一种含有90%工业废渣的低碳水泥的性能

摘要：根据超硫水泥的专利技术制备了含90%的矿渣、粉煤灰和氟石膏等工业废渣的低碳水泥，并根据GB1346-2005 和GB175-2008检测了该水泥的一系列物理性能。试验表明：超硫水泥安定性良好，凝结时间延长，标准稠度需水量降低，7d和28d强度较普硅水泥高，且具有良好的流动性。这些特点对水泥稳定碎石、钢管膨胀混凝土、地下工程和大体积混凝土的施工有着重要的意义。

关键词：水泥安定性标准稠度 凝结时间强度

中图分类号：TQ172文献标识码： A

1. 前言

混凝土是全球应用最为广泛的人工材料，保守估计全球每年的用量高度70亿吨，1人均消耗m3。由于每生产1t水泥熟料，要消耗1.6t的石灰石和粘土资源，燃烧0.13t的煤炭，并排放0.9t的CO2，由水泥工业排放的CO2约占全球人为排放量的5%[1]。

中国是世界上水泥产量最大的国家，中国政府承诺在2000-2020年间将单位GDP的CO2排放量降低40-45%，而水泥作为高污染、高能耗和高CO2排放的行业，无疑会深受影响。使用大掺量混合材尤其是工业废渣生产水泥是降低水泥行业碳排放的可行途径，而一般来说，掺加大掺量混合材的水泥配制的混凝土也有着较好的耐久性，这意味着混凝土结构物有着更长的服役时间，从全寿命周期的角度看，这对低碳排放也有着积极意义。

本文研究了一种由5-10%水泥熟料，75%矿渣和粉煤灰，15%氟石膏配制的低碳水泥材料，其中矿渣、粉煤灰和氟石膏都是工业废渣，这意味着该水泥可以将CO2 排放量降低90%以上，并降低90%的煤炭消耗，与传统的硅酸盐水泥相比，其物理性能也比较理想。

2.材料

试验使用了水泥熟料粉和市售的超细高炉矿渣粉，比表面积分别为350和450m2/kg，粉煤灰和氟石膏分别磨细至350m2/kg，材料的化学成分见表1。

Table .1 Composition of the cement and admixtures [wt %]

由表可知，矿渣中CaO和Al2O3的含量较高，矿渣的质量系数为1.59，具有较好的水化活性，适宜配制这种水泥。

3.实验

该低碳水泥由5-10%的水泥熟料和超过90%的混合材制备而成，所用混合材为矿渣、粉煤灰和氟石膏，配制比例见表2，其物理性能如标准稠度需水量、安定性、凝结时间及胶砂强度根据GB1346-2001和GB175-2008进行了检测。

含有较高矿渣掺量的水泥强度与浆体的碱度密切相关，为了解水泥水化过程中浆体碱度的变化，还将上述编号为2的水泥与水以1:1比例拌合，在不同的时间里分别取样进行真空抽滤，然后检测其pH值的变化情况。

Table 2 mix proportion of slag cement (wt%)

4. 结果与讨论

水泥标准稠、安定性和凝结时间的试验结果见表3，胶砂强度结果见表4，水泥浆体中钙矾石定向结晶及浆体pH值随时间的变化见图1和2。

Table 3Physical properties of cement

由表3可知，与普通硅酸盐水泥相比，超硫水泥的初凝和终凝时间普遍延长2个小时，说明一方面熟料用量较少，早期水泥颗粒之间形成的结合点较少，另一方面石膏具有缓凝作用，由于化学键的形成更加缓慢，它对普通硅酸盐水泥的凝结也具有延缓作用。

含有90%工业废渣的水泥的安定性都合格，说明虽然超硫水泥中SO3含量较高，但由于水泥碱度较小（pH=10.8-12.5），钙矾石（Aft）以溶解-析晶形式形成，水化产物主要向孔隙内定向生长，见图1和图2,因此不会引起试件的膨胀和破坏[2]。

Table 4 Compressive/flexural strength of low-carbon cement[MPa]

由表4可知，低碳水泥的3d强度较低，但7d以后迅速上升，28d强度接近P.O42.5基准水泥，其中2号样品甚至高于基准水泥。水泥强度与水化产物钙矾石和水化C-S-H的数量密切相关，水化初期，由于水泥熟料少，水泥浆体呈弱碱性，矿渣溶解较慢，且由于石膏缓凝，水化产物的数量较少，强度发展缓慢。随着水化的进行，水泥熟料释放出更多的CaO致使浆体碱度升高并提供了更多的钙离子，致使矿渣溶解加速并释放出较多的铝酸根离子，同时，石膏的溶解也提供了更多的钙离子和硫酸根离子，使得以下反应加速进行：

在形成钙矾石的方程式中，左侧反应物的浓度决定了反应的进程，尤其是铝酸根离子的浓度决定着反应的速度和平衡[3]。本实验中，矿渣Al2O3 和 CaO含量较高，具有较高的活性，加之浆体的碱度和pH适宜，所以获得了较高的最终强度。

5. 结论

5.1 掺加90%工业废渣的低碳水泥具有良好的安定性，其标准稠度需水量较低，凝结时间延长。

5.2超硫水泥3d强度较低，但后期增加明显，配比得当时28d强度甚至高于普通硅酸盐水泥。

5.3随着水化的进行，抽虑的超硫水泥孔溶液pH值逐渐增加，最高达到12.26，30h后下降至11.75，这一碱度对钙矾石的形成十分有利，有助于获得较高的最终强度。

参考文献

[1]. Ellis Gartner. Industrially interesting approaches to “low-CO2” cements, Cement and Concrete Research, Volume 34(2004), p1489.

[2]. Bryant Mather. Letter to editor: ettringite terminology. Cement and Concrete Research, Volume 26(1996), p 1745.

[3].Quan-lin Niu, Nai-qian Feng. Inhibiting Effect of Mineral Powder on Sulfate Attack of Cement Mortar, Key Engineering Materials Vols. 302-303 (2006) pp 73-78