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热处理赤泥粉煤灰制备少熟料胶凝材料的研究 ＊ 董鲁闽 倪 文 郑永超 李 轩 余 佳 王 薇 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 摘要 针对赤泥、粉煤灰的成分特点, 对其混合物进行热处理, 研制了一种少熟料胶凝材料, 并对其强度影响因素、水 化性能进行了研究。 结果表明 选择混合料的配比为赤泥 47 . 5, 粉煤灰 47. 5, 石膏 5, 于700 ℃煅烧5 h制成煅烧 料; 加入 70煅烧料, 30水泥熟料, 0. 5减水剂, 可以制备性能较好的胶凝材料, 28 d的抗折强度可达到7 . 8MPa, 抗 压强度可达到45. 2MPa。 关键词 赤泥 粉煤灰 热处理 强度 ＊国家科技支撑计划课题“尾矿凝石技术研究” 2006BAC21B03 。 0 引言 赤泥是铝土矿提炼氧化铝过程中产生的废弃物。 我国的赤泥排放量每年大约有 700 万 t 以上。由于 赤泥中含有少量的碱和铁等杂质, 目前尚未找到大量 利用的有效途径 [ 1] 。而一些研究表明, 在一定的温度 下进行热激发可以增强赤泥的活性。粉煤灰是火力 发电厂从煤粉锅炉排出的烟气中收集到的细微粉 末 [ 2] 。考虑到粉煤灰天然呈酸性 ,其活性成分在碱性 条件下可以被激发 , 而赤泥呈高钙高碱性 , 其 pH 值 达到了 11. 6,因此,将赤泥应用于粉煤灰的激发在理 论上也是可行的 [ 3] 。本文依据赤泥和粉煤灰的成分 特点 ,对其混合物进行热处理 ,添加一部分水泥熟料, 研制了一种赤泥粉煤灰少熟料胶凝材料 ,并对其性能 进行了研究。 1 试验 1. 1 原料 赤泥为山东聊城顺发铝业公司提供的拜尔法赤 泥,粒度细小不匀 , 勃氏比表面积为500 m 2 kg 。化学 成分见表 1,XRD分析见图 1。粉煤灰由北京石景山 电厂提 供 , 密度 为 2. 05 g cm 2 , 勃 氏比 表 面积 为 450 m 2 kg ,化学成分见表 1,XRD分析见图 2。水泥熟 料即普通硅酸盐水泥熟料, 来自冀东水泥厂 ,磨细至 勃氏比表面积为350 m 2 kg , 化学成分见表 1。石膏由 北京石景山电厂提供的脱硫石膏 。UNF-5 高效减 水剂 。 1. 2 方法 将粉煤灰 、脱硫石膏和烘干的赤泥混合并加入 70的自来水 ,用QM-4H 小型球磨机以200 r min的转 表 1 主要原料的化学成分 项目SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2OTiO2Loss 赤泥28 . 4012 . 985 . 602. 1936 . 163 . 210 . 480. 865 . 50 粉煤灰46 . 938 . 633 . 620. 84 . 39 1. 301 . 21 水泥熟料 22 . 3510 . 653 . 932. 6857 . 47 0. 471 . 2 图 1 赤泥的 XRD 图谱 图 2 粉煤灰的 XRD 图谱 速混磨40 min ,取出后放入烘箱中烘干。将烘干好的 试样放入马弗炉中煅烧5 h制成煅烧料。将煅烧料与 30的水泥熟料混磨至勃氏比表面积为600 m 2 kg 。 将混磨好的物料倒入胶砂搅拌机中, 胶砂比为 1∶ 3, 水胶比为 0. 50, 加入 0. 5的减水剂, 搅拌150 s。然 后放入40 mm 40 mm 160 mm的模具中 , 借助胶砂 92 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 振动台振实成型。成型后, 用刮刀刮平 , 覆盖塑料薄 膜,在温度为 20 1 ℃,相对湿度为 90 的标准养护 条件下养护24 h后脱膜, 脱模后将试块放入水中养 护。按照水泥胶砂强度检验方法 GB T 17671- 1999 ,检测其3、 7、 28 d的抗折强度和抗压强度。 2 分析与讨论 为了研究煅烧料对胶凝材料强度的影响 ,根据经 验,分别改变其中的一种或两种因素,固定其他因素, 进行了一系列胶砂试验, 具体试验配比见表 2。 表 2 影响强度因素试验配比 编号赤泥 粉煤灰 石膏 煅烧温度 ℃ A40555700 B45505700 C47. 547 . 55700 D50455700 E60355700 F70255700 G50500700 H48. 2548 . 252 . 5700 I46. 2546 . 257 . 5700 J454510700 K47. 547 . 55500 L47. 547 . 55600 M47. 547 . 55800 2. 1 赤泥在煅烧料中的掺量对强度的影响 根据表 2 中编号A 、 B 、 C 、 D、E 和 F 的试验配比, 按照本文 1. 2 所述方法进行胶砂试验 , 得出试验结 果,如图 3、 图 4 所示 。 图 3 赤泥掺量对抗折强度影响曲线 图 3 和图 4 给出了赤泥掺量对胶凝材料胶砂试 块抗压强度和抗折强度的影响曲线。随着赤泥掺量 的增加,试块的各种强度均先升高后降低。赤泥掺量 对早期抗压和抗折强度影响不大, 但是后期强度下降 很快 。因此,赤泥的用量不能过高 ,要有所限制,最好 与粉煤灰的用量相当 。从成分上分析, 赤泥属于高钙 低硅铝酸盐,单独不具备成为高稳定性岩石的条件, 而粉煤灰属于低钙高硅铝酸盐 , 正好与赤泥形成 互补 。 图 4 赤泥掺量对抗压强度影响曲线 2. 2 石膏在煅烧料中的掺量对强度的影响 根据表2 中编号C 、 G 、 H 、 I 和J 的试验配比, 按照 本文 1. 2 所述方法进行胶砂试验 ,试验结果见图 5、 图6。 图 5 石膏掺量对抗折强度影响曲线 图 6 石膏掺量对抗压强度影响曲线 图 5 和图 6 给出了石膏掺量对胶凝材料胶砂试 块抗折强度和抗压强度的影响曲线 。随着石膏掺量 的增加 ,试块的早期强度增长较快, 而后期强度则有 所不同, 刚开始增加较为明显, 但当石膏掺量超过 5时逐渐平缓并呈下降的趋势 。这说明石膏作为激 发剂可以起到促进胶凝材料早期水化,提高早期强度 的效果 。但石膏掺量过多, 不仅加快凝结时间, 阻碍 水化物的扩散, 而且参与水化反应后剩余的石膏只是 以低强度状态存在于硬体中, 因而降低后期强度。所 以,石膏掺入量为 5 较合理 。 93 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 2. 3 煅烧温度对强度的影响 根据表 2 中编号 K、L 、 C 和 M 的试验配比 ,按照 本文 1. 2所述方法进行胶砂试验,根据试验结果绘制 图7 、 图 8。 图 7 煅烧温度对抗折强度影响曲线 图 8 煅烧温度对抗压强度影响曲线 图 7 和图 8 给出了煅烧温度对胶凝材料胶砂试 块抗折强度和抗压强度的影响曲线。随着煅烧温度 的升高,试块的抗折强度和抗压强度呈现先增长后降 低的趋势 ,并在温度为700 ℃ 时达到最高峰 。说明对 赤泥与粉煤灰的混合物在一定温度下进行热处理 ,可 以使其活性增加。另外加入的石膏在一定程度上也 会增强赤泥与粉煤灰活性的激发效果。因此 ,选择煅 烧温度为700 ℃。 选择混 合 料的 配比 为 赤 泥 47. 5, 粉煤 灰 47. 5, 石膏 5,于700 ℃ 煅烧5 h制成煅烧料。将煅 烧料与水泥熟料及减水剂按表 3 所示进行配合,并按 1. 2 所述方法进行制样和检测 , 结果见表 3。从表 3 可以看出, 胶凝材料的抗折强度和抗压强度均符合 硅酸盐水泥、 普通硅酸盐水泥 GB175 -1999 标准中 普通硅酸盐水泥 42. 5 强度等级的指标 ,安定性合格 。 表 3 建议配方胶砂试验结果 煅烧料 水泥熟料 减水剂 抗折强度 MPa抗压强度 MPa 3 d7 d28 d3 d7 d28 d 安定性 70300. 53. 85. 86. 817 . 7 34 . 6 45 . 2合格 3 微观结构与反应机理初探 将赤泥与粉煤灰的混合物在一定温度下进行热 处理, 使赤泥与粉煤灰中一些含水矿物脱水 ,原有结 构发生破坏 ,形成无定形态的亚稳结构 , 从而使赤泥 粉煤灰混合物活性增加 。赤泥中的碳酸钙与硬化水 泥浆体中的碳酸钙非常相似,都是由 C-S- H 凝胶被空 气中的二氧化碳碳化后转化而成的 ,颗粒极其细小, 结晶度极低 ,所以分解温度相应地比较低 。这样在热 处理过程中 ,赤泥中的碳酸钙很容易就产生分解, 分 解出的氧化钙与粉煤灰中的硅 、 铝氧化物反应形成碱 激发效应。因此在热处理过程中存在多种复合反应, 在多种复合反应的作用下将极大提高赤泥与粉煤灰 的活性,使其满足作为制作胶凝材料原料的要求。另 外,加入石膏后可以明显地提高赤泥与粉煤灰的激发 效果, 可能的原因有以下两种 一种是热处理过程中 石膏激发粉煤灰中的无定形物质; 另一种是在水化反 应时石膏与胶凝材料中的铝酸盐矿物或铁铝酸盐矿 物反应生成一些有利于水泥石强度的水化产物。 按编号 A 的配方制得一试样 , 样品水化3 d与 28 d的SEM 图见图 9、 图 10。从图中可看出水化产物 比较分散, 硬化体的孔隙率较高。出现这种现象的原 因是由于赤泥含量较少, 在热处理过程中方解石分解 出的氧化钙含量也较少, 这样便只能对一部分粉煤灰 产生激发效应, 导致粉煤灰的火山灰活性没能充分发 挥出来,剩余的粉煤灰只有依靠温度来破坏其玻璃体 网络结构, 这样粉煤灰的整体活性较低 , 对强度增长 产生不利影响, 所以制得胶凝材料的力学性能较差 。 图 9 A 样水化 3 d 的SEM 图 图 10 A 样水化 28 d 的 SEM 图 按编号 C 的配方制得一试样, 样品水化3 d与 28 d的SEM 图如图 11、图 12 所示。从图中可以明显 94 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 看出水化产物比较密集, 形成了致密的硬化体 ,保证 了较高的强度。当赤泥的含量逐渐增加 ,分解出的氧 化钙越来越多, 更容易破坏粉煤灰中的玻璃体网络结 构,这样就可以对更多的粉煤灰产生激发效应 。当赤 泥与粉煤灰的含量相当时 ,在热处理过程中可以完全 发挥赤泥的激发效应 ,得到活性较好的赤泥与粉煤灰 混合物 ,适量的赤泥保证了胶凝材料的早期强度, 适 量的粉煤灰则保证了胶凝材料的后期强度有稳定的 增长余量 ,所以制得的胶凝材料力学性能较好 。 图 11 C 样水化 3 d 的 SEM 图 图12 C 样水化 28 d 的 SEM 图 4 结论 1 试验表明 ,赤泥和粉煤灰的比例合适时 ,对其 混合物进行热处理后, 加入一部分水泥熟料 ,可以制 备性能较好的胶凝材料, 其强度可达到普通硅酸盐水 泥42. 5 强度等级的指标,测得其安定性合格。 2 通过试验 ,建议赤泥的加入量为47. 5, 粉煤 灰的加入量为 47. 5, 石膏的加入量为 5 , 制得的 胶凝材料28 d的抗折强度可以达到6. 8MPa , 抗压强 度可以达到45. 2 MPa。 3 将赤泥与粉煤灰的混合物在700 ℃下进行热 处理, 可以增加赤泥与粉煤灰的活性, 使其满足作为 制作胶凝材料原料的要求 。 参考文献 [ 1] 岳云龙, 芦令超, 常均, 等. 赤泥-碱矿渣水泥及其制品的研究. 硅酸盐通报, 2001, 20 1 46-49 [ 2] 张广, 贾廷耀, 万山. 粉煤灰分类及其在混凝土中的应用. 国外 建材科技, 2007, 28 2 24-26 [ 3] 周文献, 谢友均, 刘宝举. 赤泥对粉煤灰激发作用的试验研究. 混凝土, 2002 1 37-40 作者通信处 董鲁闽 471039 河南洛阳建设路 206 号 河南洛阳中 信重工机械股份公司矿山机械工程设计研究院 E -mail dlm282 163. com 2007- 09-04 收稿 上接第 62页 参考文献 [ 1] 朱庆峰, 廖秀丽, 陈新庚, 等. 用灰色聚类法对荔湾湖水质富营 养化程度的评价. 中国环境监测, 2004,20 2 47 -50 [ 2] 赵志坚. 灰色聚类法在水环境质量评价中的应用. 四川环境, 1997, 16 3 49 -51 [ 3] 肖新平. 灰色聚类关联分析法及其在大气环境质量评价中的应 用. 环境科学进展, 1997, 5 4 56 -62 [ 4] 郑建青. 水环境质量评价的灰色聚类分析. 科技进步与对策, 2004 9 40 -41 [ 5] 刘思峰, 党耀国, 方志耕, 等. 灰色系统理论及其应用. 北京 科 学出版社,2004 50 -150 [ 6] 储金宇, 柴晓娟. 用灰色聚类法对长江镇江段水环境质量的评 价. 人民长江,2006, 37 11 76 -78 [ 7] 赵光影, 华德尊. 灰色聚类法在地表水环境质量评价中的应用. 北方环境, 2005,30 2 84 -86 [ 8] GB 3838 -2002, 地表水环境质量标准 [ 9] 陈渝. 渭河咸阳段水质分析及污染治理策略. 水资源与水工程 学报,2005, 16 2 55 -58 [ 10] 刘引鸽, 郭叶红, 卫旭东, 等. 渭河流域地表水资源未来变化趋 势分析. 水土保持通报, 2005,25 5 81 -84 致谢 对咸阳市环境保护局提供的水质监测数据在此表示衷 心的感谢 作者通信处 王清芬 710127 西安市长安区学府大道 1号 西北大 学南区 192 信箱 2007- 09-03 收稿 95 环 境 工 程 2008年 6 月第26 卷第3 期 ENVIRONMENTAL COMPREHENSIVE TREATMENTLiu Jiping 82 Abstract This article introduced the specific practices that Chengdu City has carried out in its long -term water environment control works and analyzed the general features and existing major problems in this field.It further gives the suggestions on deepening the water environment comprehensive treatment task. Keywords water environment comprehensive treatment practice countermeasure ANALYSIS OF RESOURCE UTILIZATION IN THE USE OF SLUDGE FOR AGRICULTURE Cao Xiuqin Tan Jingjing 84 Abstract The valuable ingredients of sludge, such as organics, nitrogen and phosphorus etc inAustria was quantitatively analyzed, and the economical benefit and ecological safety in the use of sludge in agriculture were also discussed. Considering the actuality of sludge treatment and disposal in China, the correlative issues were discussed along with the above analysis, in order to use for reference to achieve the sustainable development and utilization of sludge in our country. Keywords use of sludge in agriculture resource utilization economic benefit ecological safety INDUSTRIAL EXPERIMENTS ON BIOTREATMENT OF THE OILY SLUDGE IN SHENGLI OILFIELDSun Zhenggui 88 Abstract Biodegradation technology of petroleum was used to treat the oily sludge in Binyi Oil-Containing Sewage Disposal Station, Shengli oilfield. Two different treatments, i. e. adding extraneous microorganisms and biostimulating the degradation activity of indigenous organisms, were made to treat the oil sludge in a 2 400 m2prepared bed.The initial content of oil in sludge is 126 g kg. The content of total petroleum hydrocarbon, the amount of different kinds of microorganisms and the physical and chemical properties of oily sludge were measured in the 230 d treatment course. The results indicates that adding extraneous oil -degradation microorganisms or biostimulating is an effective to decrease the oil content of sludge, improve the physical and chemical properties and reduce the biotoxicity of oily sludge. Keywords oily sludge biotreatment extraneousmicroorganisms indigenous organisms RESEARCH ON PREPARATION OF LOW -CLINKER CEMENTITIOUS MATERIAL VIA HEAT TREATMENT OF RED MUD AND FLY ASHDong Lumin Ni Wen Zheng Yongchao et al 92 Abstract According to the composition of red mud and fly ash, a low-clinker cementitious material has been made in our experiment via heat treatment of their mixture. The strength influencing factors and the hydration capability of the low-clinker cementitious material have been studied. The results are as follows The choice of mixture ratio is 47. 5 of red mud, 47. 5 of fly ash, 5of gypsum, which then is calcined at 700℃for 5 hours. The high -strength cementitious material can be made by adding 70 of the calcined material, 30 of cement clinker, 0. 5 of water reducing agent. The flexural and strengths compressive of 28 d are 7. 8MPa. and 45. 2 MPa respectively. Keywords redmud fly ash heat treatment strength THE DESIGN AND EXPERIMENT ON A NEW TYPE NATURAL VENTILATION WINDOW WITH HIGH SOUND INSULATIONYu Wuzhou Wang Zuomin 96 Abstract A new type natural ventilation window with high sound insulation using double -layer transparent micro -perforated panels is put forward to abate the effect of traffic noise. The design and theoretical calculation of the window are introduced in detail as well as experiment results in laboratory and in-situ.It is shown that the new type window has high sound insulation with sound insulation index of 28 dB and noise reduction of 31 dB in situ, as well aswith satisfactory ventilation to meet indoor air quality requirement. Keywords micro -perforated panel natural ventilation sound insulationwindow A FEASIBILITY STUDY ON NOISE CONTROL FOR NORTH FACTORY AREA OF TANGSHAN STEEL COMPANYWang Xiaopeng Wang Yupeng Li Shende et al 100 Abstract It was investigated that all the sound sourcesin a factory area. Itwas also selected the sound sourceswhichwouldprobably affect borderline of the yardfactory area on the basisof primary calculation. The acousticalmodelswere made by simplifying these noisy instruments. The radiation of sound of these instruments for the sensitive points on borderline of the factory area was calculated by programme.Estimated the correcteness and integrity of the calculationwere judgedby contrasting the calculationwith actualmeasurement. After they were affirmed, made the noise control scheme was made and calculationswere also done to see if the goalwould be reached. Keywords noise control sound source sensitive points of noise on borderline of factory Manager China Iron and Steel Association SponsorCentral Research Institute of Building and Construction of MCC Group PublisherIndustrial Construction Magazine Agency EditorThe Editorial Department of Environmental Engineering 33,Xitucheng Road,Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 01082227638 82227678 Chief EditorBai Yun Vice Chief EditorShen Guiqiu Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P . O . Box 399, Beijing China China Standard Serial Numbering ISSN1000-8942 CN 11-2097 X E -mailhjgcpublic . yj. cn. net hjgctg 163. com http www. hjgc . com. cn http www. hjgc . net . cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 3, June ,2008