工业废渣作为水泥混合材的若干问题思考

工业废渣作为水泥混合材的若干问题思考摘要：简要分析了水泥混合材应用现状，水泥企业在利用工业废渣作为混合材的过程中应加强自身应用技术的开发，合理使用废渣，同时应基于调节水泥性能、适应混凝土工作性出发，用好废渣。

关键词：水泥，工业废渣，混合材，混凝土工作性能0.引言我国固体废渣年排放量已达6～7亿吨[1]，加上连年积存的几十亿吨，其数量是十分惊人的。

随着我国工业化进程的加速，工业废渣的排放量还会不断增加。

这些工业废渣占用大量耕地，污染环境，已成为一大社会公害。

而另一方面，工业废渣却又大多有可利用价值，是可再利用资源。

根据现有水泥生产工艺特点、水泥熟料化学与矿物组成及水泥组份水化特性，众多的研究表明，许多工业废弃物是水泥工业的重要资源或替代物，可以说水泥厂是不需投资的废弃物处理工厂。

事实上，从上世纪50年代我国就研究利用工业废渣生产混合水泥，取得了丰硕成果，早在1995年全国冶金、煤炭、电力、矿产业和化学工业排渣6亿吨，水泥工业作混合材用渣9千万吨，用作原料或其它近2千万吨[2]，是我国固体工业废渣的重要“用户”。

半个多世纪来，我国许多学者和水泥工作者，基于资源替代、降低热耗、调节水泥性能等行业自身发展的需要，在工业废弃物水泥资源化开发利用方面做了大量工作，理论上取得了重大进展，应用技术上获得了许多成果，企业生产上废渣利用比例不断攀升，行业利废总量也大幅度提高，为工业废弃物综合利用，减轻环境压力作出了重要贡献，同时行业自身也取得了良好的经济效益。

但不可否认的是，水泥行业在废弃物资源化应用方面也存在着许多不仅人意，亟待解决的问题，本文就水泥混合材应用中的几个问题作肤浅讨论，供同仁参考。

1.把好品质关，不泛用混合材混合材技术始于建国初期，是为适应当时我国水泥产量过低而产生的[3]。

但目前大部分水泥厂已演变为以降低生产成本为主要目的，甚至为掩盖劣质水泥的某些性能而使用，泛用混合材。

其实用于水泥的混合材料，国家是有规范规定的，如对用于水泥的粉煤灰规定了需水量比、烧失量、三氧化硫含量、水分以及相关的活性指标，并明确规定用作水泥混合材料的粉煤灰必须达到一定的质量要求，符合相应的粉煤灰标准方可生产和使用；但一些企业并未严格执行规范和标准，在未进行任何处理的情况下，使用一些指标不符合规范的混合材，存在着严重的质量危机。

2.利用化学互激发，合理复合使用混合材研究表明，一些高温形成的废渣如粉煤灰、高炉矿渣等的活性主要来源于其玻璃体和一部分具有活性的晶体矿物，且铝硅酸盐含量较高，同时研究还表明，凡天然或人工的铝硅酸盐粉末，其本身虽无水硬性，但在强碱或（和）硫酸盐的作用下均能水解并生成水化物[4]，当然水泥水化环境本身也具备这一条件。

英国阿伯丁（Aberdeen）大学泰勒教授认为水泥水化的主要驱动力之一就是酸碱反应，据此观点，水泥中酸性活性混合材在碱性水泥浆体水化过程中的作用，势必有利于增加水泥某一水化阶段的驱动力，从而也可提高水泥石在该阶段的力学强度[3]。

无论是激发理论还是酸碱反应理论，在实际应用过程中除考虑水泥水化体系的碱环境和石膏可能带来的硫酸盐作用外，更应该关注复合掺加混合材互相之间的激发作用，也就是说企业在实际应用过程中，在不违返现行通用硅酸盐水泥国家标准的前题下，加强对“一定量的其他混合材”对掺入的主要混合材的活性激发的应用实验，不应将“复掺”停留在“充数”、或降低成本的水平。

事实上，一些企业的应用和一些研究者的试验也充分说明这一点[5-8]。

3.分别粉磨，合理激活混合材早在1958年9月13日出版的期刊《建筑材料工业》上，B.H.沙大林，M.H.斯特列尔科夫等在“快硬矿渣波特兰水泥生产工艺参数与特点”一文中就熟料（含石膏）与矿渣分别并分段粉磨做了相关实验[9]；后在1959年5月16日出版的期刊《建筑材料工业》上，琉璃河水泥厂的张志远等在题为“措施落实国家计划就能保证完成”的文章中介绍了当时琉璃河水泥厂改混合粉磨为分别粉磨，取得台产提高，质量稳定的相关经验，同时该文中还提到本溪水泥厂采取分别粉磨所取得的效果[10]。

由此可见，水泥熟料与混合材分别粉磨在我国其实早有研究，也有企业实践，并在当时就取得了一定效果[9-10]；后在上世纪70、80年代，一些研究者对分别粉磨的问题做了一定研究，并倡导分别粉磨；近十多年来，研究范围拓展，研究更为深入，从基础理论到应用技术，直至企业生产，基本结论是：分别粉磨有利充分发挥水泥熟料本身水化活性、激发混合材潜在活性、合理改善水泥颗粒级配、便于调整水泥品种、降低水泥需水量，改善水泥性能、增加混合材掺量、节约粉磨电耗、降低生产成本[11-21]。

其实，不同物料由于组成、结构不同，其粉磨特性也不同，采用不同的措施、不同的方法、不同粉磨工艺要求分别粉磨是符合物质本身特性和客观规律的。

综上所述，生产中采取分别粉磨是激活混合材活性，提高混合材掺量的有效途径。

另外，企业在生产实践中，还应注意，有些物料共同粉磨时是存在选择性粉磨的，如熟料促进石灰石的粉磨，石灰石则对熟料粉磨有一定阻碍作用[11]，显然对这类物料应采取分别粉磨；而也有些物料共同粉磨时，互相之间是有互相促进助磨作用的，应共同粉磨。

因此企业在实际操作中应区分对待，结合自身所用混合材和熟料的性质，通过相应实验，合理选择、确定粉磨工艺方案。

4.综合处理，合理利用低品质混合材评判混合材品质高低的指标主要可分为两类，一是活性指标，二是有害组份控制指标。

对于低活性废渣，如上所述可通过适当方式激发其潜在活性，当在其他指标符合要求的情况下，也可作惰性混合材适量掺入。

根据现行国家标准与相关规范规定，有害组份超标的废弃是严禁作为混合材在水泥生产中使用的，但这类废渣在工业废渣中所占的比例远远高于“可用”渣一类，因此如何合理有效地利用这一类废渣，对于我们拓宽废渣的利用范围，减轻社会环境压力，意义是十分重大的。

所谓有害组份指标主要是指烧失量、三氧化硫含量、需水量比、水份及Cl-、碱含量等，其实在很多情况下，有些指标超标是可以通过适当方式进行处理的[22-28]。

一可以通过化学反应、吸收、消解等进行处理，如烧失量、三氧化硫含量、水份、Cl-、碱含量等。

二可以通过物理混合，平衡组份比例，降低相应超标指标。

三可以通焙烧、煅烧、加热烘干、脱水等处理，降低烧失量、水份等，经过这种方法处理还可能提高相关废渣活性。

对于某些低品质废渣，富含某成份时，可以结合企业自身生产情况，作为水泥生产的其他替代材料开发，如高CaO含量的废渣，可以作为石灰石替代材料；富含三氧化硫即具石膏性能的废渣可作为缓凝剂开发，如电解锰渣等[22、23、25]；烧失量高富含热值的可作为替代燃料开发。

对于碱含量偏高的废渣，应根据国家标准对水泥中碱含量的要求和所使用熟料、主要混合材碱含量等要求，在碱总含量不高的情况下，可少量作为主要混合材的碱激发剂掺入。

5.加强工艺管理，稳定材料成份，提高混合材掺量目前一些水泥企业（含粉磨站）在配制水泥时，熟料用量已降至40%以下，也就是说混合材已成为水泥行业窑后的最主要材料，而这类材料往往来源复杂，成分、性能波动较大，南方地区又受雨水、吸潮等影响，水份含量偏高。

大量掺入时水泥质量波动较大，这是制约混合材正常掺入的主要因素之一，因此企业生产时应加强工艺管理，酌情采取措施。

（1）加强窑前工艺，合理设计熟料组成，合理煅烧，合理提高熟料强度，稳定熟料质量，改善熟料性能，是提高混合材掺入量的根本。

（2）对于粉磨站，由于熟料来源不一定稳定，因此，一方面应适当增加熟料储备量，另一方面应利用熟料进厂堆放的有利时机，对进厂熟料进行必要的混合均化，以提高进磨熟料的稳定性。

（3）对于混合材来源较复杂的企业，应对同类质材料进行混合均化；而对不同类质材料应严格分别堆放，不要混堆。

（4）高水份混合材料，必须进行烘干处理，水份符合粉磨工艺要求时方可入磨。

这一问题往往被一些企业轻视，入磨水份高不仅粉磨系统产量大幅度降低，同时会造成收尘、输送设备的堵塞与破坏，引起均化、储存库的工作不正常，导致水泥质量波动。

企业在生产时必须根据所用混合材水份含量和企业粉磨系统的特征，酌情采取相应工艺措施对水份进行处理。

6.适时调整水泥组成，适应混凝土的工作性能，用好混合材水泥作为一种胶凝材料，是一种中间产品，最终是要做成水泥基材料的，而目前最主要的就是水泥混凝土（下简称混凝土）。

众所周知，混凝土材料在国民经济建设中起着不可替代的重要作用，其质量好坏直接关系到人民生命财产安全，而混凝土强度和耐久性是其安全性的关键。

混凝土强度和耐久性除与混凝土原材料的品质、配合比设计、成型养护及使用保养等因素有关外，新拌混凝土诸如流动性、粘聚性、保水性等工作性能是确保混凝土耐久性的前提。

影响混凝土工作性的因素很多，主要有用水量、减水剂或其他外加剂、集料配比与集料性质、水泥组成与性质、掺合料、水泥温度和环境温度、经时损失等[29]，另外水泥与外加剂相容性的问题不仅影响混凝土工作性能，有可能导致混凝土的强度降低，安定性不良，甚至直接破坏。

就水泥组份与性能而言，水泥越细，表面积越大，吸附水就越多，水化反应消耗水的速度也越快；水泥中C3A、C3S含量越高，水化反应越快，消耗水的速度越快，这些都会降低工作性。

工程中还应重视水泥温度和环境温度的影响，拌合物拌和时水泥温度越高，越不利于工作性，环境温度越高，水向环境蒸发和水泥水化反应的速度越快，不利于工作性。

水泥与外加剂相容性问题是目前不少水泥企业与商品混凝土企业比较敏感的问题，除外加剂本身结构、性能及掺合料等因素外，就水泥而言，影响相容性的因素也是较多且较复杂的。

研究表明：提高水泥与外加剂的相容性，应提高熟料中的硅酸盐矿物含量，降低铝酸盐，特别是C3A的含量；煅烧温度高、煅烧气氛好、高温段冷却速度快的熟料所磨制的水泥与外加剂具有较好的相容性；硬石膏做调凝剂的水泥用于混凝土时，会产生异常凝结（假凝），混凝土拌合物的流动体在很短时间内损失很大，使外加剂表现出不好的相容性；如果水泥粉磨过程中磨机内部温度过高，有一部分二水石膏脱水形成半水石膏或硬石膏，也会出现与外加剂相容性差的现象；水泥中混合材的种类、细度、颗粒形貌及掺量等对外加剂的吸附作用是不同的，外加剂对矿渣、粉煤灰、石灰石的相容性较好，对火山灰、煤矸石、沸石等比表面积大、吸附性强的混合材相容性较差；水泥的比表面积增大，水化速度加快，对外加剂吸附作用增强，因而，外加剂的用量增大，流动性经时损失加大，表现出相容性变差；同一比表面积的水泥颗粒分布越宽，水泥浆的流动性越好，外加剂用量会越少，但流动性的经时损失较大；水泥颗粒圆度系数提高，对减水剂饱和掺量影响不大，但可以提高水泥浆的流动度和混凝土的坍落度，减小坍落度的经时损失；随着水泥中碱含量的增大，减水剂对水泥的塑化效果变差，碱含量的增大，还会导致混凝土凝结时间缩短、坍落度经时损失变大；水泥陈放时间越短，出磨水泥温度越高，减水剂对水泥的塑化效果越差，减水率越低，混凝土拌合物坍落度经时损失越大，因此，陈放时间稍长的水泥有利于提高相容性[29]。