碱渣制备超细碳酸钙在水泥砂浆中的应用研究

广东建材2020年第9期碱渣制备超细碳酸钙在水泥砂浆中的应用研究
郭文瑛廖镜明蔡燕飞陈珊珊米浚荣林焕杰
（华南理工大学土木与交通学院）
【摘要】碱渣是指氨碱法生产纯碱过程中产生的工业废渣，我国每年都有大量的碱渣无法处理。

利用碱渣制备超细碳酸钙粉，采用正交试验方法对超细碳酸钙、粉煤灰、矿渣复掺的正交试验。

结果表明：①对于低强度等级砂浆（M7.5），矿物掺合料的掺入对砂浆的稠度、
表观密度和保水性无显著影响，但会显著降低砂浆的早期强度，其中超细碳酸钙粉的影响最大；②对于高强度等级砂浆（M15），矿物掺
合料对其影响规律与低强度等级砂浆的相同；③碱渣制备的超细碳酸钙粉可用于水泥砂浆中，对砂浆
工作性能和保水性能基本没有影响，但会降低砂浆的强度，
其用量不能过大。

【关键词】超细碳酸钙；砂浆；正交试验；碱渣
0引言
碱渣是指氨碱法生产纯碱过程中产生的工业废渣。

近年来我国纯碱年产量持续增长，
产生的废渣量也随之增大。

2017年中国纯碱
（碳酸钠）产量累计达2677.1万吨，其中大约49%的纯碱采用氨碱法进行生产[1]。

由于氨碱法纯碱生产工艺的特点，每生产1吨纯碱就需要向外排放大约1吨的碱渣[2]，按此计算，2017年我国大约产生1000万吨碱渣。

高巍通过能谱分析发现碱渣主要成份为CaCO 3，其次为氯化物CaCl 2、NaCl 和少量氧化物及SiO 2等[3]。

而建筑材料对CaCO 3的需求量是巨大的，如果能将碱渣中的碳酸钙应用到建筑材料中，既能使碱渣变废为宝，又能为建筑材料的生产提供大量的碳酸钙，但有两个问题
亟待解决：一是碱渣成团，在介质中难以均匀分散；
二是碱渣中存在大量的氯离子，
氯离子对钢筋有很强的锈蚀作用，会严重影响建筑的耐久性。

通过表面活性剂[5]可以分散碱渣制备出超细碳酸钙，并在同时除去氯离子，从而达到在建筑材料中应用的要求。

徐迅、卢中远的研究表明，
超细碳酸钙掺加到建筑材料中所产生的物理填充效应、水化效应、
晶核效应可以使其均匀分布在建筑材料孔隙中，有效增加材料密实度[6]；另一方面，超细碳酸钙的比表面积很大，掺加到建筑材料中会降低其流动性，提高其保水性。

本论文对表明活性剂制备的超细碳酸钙在水泥砂
浆中应用进行研究，为碱渣在建筑材料中的应用提供参考。

1实验原材料及实验方法
1.1实验原材料
⑴超细碳酸钙：利用分散剂制得的超细碳酸钙，
其主要性能见表1。

⑵水：
自来水。

⑶砂：本文实验所用砂为II 区河砂，
含泥量0.5%，氯离子含量0.002%，细度模数2.5，筛分结果见表2。

⑷水泥：本文实验所用水泥为珠江水泥厂的越秀牌
项目来源:广东省自然科学基金博士启动纵向协同项目
（2017A030310060）表1超细碳酸钙粉主要性能
含水率/%可溶Cl -含量/%
D 50/μm 98.46
1.338
9.21429
表2河砂筛分结果
筛孔尺寸/mm
累计筛余/%
4.7552.36131.18250.6360.3720.15
99
材料研究与应用
1--
广东建材2020年第9期
表7M7.5砂浆试验结果
编号稠度/mm 表观密度/(kg ·m -3)保水性/%抗压强度/MPa 3d 7d 28d B144199085.10 5.17.810.6B240202087.62 4.6 5.910.3B343202093.49 2.4 3.87.8B441202093.56 3.6 4.78.2B546198088.29 4.6 5.410.0B640201096.67 4.2 5.48.9B740198092.47 4.0 5.58.4B856200091.67 3.9 5.39.0B9
50
1970
88.14
4.4 6.310.6
表8M7.5砂浆试验结果的正交分析
性能稠度表观密度保水性抗压强度3d 7d 28d
显著性
B ———*——
C ———*——D
—
—
—
**—
—
注：“**”表示非常显著；“*”表示显著；“—”表示不显著。

水泥P ·II42.5R 水泥，其性能指标见表3。

⑸粉煤灰：
本文所用粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其性能指标见表4。

⑹矿渣微粉：本文所用矿粉为唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司产S95粒化高炉矿渣粉，其性能指标见表5。

1.2试验方法
按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70－2009）中稠度、保水性、表观密度和抗压强度试验方法对水泥砂浆性能进行检测。

2超细碳酸钙在水泥砂浆中的应用研究
2.1试验方案
本试验以超细碳酸钙、粉煤灰、矿渣的掺量为因子，
设计不同强度等级（M7.5、M10和M15）水泥砂浆的正交
试验配合比，采用L9（34）正交表，因素水平如表6所示。

研究各因子对水泥砂浆的工作性能和力学性能的影响。

M7.5砂浆的水胶比为1，灰砂比为1:5；M15砂浆的水胶比为0.65，灰砂比为1:3。

2.2试验结果及分析
2.2.1砂浆M7.5
M7.5砂浆试验结果和正交分析结果见表7和表8。

从表中数据和图1中可见，加入矿渣微粉、
粉煤灰和超细矿渣粉均会对砂浆的强度产生显著影响，
尤其是在早期，随着矿物掺合料的用量的增多，砂浆的强度降
低。

由于低强度等级砂浆所用的胶凝材料用量较少，
水胶比大，
需要较多的水化产物填充到砂浆空隙中。

在早期（3d），由于砂浆中水泥的用量较少，
水泥水化生成的水化产物少，
而砂浆中的空隙多，水泥水化产物只能填充部分空隙，故掺入矿物掺合料后砂浆的强度降低胶多；随着龄期增长，水泥水化程度增大，且矿物掺合料与水泥的水泥产物发生二次水化反应，产生具有一定强度的水化产物，砂浆中水化产物增多，空隙被大量的水化
2
10%10%10%3
15%
15%
15%
图1矿物掺合料对M7.5砂浆强度性能的影响
（a）3d （b）7d （c）28d
表3水泥物理性能
比表面积/(m 2·kg -1)凝结时间/min 安定性抗折强度/MPa 抗压强度/MPa 初凝终凝3d 28d 3d 28d 381181274合格 6.19.129.148.1
表4粉煤灰物理性能
细度/%需水量/%
烧失量/%含水率/%23.6
98
4.84
0.15
表5矿渣微粉物理性能
密度/(g ·cm -3
)比表面积
/(m 2·kg -1)活性指数/%
流动度比
/%SO 32-含量
/%7d 28d 2.9
410
80102
104
0.61
材料研究与应用
2--
广东建材2020年第9期
表10M15砂浆试验结果的正交分析
性能稠度表观密度保水性抗压强度
3d 7d 28d 显著
性
B ——————
C ————*—D
—
—
—
**
**
—
注：“**”表示非常显著；
“*”表示显著；“—”表示不显著。

表9M15砂浆试验结果
编号稠度/mm 表观密度/(kg ·m -3)保水性/%抗压强度/MPa 3d 7d 28d D1
37211086.9612.316.024.9D257209091.2510.315.122.4D339210093.57 5.610.719.4D447211094.00 5.810.819.6D557214090.399.414.521.1D663215090.389.515.622.0D751213090.277.912.719.3D858212092.387.313.419.2D9
61
2140
88.76
10.515.623.3
图2矿物掺合料对M15砂浆强度性能的影响
（a ）3d （b）7d （
c）28d
产物填充，因此，砂浆的强度相差不大，矿物掺合料对砂浆强度的影响没有前期的大。

三种矿物掺合料中以超细碳酸钙粉对砂浆的强度影响最大，降低砂浆的强度最多。

由于碳酸钙是一种稳定的物质，不会与水泥的水化产物发生二次水化反应，
仅作为晶核促进水泥的水化，
故降低砂浆强度最多。

矿渣微粉和粉煤灰会与水泥的水化产物发生二次水化反应，能够在改善砂浆的强度。

从图1中的实验数据可得，最佳矿物掺合料组合为：矿渣10%，粉煤灰10%，超细碳酸钙5%。

2.2.2砂浆M15
M15砂浆试验结果和正交分析结果见表9和表10。

从表9、表10的数据和图2中可见，加入粉煤灰和
超细碳酸钙粉均会对砂浆的强度产生显著影响，
随着矿物掺合料的用量的增多，砂浆的强度降低。

由于高强度
等级砂浆所用的胶凝材料用量较多，
水胶比低，砂浆中的空隙较少，而砂浆中水泥早期的水化产物较多，
因此，砂浆的强度差异较低强度等级砂浆的小，
但由于矿物掺合料粉煤灰和超细碳酸钙粉活性较差，故对砂浆的强度
产生显著影响。

随着龄期增长，水泥水化程度增大，
且矿物掺合料与水泥的水泥产物发生二次水化反应，产生具
有一定强度的水化产物，砂浆中水化产物增多，空隙被大量的水化产物填充，
因此，砂浆的强度相差不大，矿物掺合料对砂浆强度的影响没有前期的大。

三种矿物掺合料的影响规律与低强度等级砂浆的基本一致。

从图中的实验数据可得，最佳矿物掺合料组合为：矿渣10%，粉煤灰10%，超细碳酸钙5%。

3结论
⑴对于低强度等级砂浆（M7.5），矿物掺合料的掺入
对砂浆的稠度、表观密度和保水性无显著影响，
但会显著降低砂浆的早期强度，其中超细碳酸钙粉的影响最大。

⑵对于高强度等级砂浆（M15），矿物掺合料对其影
响规律与低强度等级砂浆的相同。

⑶碱渣制备的超细碳酸钙粉可用于水泥砂浆中，
对砂浆工作性能和保水性能基本没有影响，
但会降低砂浆的强度，其用量不能过大。

【参考文献】
[1]2017年全国纯碱、氯化铵产量[J].纯碱工业,2018,(3):15.[2]李月永,闫澎旺,祁寿篪,等.碱渣与碱渣土的微结构分析
[J].粉煤灰,1998,(4):14-17.
[3]高巍,倪文.碱渣及其在工程建筑方面的应用现状及展望
[A].中国硅酸盐学会工艺岩石学分会.第六届尾矿与冶金渣综合利用技术研讨会暨衢州市项目招商对接会论文集[C].中国硅酸盐学会工艺岩石学分会:中国硅酸盐学会,2015:7.
[4]蒋惠亮,殷福珊,邓丽,等.表面活性剂对超细碳酸钙的防团
聚作用研究[J].无机盐工业，2006,38(10):36-38.
[5]邓丽,吉捷,蒋惠亮,等.表面活性剂工业应用新探--制备超
细碳酸钙[J].日用化学工业，2002,32(5)：14-16.
[6]徐迅,卢忠远.超细碳酸钙对水泥强度性能和微观结构的影
响研究[J].山东建材，2008,（04）：39-42.
材料研究与应用
3--。