【摘 要】
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工业的快速发展,使得大宗工业固废产量剧增。我国的磷石膏、铝灰和钢渣堆存量大,存在极大污染隐患,在生态压力与资源利用激励政策的驱动下,开展和加深无害及资源化利用研究势在必行。针对此,本文从协同处置原则出发,尝试利用铝灰、磷石膏和热焖钢渣的化学组成与水化特征的互补,开发铝灰-磷石膏-钢渣基高硫铝胶凝材料的可行性,使之具备高强快凝性能,用于替代硅酸盐水泥使用。第一部分,以磷石膏为高硫材料,铝酸盐水泥为高
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工业的快速发展,使得大宗工业固废产量剧增。我国的磷石膏、铝灰和钢渣堆存量大,存在极大污染隐患,在生态压力与资源利用激励政策的驱动下,开展和加深无害及资源化利用研究势在必行。针对此,本文从协同处置原则出发,尝试利用铝灰、磷石膏和热焖钢渣的化学组成与水化特征的互补,开发铝灰-磷石膏-钢渣基高硫铝胶凝材料的可行性,使之具备高强快凝性能,用于替代硅酸盐水泥使用。第一部分,以磷石膏为高硫材料,铝酸盐水泥为高铝材料,热炖钢渣为高硅材料,水玻璃为碱激发剂,研制了免烧型高硫铝复合材料HPA。在水化0-28 d内,测试了材料的抗压强度和膨胀率,并分析了磷石膏、热焖处理钢渣和铝酸盐水泥的水化协同机理。结果表明:（1）通过0.300 mm筛的钢渣微粉具有良好的骨架填充和水化胶凝性能;（2）水玻璃在水化过程中可以提高钢渣表面玻璃网络结构的溶解速率,促进钢渣与铝酸盐水泥之间形成C-A-S-H;（3）铝酸盐水泥与磷石膏反应形成的钙矾石能抑制C-A-H水化过程中的相变收缩;（4）若铝酸盐水泥比例过高,大量钙矾石和C-A-H会迅速形成并覆盖钢渣表面,这在一定程度上阻碍了 Na2SiO3对钢渣玻璃网络结构的溶解促进作用。第二部分,通过高温煅烧除去铝灰中的危害组分AlN,然后以铝灰作高铝组分替代铝酸盐水泥,配合磷石膏和硅酸盐水泥开发新型高性能富硫铝胶凝材料。未经脱氮处理的铝灰因富含AlN导致水化材料膨胀开裂,于是试验还着重分析了铝灰在热处理中的元素迁移转化规律。试验结论有:（1）FactSage理论分析表明,当温度为1226.5℃时,AlN被O2氧化的反应速率达到最大;（2）低温时铝灰中单质铝被AlN包裹,升温到600℃,表层AlN首先被O2氧化,裸露出的单质铝会被N2氧化;（3）700℃后,铝灰中钠与钾的氟氯盐发生升华,且升华速率随温度升高而变大;（4）1000℃后,K和Na就可与Al2O3结合生成KA102和NaAlO2;（5）考虑到AlN的脱除率和Al2O3从γ型向α型的晶型转变,900℃为提高其水化活性的适宜温度;（6）铝灰、磷石膏和硅酸盐水泥按质量比14%:6%:80%掺加时,HAD/PG/PC试件抗压强度达到最高;（7）经900℃煅烧后的铝灰会通过参与合成AFt和C-A-H来提升浆体强度,且能在水化时协同固化可溶磷与可溶氟。第三部分,将磷石膏、石粉和铝灰配合,在高温环境下直接热合成高硫高铝的CAS,再与磷石膏、普通硅酸盐水泥熟料和热焖钢渣粉协同制备高硫铝复合胶凝材料。试验分析了煅烧温度、原料配比、保温时长和生料成型方式对烧成CAS的影响和复合胶凝材料的水化性能,结果表明:（1）Lim/AD/PG合成CAS的最佳温度在 1200-1250℃间;（2）当 Lim/AD/PG 掺比为 3:3.75:1 和 0:3:3 时,CAS砂浆试件生成更多的胶凝物质能够填充有害孔,使PCC/PG/CAS的强度提升最为明显;（3）Lim/AD/PG配合比为3/3/1和3/3/0时,合成产物CAS中的铝酸钙可有效提升钢渣的水化活性,使生成的胶凝结构能够更好的联结钢渣颗粒,使其抗压强度接近或超过普通硅酸盐水泥;（4）过长的保温时间不利于合成CAS中的氟元素被固化,CAS中铝酸钙水解可有效固化PO43-,降低磷石膏可溶磷浸出风险。本研究证明了以磷石膏、铝灰和热焖钢渣协同制备高硫铝胶凝材料可行性,为大宗量固废铝灰、磷石膏和钢渣资源的协同利用提供理论依据。
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