f c e m e n t c l i n k e r c a l c i n a t i o n s T E NGYi n g y u e a , Z H AOCh a n g ， QI AOJ u ， WANGCo n g ， L I T i a n ( a Ch e mi c a l E n g i n e e r i n gC o l l e g e ； b C i v i l E n g i n e e r i n gI n s t it u t e ， I n n e r Mo n g o l i a Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y， Ho h h o t 0 1 0 0 5 1 ， C h in a ) Abs t r a ct ： Ta k e n t h e wa s t e c o n c r e t e 1 i me s t o n e， s a n d s t o n e， i r o n o r e a n d C O a l p o wde r a s r a w ma t e r i a l s ， t h e c e me n t c l i n ke r s we r e c a l c i ne d a t di ffe r e n t t e mpe r a t u r e s wi t h c o mmo n c a l c i n a t i o n me t h o d t h e i mp a c t s o fd i ffe r e n t me s h e s o fc o n c r e t e s o n c e me n t c a l c i n a t i o n p r o c e s s a n d ma i n mi n e r a l s i nf o r ma t i o n we r e e x a mi ne d wi t h XRD a n d S EM t o o l s a n d t he c a l c i ne d c e me n t c l i n ke r s we r e c o mpa r e d and an a l y z e d wi t h s t a nd a r dc l i nk e r Ast h e r e s ul t s s h o we dt heXRD p e a kva l ue so fma i nmi n e r a l si nthe c e me n t c l i n k e r s c a l c i ne da t d i ffe r e nt t e mp e r a t u r e swe r e o b v i o us ， t he mi ne r a l s we r e i n f o r me d n o rm a l l y， a nd t h e c h e mi c a l i n g r e d i e n t s of mi ne r a l s we r e a p pr o xi ma t e t o s a mpl e c e me nt c l i nk e r Th e c ha n g e s o f c o mp os i t i o n a n d s h a p e we r e gre a t whi l e di ffe r e nt me s h e s c o n c r e t e s r e pl a c e d pa r t l y c e me n t c l i n k e r whi c h wa s c a l c i n e d by r a w ma t e r i a l s The a d he s i v e a nd c o r r o s i ve p h e n o me n o n o fma i n mi ne r a l s wa s p r e s e n t e d， a s t h e c e me n t c l i nk e r s c a l i ne d b y 6 0 -8 0 me s he s c o n c r c t e s c o n t a i n e d h i g h c o nt e nt s of A1 ， F e a n d Si e l e me n t s ， t h e i nf o r ma t i o n o fC3 S wa s b l oc k e d a n d t h e c e me n t mi n e r a l wa s i n f o rm e d po o r l y Th e a d h e s i v e a nd c o rros i v eph e no me n o no f ma i nmi n e r a l a p pe a r e dl e s swh i l et h eme s h e swe r ebi g g e rt h a n 1 20， t h e c e me n t mi n e r a lwa si n f o r me d b e t t e r ， b u t t h e c o n t e n t s off - Ca O wa s h i g h e r t han s t a n d ard c l i nk e r Ke y w o r d s ： wa s t e c o n c r e t e ； c e me n t r a w ma t e r i a l ； c a l c i n a t i o n s ； c e me n t c l i nk e r ； mi n e r a l c o mp o s i t i o n 近几十年来 ， 随着预拌混凝土在建筑领域的普遍应用 ， 混凝土成为建筑行业 中最 主要 的工程材料 。 据统计 ， 目前 我国每年混凝土废弃物的排放量超过上亿吨， 并且以每年 8 的速度增长_ l _ ， 2 0 1 0 年我 国混凝土产量超过 1 0 亿 m3 翻。 这些废弃混凝 土大部分得不到有效 的利用 ， 同时还需要 占 用大量 的场地来堆放或填埋 。 废弃混凝土的传统利用方式 为制备再生集料生产再生混凝土 ， 但是制备的再生混凝 土有性能差 、 强度低、 弹性模量低5 - 6 1 等缺点 ， 因此需要开发 综合利用废弃混凝土的其他途径。 水泥工业作为建材行业的支柱产业 ， 在资源 、 能源消 耗方面也是 当之无愧 的“ 大户” 。 水泥混凝土是世界经济发 展 和人类进步不可或缺的工程 材料 7 1 。 利用废弃混凝 土部 收稿 日期：2 0 1 4 - 0 3 0 4 86 分代替常规原料配制水 泥生料 既可 以提高废弃混凝 土的 利用率， 又可以减少天然石灰石和黏土质原料的使用。 水泥 熟料组成及其矿物形成过程与废弃混凝 土的组成关 系较 大 ， 由于废弃混凝土 的组成成分有一定的差 异 ， 掺入 到常 规生料 中会造成熟料化学成分 的变化 ， 如熟料 中 A l 2 0 和 F e 2 0 等成分相对增加 ， 熔剂矿物增多 ， 硅酸盐矿物 减少 ， 最终导致熟料性能下降嗍 。 随着 国家和社会对于节能减排 、 环境保护要求 的提高， 利用废弃混凝土煅烧水泥熟料成为 研究的热点。 万惠文等 研究利用废弃混凝土替代部分天 然石灰石制备水泥熟料 ， 由于对废弃混凝土中的河砂没有 进行有效的分离 ， 导致 f - C a O含量较大 ， 且随着废弃混凝 土掺入比例的增加 ， 熟料质量降低。 孟姗姗等研究利用 废弃混凝土分离出的基 质胶凝组分掺入水泥熟料并测试 其性能， 结果表明， 基质胶凝组分具有较强的水化能力和 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 较好的胶凝性 ， 可用作水泥混合材料 ， 但 当基质胶凝组分增 大 时 ， 水泥各龄期强度均 下降 。 唐 日新等 _ l I 研 究利用废弃 混凝土中的基质胶凝组分煅烧水泥熟料 ， 但 因为基质胶凝 组分 中未水化颗粒含量较少 ， 因此使废弃混凝土利用率 降 低。 由于再生骨料存在孔隙率高、 强度低、 吸水率大的特 点 ， 从而给再生混凝土在实际工程应用 中带来 了一定的影 响。 袁启涛等研究利用破碎分离后 的废弃混凝土作 为主 要 配料煅 烧水泥熟料 ， 结果表 明， 水泥熟料 的质量 与废弃 混凝土分离组分中所含砂浆 的多少有很大关系。 万朝均等 13 】 研究废弃混凝 土在生料 中所 占重量 百分含量为 9 5 9 9 的情况下 ， 配制 出的水 泥生料经煅烧后能够满足水泥熟料 率值范围的要求。 虽然上述相关研究都取得了一定的效 果 ， 但是混凝土取代部分生料对水泥熟料煅烧过程 的影响 研究较少 ， 因此 ， 研究混凝土 的组成及其对水 泥熟料 烧成 过程 的影响 ， 为有效地利用废弃混凝土生产优质水泥熟料 提供理论依据 。 将试验破碎 、 分离后的废弃混凝土经过细磨筛分 ， 利用 不 同 目数的废 弃混凝 土取代部分天然石灰石作为原料煅 烧水泥熟料 ， 研究水泥熟料烧成过程中煅烧温度对熟料主 要矿物形成 的影响。 1 试 验 1 1 原料 的选取 试 验所用 的废弃混凝 土来 自多处拆 迁和建 筑工地 。 从其 中选取多个样品 ， 将其破碎后混合均匀 ， 用方孔筛筛 分出 2 - 2 0 m m的较大颗粒 ， 粉磨并混合均匀 ， 分成 6 0 8 0 目、 8 0 1 2 0目和 1 2 0目以上三个等 级 ， 作为 制备水泥 的部分 原料 ， 编号分别 为 C 1 、 C 2 、 C 3 ， 其化学成分分 析如表 1 。 表 1 不同目数废弃混凝土的化学成分分析 样品 s i o 2 A1 2 O 3 F e 2 0 3 C a O Mg O K 2 0 Na 2 0 L o s s C1 l 5 3 8 9 1 8 402 3 425 2- 3 8 2 4 3 1 5 9 2 2 1 8 C2 1 2_ 3 4 8 0 2 365 3 9_ 3 8 2 0 3 2 0 6 1 5 2 2 3 6 7 C3 1 0 7 4 7 5 8 3 49 4 3 R6 2 1 8 1 9 8 1 46 2 5 35 1 2 其他试验原料 其他试验原料有 天然石灰石 、 砂岩 、 铁矿石 、 煤粉等 ， 均来 自于 内蒙古某水泥厂 ， 其主要化学成分见表 2 。 表 2 其他试验原料的主要化学成分 物料品种S i O 2 A I 2 0 3 F e 2 O 3 C a O Mg O 0 Na 2 0 S O 3 L o s s 1 3 试样制备 1 _ 3 1 试样配制 生料配制步骤如下 ： 将不 同 目数的废 弃混凝 土 、 石灰 石 、 砂岩 、 铁矿石( 一定 比例 ， 同样 目数 ) 按设计的 目标率值 进行配料计算， 配好后? 昆 合均匀， 得到试验所用的生料， 分 别编号为 R1 、 R 2 、 R 3 ， 见表 3 ， 同时将对 比水泥生料 ( B L ) 试 样( 内蒙古某水泥厂 ) 的主要化学成分也列入表 3 。 表 3 生料主要化学成分和率值 主要化学成分 率值 ( 标准值) 样品 s i 。： 邶， 。 1 3 2 试样烧制 将配制好 的各组物料 置于干净 的容器 中， 加入一 定 量 的蒸馏水 ， 搅拌 均匀后置于标准模具 内， 以 1 0 6 k N 的 压力 制成 高为 2 0 m l T l ， 直 径为 1 3 m m， 重约为 3 6 g的小 试体 。 将得 到的小试体放 人 1 0 5烘干箱 中 1 h ， 然后放 人硅钼炉 中进行煅烧。 当煅烧温度分别达到 1 2 5 0 、 1 3 5 0 、 1 4 5 0后 保温 1 h 后 取 出， 将样 品置 于空气 中 自然冷却 至室温 。 1 4 测试手段 利用 x 一 射线粉末衍射仪对水泥熟料 的物相组成进行 分 析鉴定 。 本试验样品的 晶相分析采用 D 8 A D V A N C E型 x射线衍射仪。 测试条件 ： C u 靶 ， 4 0 k Vx 4 0 m A。 扫描范围： 1 0 - 6 0 。 ， 扫描速度 ： 2 m i n 。 利用扫描 电子显微镜 ( S E M) 对水泥熟料 的表面形貌 及颗粒 大小进 行分析 。 本试验 采用 H i t a c h i 公 司 S - 3 4 0 0 N 型扫描 电子 显微镜 。 测 试条件 ： 加 速 电压 2 0 k V， 并 利用 HO R I B A公司的 E MA X能谱仪进行微区成分分析 。 2结果与讨论 在水 泥 的实 际 生产 中 ， 熟料 主 要 矿物 是 在 1 2 5 0 1 4 5 0温度范围内形成 的， 生料约在 1 2 5 0开始共熔 ， 共熔后出现液相 ， 形成的 C S 和 C a O逐渐在产生的液相中 溶解形成水泥熟料的主要矿物 c 。 S ， 且在生料液相 出现 以 后开始大量形成 ， 形成温度最高 ， 因此熟料的烧成情况主要 取决于c ， s 的发育状态。 通过不 同煅烧温度( 1 2 5 0 1 4 5 0 ) 下熟料样 品的 XR D图谱及 S E M 照片 ， 研究不 同目数混凝 土代替部分生料对水泥煅烧过程及熟料主要矿物形成 的 影响。 2 1 熟料的 X R D 分析 将生料 R 1 R 3 在不 同温度( 1 2 5 0 、 1 3 5 0 、 1 4 5 0) 下 进行煅烧 ， 得 到水 泥熟 料 R 1 - R 3 ( 1 2 5 0 ) 、 R1 R 3 ( 1 3 5 O ) 和 R1 R 3 ( 1 4 5 0 ) ， 根据试验获得的衍射数据作 X R D图谱 ， 结 果 见 图 1 ， 同时将标 准熟料 ( B L ) 的 X R D 图谱也 列入 图1 中进行对 比分 析。 由图可见 ， 不同 目数的废 弃混凝 土代替 部分生料经 1 2 5 0 煅烧( 图 a ) 后均含有 C S 、 f - C a O、 C F 、 C 2 F 、 c 2 A 等主要矿物， 其中 C S 和 f - C a O较多 ， f - C a O衍 射峰较强 ， 而 C S 较少。 与标准熟料 B L 1 2 5 0 相 比， 不 同 目 数 的 R 1 R 3 各样 品 ， f - C a O衍射峰 强度均减弱 ， 减 弱 的程 度随混凝土 目数的减小而增大。 经 1 3 5 0 煅烧后 ( 图 b ) ， 各样品 中 f - C a O、 c F ： ， C 6 A 2 F等矿 物的衍射 峰均 减弱 ， 而 8 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m