煤氣化渣摻量對其復合膠凝材料的性能影響分析

康健

摘要：為了研究煤氣化渣對水泥復合膠凝材料細度、標準稠度用水量、凝結時間以及復合膠凝材料砂漿力學特性的影響，文章將煤氣化渣經球磨機球磨70 min，以10%、20%、30%的摻量取代水泥熟料制備煤氣化渣復合膠凝材料并進行相關試驗。結果表明：復合膠凝材料的細度、標準稠度用水量、凝結時間以及復合膠凝材料砂漿力學特性隨煤氣化渣摻量的變化而有明顯變化，煤氣化渣最佳摻量為20%;通過復配煤氣化渣制備水泥膠凝材料可實現煤氣化渣的二次使用，達到綠色環保的目的。

關鍵詞：煤氣化渣;摻量;復合膠凝材料;物理性能;力學特性

中圖分類號：U416.03A170614

0 引言

煤氣化作為煤清潔利用的有效手段之一[1]，已經應用在許多實際生產中。但煤氣化處理產生的煤氣化渣會造成大量堆積，如不及時處理將對當地環境造成嚴重污染。而煤氣化渣中含有大量SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3，與硅酸鹽水泥的化學成分相似。因此，可將煤氣化渣替代部分水泥熟料制備復合膠凝材料，不僅有利于減少水泥用量，還可實現煤氣化渣綠色應用。

目前，許多相關領域研究學者對煤氣化渣自身特性和煤氣化渣在水泥基材料中的應用進行了一些研究。趙永彬[2]等人通過研究發現煤氣化渣中含有大量非晶態玻璃體，其含量可達67%以上，可將煤氣化渣應用于建筑、防火、耐溫等領域。李虹燕[3]等人通過試驗證明摻加一定量的礦粉會降低水泥復合材料的水化熱，且摻加礦粉的水泥復合材料28 d力學特性低于純水泥凈漿的強度。鄭登登[4]等人通過使用不同的堿激發劑NaOH和KOH，研究不同堿激發劑摻量對礦渣水泥砂漿力學特性的影響，結果表明KOH能極大地提升礦渣水泥砂漿力學特性。孫文標[5]等人采用煤氣化渣作為集料，普通水泥作為填料，研究了復合膠凝材料的坍落度和強度等指標。結果發現使用煤氣化渣作為充填材料，在性能和經濟成本等方面是可以接受的。劉開平[6]等人通過將煤氣化渣粗渣與細渣研磨，制備了煤氣化渣混凝土試件。結果表明摻加煤氣化渣粗渣能有效提高煤氣化渣混凝土試件力學特性。

通過前人研究可以發現，采用煤氣化渣復配水泥制備煤氣化渣復合膠凝材料（Coal gasification Slag Complex Binder，以下簡稱為CSCB）具有現實可行性。因此，本文將煤氣化渣粗渣經球磨機球磨70 min，將煤氣化渣以10%、20%、30%的摻量替代水泥熟料復配CSCB。研究CSCB的細度、標準稠度用水量、凝結時間等物理性能以及力學特性，通過研究既能利用煤氣化渣的特性對其進行性能開發，又可以解決煤氣化渣大量堆積帶來的環境問題。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）煤氣化渣

本文所使用的煤氣化渣（CS）為陜西寶雞長青能源化工公司所提供的粗渣，其化學組成和物理指標如表1和表2所示。

（2）熟料

本文所用熟料為陜西咸陽冀東水泥廠生產的硅酸鹽水泥熟料，熟料化學組成和礦物組成如表3和表4所示。

（3）水泥

本文所用水泥為陜西咸陽冀東水泥廠生產的硅酸鹽水泥PC32.5，密度為3.14 g/cm3。其主要物理性能如表5所示。

（4）砂和水

本文所用砂為廈門艾思歐標準砂有限公司生產的標準砂，水為自來水。

（5）石膏

本文所用石膏為天然二水石膏，其SO3含量為43.5%。

1.2 試驗方案

本文將煤氣化渣在球磨機中粉磨70 min，煤氣化渣替代水泥熟料摻量為10%、20%、30%，熟料與石膏的比值定為95：5制備成CSCB。CSCB細度、標準稠度用水量、凝結時間、力學特性（力學特性試件配比如表6所示）試驗參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG E30-2005）測試。

2 結果與討論

2.1 細度

通過80 μm篩余量和比表面積來表征CSCB細度，試驗結果如圖1所示。由圖1（a）可知，當煤氣化渣粉磨時間為20 min，煤氣化渣摻量為10%、20%、30%時，CSCB均達到PC32.5水泥細度指標，即80 μm篩余量均<10%。當煤氣化渣摻量從10%增加到30%時，80 μm篩余分別減小13.6%與4.3%，即隨煤氣化渣摻量的增加，80 μm篩余量下降幅度逐漸減小。

由圖1（b）可知，CSCB比表面積隨粉磨時間的變化規律與80 μm篩余量變化規律相反，CSCB比表面積隨煤氣化渣摻量的增加呈增大趨勢，且隨著煤氣化渣摻量的增加，CSCB比表面積增加趨勢減小，當煤氣化渣摻量從10%增加到30%時，CSCB比表面積分別增加5.4%與2.6%，即隨煤氣化渣摻量的增加，比表面積增加幅度逐漸減小。

2.2 標準稠度用水量

CSCB標準稠度用水量試驗結果如圖2所示。由圖2可知，標準稠度用水量隨煤氣化渣摻量的增加而增大，煤氣化渣摻量每增加10%，標準稠度用水量約增加3%～6%，且CSCB的標準稠度用水量均高于PC32.5水泥（24%）。這主要是由于煤氣化渣與熟料相比，其比表面積較大，煤氣化渣增加將導致CSCB表面吸附的水相應增加，且隨著球磨機的球磨作用，CSCB細度增加，同樣導致樣品的比表面積增大，使得參與水化反應的面積增大，從而導致CSCB的標準稠度用水量增加。

2.3 凝結時間

CSCB凝結時間試驗結果如圖3所示。由圖3可知，CSCB的初凝時間和終凝時間均隨煤氣化渣摻量的增加而增大，且當煤氣化渣摻量<20%時，凝結時間增加較為緩慢;當煤氣化渣摻量>20%時，凝結時間顯著增加。這主要是由于煤氣化渣活性小于熟料的活性，而對CSCB凝結時間影響最大的是熟料，隨著煤氣化渣摻量的增加，有更多的熟料被取代，會使得CSCB水化生成的水化鋁酸鈣及水化硅酸鈣的數量大幅度減少，從而水泥體系形成空間網狀結構的速率減慢，水化產物交聯作用減弱，宏觀表現為CSCB初凝和終凝時間延長[7]，從圖3中可以看出CSCB均高于PC32.5水泥的初凝時間（91 min）和終凝時間（151 min）。

2.4 力學特性

CSCB力學特性測試結果如圖4所示。由圖4可知，CSCB各齡期力學特性隨煤氣化渣摻量的增加而降低，且當煤氣化渣摻量<20%時，CSCB力學特性下降幅度較小，這主要是因為煤氣化渣比表面積較大，經球磨機破碎后，煤氣化渣可以很好地填充到CSCB膠凝材料體系中，一定程度上起到了較好的密實填充作用，相應地抵消了由于熟料減少而對CSCB膠凝材料強度特性造成的不利影響;當煤氣化渣摻量由20%增長到30%時，CSCB力學特性大幅下降，這主要是由于CSCB中熟料被煤氣化渣大量取代，而煤氣化渣中含有大量無活性的殘碳，這些殘碳結構在低摻量時可在CSCB膠凝材料體系中起到較好的填充作用，但隨著煤氣化渣摻量的增加，殘碳結構也隨之增加。殘碳并不參與CSCB的水化反應，且殘碳的存在會影響水化產物之間的搭接及咬合，不利于CSCB強度的發展。因此，煤氣化渣摻量越大，CSCB強度越低。

同時由圖4可以看出，隨養護齡期的增加，CSCB力學特性增大。除了養護時間對CSCB力學特性的影響外，另一主要原因是煤氣化渣中的活性物質在CSCB水化反應后期所發生的“火山灰反應”對CSCB力學特性的貢獻。經球磨機球磨后的煤氣化渣會釋放其內部結構的非晶態活性物質，這些非晶態活性物質的主要成分是具有活性的氧化硅和氧化鋁，當其單獨與水作用時，反應極慢，得不到足夠的膠凝性，但若處在水泥水化生成的Ca（OH）2堿性環境中時，會與Ca（OH）2發生火山灰反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產物，水化作用顯著，從而增強CSCB的力學特性，通過查閱文獻[8-9]，礦渣水泥砂漿的力學特性隨所處堿溶液濃度的增強而增加，而在CSCB水化反應的后期，水泥熟料水化生成大量的Ca（OH）2，CSCB體系中堿性環境增強，煤氣化渣中的非晶態活性物質所發生的“火山灰”反應也就越劇烈，生成的水化產物越多，宏觀表現為隨養護齡期的增加，CSCB后期力學特性增加。

由圖4也可知，CSCB28 d抗壓強度與抗折強度均低于PC32.5水泥砂漿28 d抗壓強度（40.12 MPa）與抗折強度（7.51 MPa）。這是由于CSCB中煤氣化渣代替了20%的水泥熟料，使得C2S和C3S的含量降低，從而導致C2S和C3S與水反應生成的Ca（OH）2含量降低，且CSCB發生的火山灰反應將消耗大量Ca（OH）2，導致CSCB中水化產物相對減少，因此CSCB力學特性低于PC32.5水泥砂漿的力學特性，但當煤氣化渣摻量為10%與20%時，CSCB力學特性仍符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）規范要求的力學特性（28 d抗壓強度≥32.5 MPa，28 d抗折強度≥5.5 MPa）。從綜合經濟性考慮，煤氣化渣摻加20%為宜[10]。

3 結語

（1）CSCB的細度、標準稠度用水量、凝結時間等物理性能隨煤氣化渣摻量的增加而增加，當煤氣化渣摻量達到20%時，其各項物理性能增幅緩慢。

（2）CSCB力學特性隨煤氣化渣摻量的增加而減小。煤氣化渣中的活性物質可在堿性環境下發生火山灰反應，在CSCB水化反應的后期，火山灰反應增強，CSCB力學特性大大增加。CSCB 28 d力學特性均小于PC32.5水泥砂漿的力學特性。

（3）通過對不同煤氣化渣摻量復配的CSCB各項物理性能、力學特性進行試驗研究，以及考慮經濟成本等綜合效益，煤氣化渣最佳摻量為20%。

參考文獻：

[1]王輔臣，于廣鎖，龔 欣，等.大型煤氣化技術的研究與發展[J].化工進展，2009（2）：173-180.

[2]趙永彬，吳 輝，蔡曉亮，等.煤氣化殘渣的基本特性研究[J].潔凈煤技術，2015（3）：110-113.

[3]李虹燕，丁 鑄，邢 鋒，等.粉煤灰、礦渣對水泥水化熱的影響[J].混凝土，2008（10）：54-57.

[4]鄭登登，季 韜，梁詠寧.苛性堿對堿礦渣水泥砂漿抗壓強度和抗折強度的影響[J/OL].福州大學學報（自然科學版）：2019（6）：800-806.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/35.1117.N.20191122.0842.002.html.

[5]孫文標，郭兵兵，羅傳龍，等.煤氣化廢渣用作煤礦充填材料的試驗研究[J].中國礦業，2017（2）：166-168.

[6]劉開平，趙紅艷，李祖仲，等.煤氣化渣對水泥混凝土性能的影響[J].建筑科學與工程學報，2017，34（5）：190-195.

[7]周惠群，李 強，楊曉杰，等.鋼渣摻量和細度對水泥物理性能影響研究[J].建材世界，2012，33（1）：1-4.

[8]申愛琴.水泥與水泥混凝土.[M].北京：人民交通出版社，2000.

[9]王 雙.摻合料對混凝土的界面過渡區性能及孔結構的影響研究[D].哈爾濱.哈爾濱工業大學，2018.

[10]王 強，黎夢圓，石夢曉.水泥-鋼渣-礦渣復合膠凝材料的水化特性[J].硅酸鹽學報，2014，42（5）：629-634.

收稿日期：2020-04-17