工業(yè)廢渣作為水泥混合材的若干問題思考

1、工業(yè)廢渣作為水泥混合材的若干問題思考摘要：簡要分析了水泥混合材應用現(xiàn)狀，水泥企業(yè)在利用工業(yè)廢渣作為混合材的過程中應加強自身應用技術的開發(fā)，合理使用廢渣，同時應基于調(diào)節(jié)水泥性能、適應混凝土工作性出發(fā)，用好廢渣。關鍵詞：水泥，工業(yè)廢渣，混合材，混凝土工作性能0.引言我國固體廢渣年排放量已達67億噸1，加上連年積存的幾十億噸，其數(shù)量是十分驚人的。隨著我國工業(yè)化進程的加速，工業(yè)廢渣的排放量還會不斷增加。這些工業(yè)廢渣占用大量耕地，污染環(huán)境，已成為一大社會公害。而另一方面，工業(yè)廢渣卻又大多有可利用價值，是可再利用資源。根據(jù)現(xiàn)有水泥生產(chǎn)工藝特點、水泥熟料化學與礦物組成及水泥組份水化特性，眾多的研究表明，許多

2、工業(yè)廢棄物是水泥工業(yè)的重要資源或替代物，可以說水泥廠是不需投資的廢棄物處理工廠。事實上，從上世紀50年代我國就研究利用工業(yè)廢渣生產(chǎn)混合水泥，取得了豐碩成果，早在1995年全國冶金、煤炭、電力、礦產(chǎn)業(yè)和化學工業(yè)排渣6億噸，水泥工業(yè)作混合材用渣9千萬噸，用作原料或其它近2千萬噸2，是我國固體工業(yè)廢渣的重要“用戶”。半個多世紀來，我國許多學者和水泥工作者，基于資源替代、降低熱耗、調(diào)節(jié)水泥性能等行業(yè)自身發(fā)展的需要，在工業(yè)廢棄物水泥資源化開發(fā)利用方面做了大量工作，理論上取得了重大進展，應用技術上獲得了許多成果，企業(yè)生產(chǎn)上廢渣利用比例不斷攀升，行業(yè)利廢總量也大幅度提高，為工業(yè)廢棄物綜合利用，減輕環(huán)境壓力作

3、出了重要貢獻，同時行業(yè)自身也取得了良好的經(jīng)濟效益。但不可否認的是，水泥行業(yè)在廢棄物資源化應用方面也存在著許多不僅人意，亟待解決的問題，本文就水泥混合材應用中的幾個問題作膚淺討論，供同仁參考。1.把好品質(zhì)關，不泛用混合材混合材技術始于建國初期，是為適應當時我國水泥產(chǎn)量過低而產(chǎn)生的3。但目前大部分水泥廠已演變?yōu)橐越档蜕a(chǎn)成本為主要目的，甚至為掩蓋劣質(zhì)水泥的某些性能而使用，泛用混合材。其實用于水泥的混合材料，國家是有規(guī)范規(guī)定的，如對用于水泥的粉煤灰規(guī)定了需水量比、燒失量、三氧化硫含量、水分以及相關的活性指標，并明確規(guī)定用作水泥混合材料的粉煤灰必須達到一定的質(zhì)量要求，符合相應的粉煤灰標準方可生產(chǎn)和使用

4、；但一些企業(yè)并未嚴格執(zhí)行規(guī)范和標準，在未進行任何處理的情況下，使用一些指標不符合規(guī)范的混合材，存在著嚴重的質(zhì)量危機。2.利用化學互激發(fā)，合理復合使用混合材研究表明，一些高溫形成的廢渣如粉煤灰、高爐礦渣等的活性主要來源于其玻璃體和一部分具有活性的晶體礦物，且鋁硅酸鹽含量較高，同時研究還表明，凡天然或人工的鋁硅酸鹽粉末，其本身雖無水硬性，但在強堿或（和）硫酸鹽的作用下均能水解并生成水化物4，當然水泥水化環(huán)境本身也具備這一條件。英國阿伯丁（Aberdeen）大學泰勒教授認為水泥水化的主要驅(qū)動力之一就是酸堿反應，據(jù)此觀點，水泥中酸性活性混合材在堿性水泥漿體水化過程中的作用，勢必有利于增加水泥某一水化階

5、段的驅(qū)動力，從而也可提高水泥石在該階段的力學強度3。無論是激發(fā)理論還是酸堿反應理論，在實際應用過程中除考慮水泥水化體系的堿環(huán)境和石膏可能帶來的硫酸鹽作用外，更應該關注復合摻加混合材互相之間的激發(fā)作用，也就是說企業(yè)在實際應用過程中，在不違返現(xiàn)行通用硅酸鹽水泥國家標準的前題下，加強對“一定量的其他混合材” 對摻入的主要混合材的活性激發(fā)的應用實驗，不應將“復摻”停留在“充數(shù)”、或降低成本的水平。事實上，一些企業(yè)的應用和一些研究者的試驗也充分說明這一點5-8。3.分別粉磨，合理激活混合材早在1958年9月13日出版的期刊建筑材料工業(yè)上，B.H.沙大林，M.H.斯特列爾科夫等在“快硬礦渣波特蘭水泥生產(chǎn)工

6、藝參數(shù)與特點”一文中就熟料（含石膏）與礦渣分別并分段粉磨做了相關實驗9；后在1959年5月16日出版的期刊建筑材料工業(yè)上，琉璃河水泥廠的張志遠等在題為“措施落實國家計劃就能保證完成”的文章中介紹了當時琉璃河水泥廠改混合粉磨為分別粉磨，取得臺產(chǎn)提高，質(zhì)量穩(wěn)定的相關經(jīng)驗，同時該文中還提到本溪水泥廠采取分別粉磨所取得的效果10。由此可見，水泥熟料與混合材分別粉磨在我國其實早有研究，也有企業(yè)實踐，并在當時就取得了一定效果9-10；后在上世紀70、80年代，一些研究者對分別粉磨的問題做了一定研究，并倡導分別粉磨；近十多年來，研究范圍拓展，研究更為深入，從基礎理論到應用技術，直至企業(yè)生產(chǎn)，基本結(jié)論是：分別

7、粉磨有利充分發(fā)揮水泥熟料本身水化活性、激發(fā)混合材潛在活性、合理改善水泥顆粒級配、便于調(diào)整水泥品種、降低水泥需水量，改善水泥性能、增加混合材摻量、節(jié)約粉磨電耗、降低生產(chǎn)成本11-21。其實，不同物料由于組成、結(jié)構(gòu)不同，其粉磨特性也不同，采用不同的措施、不同的方法、不同粉磨工藝要求分別粉磨是符合物質(zhì)本身特性和客觀規(guī)律的。綜上所述，生產(chǎn)中采取分別粉磨是激活混合材活性，提高混合材摻量的有效途徑。另外，企業(yè)在生產(chǎn)實踐中，還應注意，有些物料共同粉磨時是存在選擇性粉磨的，如熟料促進石灰石的粉磨，石灰石則對熟料粉磨有一定阻礙作用11，顯然對這類物料應采取分別粉磨；而也有些物料共同粉磨時，互相之間是有互相促進助

8、磨作用的，應共同粉磨。因此企業(yè)在實際操作中應區(qū)分對待，結(jié)合自身所用混合材和熟料的性質(zhì)，通過相應實驗，合理選擇、確定粉磨工藝方案。4.綜合處理，合理利用低品質(zhì)混合材評判混合材品質(zhì)高低的指標主要可分為兩類，一是活性指標，二是有害組份控制指標。對于低活性廢渣，如上所述可通過適當方式激發(fā)其潛在活性，當在其他指標符合要求的情況下，也可作惰性混合材適量摻入。根據(jù)現(xiàn)行國家標準與相關規(guī)范規(guī)定，有害組份超標的廢棄是嚴禁作為混合材在水泥生產(chǎn)中使用的，但這類廢渣在工業(yè)廢渣中所占的比例遠遠高于“可用”渣一類，因此如何合理有效地利用這一類廢渣，對于我們拓寬廢渣的利用范圍，減輕社會環(huán)境壓力，意義是十分重大的。所謂有害組份

9、指標主要是指燒失量、三氧化硫含量、需水量比、水份及Cl-、堿含量等，其實在很多情況下，有些指標超標是可以通過適當方式進行處理的22-28。一可以通過化學反應、吸收、消解等進行處理，如燒失量、三氧化硫含量、水份、Cl-、堿含量等。二可以通過物理混合，平衡組份比例，降低相應超標指標。三可以通焙燒、煅燒、加熱烘干、脫水等處理，降低燒失量、水份等，經(jīng)過這種方法處理還可能提高相關廢渣活性。對于某些低品質(zhì)廢渣，富含某成份時，可以結(jié)合企業(yè)自身生產(chǎn)情況，作為水泥生產(chǎn)的其他替代材料開發(fā)，如高CaO含量的廢渣，可以作為石灰石替代材料；富含三氧化硫即具石膏性能的廢渣可作為緩凝劑開發(fā)，如電解錳渣等22、23、25；燒

10、失量高富含熱值的可作為替代燃料開發(fā)。對于堿含量偏高的廢渣，應根據(jù)國家標準對水泥中堿含量的要求和所使用熟料、主要混合材堿含量等要求，在堿總含量不高的情況下，可少量作為主要混合材的堿激發(fā)劑摻入。5.加強工藝管理，穩(wěn)定材料成份，提高混合材摻量目前一些水泥企業(yè)（含粉磨站）在配制水泥時，熟料用量已降至40%以下，也就是說混合材已成為水泥行業(yè)窯后的最主要材料，而這類材料往往來源復雜，成分、性能波動較大，南方地區(qū)又受雨水、吸潮等影響，水份含量偏高。大量摻入時水泥質(zhì)量波動較大，這是制約混合材正常摻入的主要因素之一，因此企業(yè)生產(chǎn)時應加強工藝管理，酌情采取措施。（1）加強窯前工藝，合理設計熟料組成，合理煅燒，合理

11、提高熟料強度，穩(wěn)定熟料質(zhì)量，改善熟料性能，是提高混合材摻入量的根本。（2）對于粉磨站，由于熟料來源不一定穩(wěn)定，因此，一方面應適當增加熟料儲備量，另一方面應利用熟料進廠堆放的有利時機，對進廠熟料進行必要的混合均化，以提高進磨熟料的穩(wěn)定性。（3）對于混合材來源較復雜的企業(yè)，應對同類質(zhì)材料進行混合均化；而對不同類質(zhì)材料應嚴格分別堆放，不要混堆。（4）高水份混合材料，必須進行烘干處理，水份符合粉磨工藝要求時方可入磨。這一問題往往被一些企業(yè)輕視，入磨水份高不僅粉磨系統(tǒng)產(chǎn)量大幅度降低，同時會造成收塵、輸送設備的堵塞與破壞，引起均化、儲存庫的工作不正常，導致水泥質(zhì)量波動。企業(yè)在生產(chǎn)時必須根據(jù)所用混合材水份含

12、量和企業(yè)粉磨系統(tǒng)的特征，酌情采取相應工藝措施對水份進行處理。6.適時調(diào)整水泥組成，適應混凝土的工作性能，用好混合材水泥作為一種膠凝材料，是一種中間產(chǎn)品，最終是要做成水泥基材料的，而目前最主要的就是水泥混凝土（下簡稱混凝土）。眾所周知，混凝土材料在國民經(jīng)濟建設中起著不可替代的重要作用，其質(zhì)量好壞直接關系到人民生命財產(chǎn)安全，而混凝土強度和耐久性是其安全性的關鍵?；炷翉姸群湍途眯猿c混凝土原材料的品質(zhì)、配合比設計、成型養(yǎng)護及使用保養(yǎng)等因素有關外，新拌混凝土諸如流動性、粘聚性、保水性等工作性能是確?；炷聊途眯缘那疤?。影響混凝土工作性的因素很多，主要有用水量、減水劑或其他外加劑、集料配比與集料性質(zhì)、

13、水泥組成與性質(zhì)、摻合料、水泥溫度和環(huán)境溫度、經(jīng)時損失等29，另外水泥與外加劑相容性的問題不僅影響混凝土工作性能，有可能導致混凝土的強度降低，安定性不良，甚至直接破壞。就水泥組份與性能而言，水泥越細，表面積越大，吸附水就越多，水化反應消耗水的速度也越快；水泥中C3A、C3S含量越高，水化反應越快，消耗水的速度越快，這些都會降低工作性。工程中還應重視水泥溫度和環(huán)境溫度的影響，拌合物拌和時水泥溫度越高，越不利于工作性，環(huán)境溫度越高，水向環(huán)境蒸發(fā)和水泥水化反應的速度越快，不利于工作性。水泥與外加劑相容性問題是目前不少水泥企業(yè)與商品混凝土企業(yè)比較敏感的問題，除外加劑本身結(jié)構(gòu)、性能及摻合料等因素外，就水泥

14、而言，影響相容性的因素也是較多且較復雜的。研究表明：提高水泥與外加劑的相容性，應提高熟料中的硅酸鹽礦物含量，降低鋁酸鹽，特別是C3A的含量；煅燒溫度高、煅燒氣氛好、高溫段冷卻速度快的熟料所磨制的水泥與外加劑具有較好的相容性；硬石膏做調(diào)凝劑的水泥用于混凝土時，會產(chǎn)生異常凝結(jié)（假凝），混凝土拌合物的流動體在很短時間內(nèi)損失很大，使外加劑表現(xiàn)出不好的相容性；如果水泥粉磨過程中磨機內(nèi)部溫度過高，有一部分二水石膏脫水形成半水石膏或硬石膏，也會出現(xiàn)與外加劑相容性差的現(xiàn)象；水泥中混合材的種類、細度、顆粒形貌及摻量等對外加劑的吸附作用是不同的，外加劑對礦渣、粉煤灰、石灰石的相容性較好，對火山灰、煤矸石、沸石等比

15、表面積大、吸附性強的混合材相容性較差；水泥的比表面積增大，水化速度加快，對外加劑吸附作用增強，因而，外加劑的用量增大，流動性經(jīng)時損失加大，表現(xiàn)出相容性變差；同一比表面積的水泥顆粒分布越寬，水泥漿的流動性越好，外加劑用量會越少，但流動性的經(jīng)時損失較大；水泥顆粒圓度系數(shù)提高，對減水劑飽和摻量影響不大，但可以提高水泥漿的流動度和混凝土的坍落度，減小坍落度的經(jīng)時損失；隨著水泥中堿含量的增大，減水劑對水泥的塑化效果變差，堿含量的增大，還會導致混凝土凝結(jié)時間縮短、坍落度經(jīng)時損失變大；水泥陳放時間越短，出磨水泥溫度越高，減水劑對水泥的塑化效果越差，減水率越低，混凝土拌合物坍落度經(jīng)時損失越大，因此，陳放時間稍

16、長的水泥有利于提高相容性29。綜上所述，隨著摻合料和外加劑技術在混凝土中的廣泛應用和高性能混凝土發(fā)展的需要，水泥企業(yè)適時調(diào)整水泥熟料組成、根據(jù)熟料組成通過混合材調(diào)整水泥組成、細度、級配等性能，用好混合材，適應混凝土工作性能是“上帝”用戶的需要。5.結(jié)束語工業(yè)廢渣用作水泥混合材已有半個多世紀歷史，用量不斷增加，為減輕環(huán)境壓力做出了重要貢獻，但在新的形勢下，為適應高性能水泥和高性能混凝土的發(fā)展需要，水泥企業(yè)應加強自身應用技術的開發(fā)與實踐，合理利用工業(yè)廢渣，充分發(fā)揮廢渣潛在活性，在應用過程中不要再造成再生資源的二次浪費；同時應基于調(diào)節(jié)水泥性能出發(fā)，適應混凝土工作性的需要用好廢渣；更應注意不可泛用廢渣

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