用工業(yè)原料制備自粉化低碳水泥

邱 滿，管學(xué)茂，劉松輝，豆珍珍，徐 馳，朱建平

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454003)

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用工業(yè)原料制備自粉化低碳水泥

邱 滿，管學(xué)茂，劉松輝，豆珍珍，徐 馳，朱建平

(河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，焦作 454003)

為了降低水泥的燒成能耗和粉磨電耗，減少CO2氣體的排放量，本文提出了一種以γ-C2S為主導(dǎo)礦物的新型水泥--自粉化低碳水泥，并采用加速碳酸化技術(shù)使其具有強(qiáng)度。研究表明：該水泥燒成溫度為1350 ℃，早期強(qiáng)度高(8 h抗壓強(qiáng)度達(dá)56 MPa，抗折強(qiáng)度大于8 MPa)；水泥自粉化，大大降低了粉磨能耗；水泥中CaO含量?jī)H為40%～50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，降低了對(duì)石灰石原料品質(zhì)的要求；生產(chǎn)過程中,相比于普通硅酸鹽水泥減少15%～20%的CO2氣體排放量；使用過程中每噸水泥可吸收150～200 kg CO2。

低鈣； γ-C2S； 自粉化； 碳酸化

1 引 言

水泥工業(yè)是我國(guó)碳排放量的主要來源，其CO2排放量占人類活動(dòng)碳排放量的5%～10% ，因此降低水泥工業(yè)CO2排放是減排的重點(diǎn)之一[1-2]。目前被大量使用的硅酸鹽水泥尚存在一些缺點(diǎn)和不足，主要表現(xiàn)為：早期強(qiáng)度偏低，僅有20～30 MPa；燒成溫度較高，一般為1450 ℃以上，導(dǎo)致能源消耗高[3-4]；熟料堅(jiān)硬，易磨性差[5-6]；水泥熟料中CaO含量高，通常為65%～70%，對(duì)石灰石原料品質(zhì)要求高，消耗大量的優(yōu)質(zhì)石灰石資源；石灰石的煅燒產(chǎn)生大量的CO2等廢氣，污染環(huán)境[7-8]。此外，社會(huì)發(fā)展對(duì)水泥的性能提出了更高的要求，如強(qiáng)度更高，低碳環(huán)保等。因此，降低能耗、減少?gòu)U氣排放、提高性能是水泥工業(yè)發(fā)展的方向[9-12]。

水泥熟料中的C2S具有不同的晶型，其中β-C2S具有水硬性，而γ-C2S幾乎沒有水硬性，但是β-C2S向γ-C2S晶型轉(zhuǎn)變時(shí)的晶型轉(zhuǎn)變能可以使礦物發(fā)生自粉化現(xiàn)象[13-14]。加速碳酸化技術(shù)在建材領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大[15-18]，管學(xué)茂等[19]探索了加速碳酸化技術(shù)激發(fā)γ-C2S活性的可行性，研究了加速碳酸化過程中γ-C2S礦物的反應(yīng)過程及硬化機(jī)理。所以，如果水泥中的主導(dǎo)礦物為γ-C2S，則可以大大降低水泥工業(yè)的CO2排放量。本文通過制備自粉化低碳水泥，利用一系列分析測(cè)試方法研究了自粉化低碳水泥的性能，并采用加速碳酸化技術(shù)，使得自粉化低碳水泥具有很高的強(qiáng)度。

2 實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用的工業(yè)原料為焦作市堅(jiān)固水泥有限公司提供的石灰石、河沙和鐵礦，工業(yè)原料的化學(xué)成分分析如表1所示。

表1 工業(yè)原料的化學(xué)成分分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)原料進(jìn)行粉磨，然后用負(fù)壓篩析儀進(jìn)行篩余控制(負(fù)壓篩為0.080 mm方孔篩)，篩余控制在10%以內(nèi)。

設(shè)定率值為：KH=0.67，SM=4，IM=1.6。準(zhǔn)確稱量各物料，根據(jù)76.95%石灰石、22.10%河沙、0.94%鐵礦的配料方案配置生料，按水灰比W/C=0.1加入水，混合均勻，設(shè)置加載壓力為6 MPa，制備成底面直徑d=30 mm，m=20 g的圓柱體生料片，然后在(105±5) ℃的溫度下充分烘干。在1350 ℃煅燒，其中950 ℃保溫30 min、1350 ℃保溫120 min，制備出自粉化低碳水泥。

從高溫爐內(nèi)取出坩堝時(shí)，水泥呈黑色片狀，置于空氣中不足1 min即發(fā)生自粉化現(xiàn)象，呈現(xiàn)土黃色的粉末狀，圖1～2為自粉化前后對(duì)照?qǐng)D。

圖1 自粉化前的水泥Fig.1 Before the pulverization of cement

圖2 自粉化后的水泥Fig.2 After the pulverization of cement

用BT-1500離心沉降式粒度分析儀測(cè)定自粉化低碳水泥的粒徑分布、用FBT-9全自動(dòng)比表面積測(cè)定儀測(cè)定自粉化低碳水泥的比表面積、用Smart-Lab型X-射線粉末衍射儀測(cè)定水泥的物相、用場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電鏡(ESEM，F(xiàn)EI Quanta 250 FEG)和布魯克能譜儀(EDS，Bruker Quantax 200 XFlash 6|30)對(duì)水泥進(jìn)行顯微形貌觀測(cè)和能譜分析。

按照GB17671-1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法，使用標(biāo)準(zhǔn)砂，取W/C=0.5，制備40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試條，12 h脫模后置于CO2反應(yīng)釜中進(jìn)行碳酸化，其中反應(yīng)釜內(nèi)溫度為25 ℃、含水量為0.2%、壓力為0.3 MPa。8 h后將取出的膠砂試塊置于養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，在不同的齡期測(cè)定其強(qiáng)度。

3 結(jié)果與討論

3.1 自粉化效果和易燒性分析

為研究自粉化低碳水泥的自粉化效果，采用粒徑分布分析和比表面積分析兩種方法對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

對(duì)未經(jīng)任何粉磨的自粉化低碳水泥進(jìn)行了粒徑分布分析，圖3是低碳水泥自粉化后的粒徑分布圖。

從圖3可以看出：平均粒徑在25 μm左右，d50=24.7 μm，d95=65.2 μm，粒徑與粉磨的傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相當(dāng)。

采用勃氏法測(cè)定未經(jīng)任何研磨的自粉化低碳水泥的比表面積。多次測(cè)試取平均值為311.5 m2/kg，由測(cè)試結(jié)果可知自粉化低碳水泥無需粉磨，可直接使用。

為研究該水泥的易燒性，采用乙二醇快速測(cè)定游離氧化鈣分析方法對(duì)燒成的水泥進(jìn)行游離氧化鈣的測(cè)定，多次測(cè)量取平均值約為0.721%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1.5%，說明易燒性良好。

圖3 水泥的粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of cement

圖4 水泥的XRD圖譜Fig.4 XRD pattern of cement

3.2 XRD與SEM/EDS分析

對(duì)制備的水泥進(jìn)行XRD分析，如圖4所示，從圖中可以看出，水泥主要成分為γ-C2S，另外還有少量的C3A、C4AF，與設(shè)計(jì)礦物相吻合。

水泥進(jìn)行掃描分析，從圖5可以看出，自粉化低碳水泥的顆粒邊界分明，主要為板狀，從能譜圖可看出自粉化低碳水泥的主要元素為Ca、Si、O且原子比近似等于2∶1∶4，說明其主要成分為C2S。

圖5 水泥的SEM/EDS圖譜Fig.5 SEM/EDS image of cement

圖6 碳酸化后水泥的強(qiáng)度Fig.6 The strength of cement after carbonation

3.3 強(qiáng)度分析

分別多次測(cè)定碳酸化后水泥試塊1 d、7 d、28 d、60 d、90 d的強(qiáng)度，得平均強(qiáng)度如圖6所示，從圖中可以看出，經(jīng)碳酸化后的水泥試塊抗壓強(qiáng)度大于56 MPa、抗折強(qiáng)度大于8 MPa，且60 d內(nèi)有小幅度地增長(zhǎng)，60 d后強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。

3.4 CO2減排量

現(xiàn)有的水泥生產(chǎn)工藝中，煅燒1t水泥約釋放860 kg CO2，本文研究的自粉化低碳水泥生產(chǎn)過程中可減少15%～20%的CO2氣體排放，即每生產(chǎn)1 t此種水泥約釋放688～731 kg CO2氣體。將這種自粉化低碳水泥與普通水泥生產(chǎn)和使用過程中釋放的CO2氣體進(jìn)行比對(duì)，見表2。

經(jīng)過對(duì)比可知：每噸自粉化低碳水泥比普通硅酸鹽水泥在生產(chǎn)和使用過程中排放的CO2氣體約減少322 kg，即CO2減排量達(dá)37.44%。

表2 CO2釋放量比對(duì)表

4 結(jié) 論

(1)自粉化效果：通過對(duì)粒徑和比表面積進(jìn)行測(cè)試分析得知，制備的自粉化低碳水泥顆粒細(xì)度與經(jīng)破碎、粉磨后的普通硅酸鹽水泥顆粒細(xì)度相差不大，大大降低了水泥出窯后的粉磨能耗;

(2)易燒性：自粉化低碳水泥的燒制溫度為1350 ℃時(shí)，游離氧化鈣含量小于1.0%，生料的易燒性好;

(3)力學(xué)性能：經(jīng)碳酸化后的自粉化低碳水泥，具有能夠滿足工業(yè)要求的強(qiáng)度，說明開發(fā)這種低碳水泥的方案是可行的;

(4)環(huán)保性：自粉化低碳水泥在制備過程中減少了CO2的排放，使用過程中能夠通過吸收CO2具有一定的強(qiáng)度，這種趨于碳零排放的研究方向完全響應(yīng)了國(guó)家的節(jié)能減排政策。

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Preparation of Self-pulverized Low-Carbon Cement by Industrial Raw Materials

QIUMan，GUANXue-mao，LIUSong-hui,DOUZhen-zhen，XUChi，ZHUJian-ping

(School of Materials Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

In order to reduce the energy consumption of clinker burning and grinding power consumption, and reduce CO2gas emissions, this paper presents a new type of cement named self-pulverized low-carbon cement with γ-C2S as the dominant mineral. Its strength is obtained by using accelerated carbonation technology. Research showed that the cement firing temperature is 1350 ℃ and the early strength is high (The compressive strength of 8 h reaches 56 MPa, and the bending strength is greater than 8 MPa). Cement clinker is self-pulverizing, greatly reduced the grinding energy. The CaO content in cement clinker is 40%-50% and greatly reduced the requirements for high quality of limestone raw materials. In the process of production，compared with ordinary portland cement, this cement will reduce 15%-20% of CO2gas emissions, and the using process in a ton of cement will absorb 150-200 kg CO2.

low carbon；γ-C2S；self-pulverize；carbonation

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51272068)

邱 滿(1990-)，女，碩士研究生.主要從事綠色建筑材料方面的研究.

管學(xué)茂，教授，博導(dǎo).

TU526

A

1001-1625(2016)12-3948-04