铝灰替代部分高铝矾土生产铝酸盐水泥CA50的研究

相比硅酸盐水泥,铝酸盐水泥快凝、快硬、早强、高强,特别是在耐高温、耐高温流体侵蚀、抗热震等方面表现更为优异,其因此成为耐火浇注料、耐火型材领域应用最为广泛的高温粘结剂。铝酸盐水泥的生产制备主要以铝矾土为原料,一般要求铝矾土原料中Al₂O₃含量≥73.5wt%。然而,我国铝矾土总储存量不大,约占全球储量的3%,且能够满足铝酸盐水泥熟料生产所需的高品位铝矾土储量更为有限,这也是造成铝酸盐水泥的生产制备成本和市场售价长期处于高位的主要原因之一,因此寻找高品位铝矾土的替代性原料成为铝酸盐水泥可持续发展的关键。铝灰是在一次和二次铝工业中排放的废弃物,主要由金属铝、氧化铝、铝的氮化物和碳化物组成,目前国内铝灰年排放量超百万吨,多数直接丢弃或填埋,不仅污染环境,同时也是对铝资源的极大浪费。一次铝灰中Al₂O₃含量高,具有部分替代高铝矾土的潜力,国内已有实践利用铝灰替代部分铝矾土制备硫铝酸盐水泥熟料,取得了较好效果,但也存在缩短凝结时间的现象,从而在夏天使用受限。围绕铝酸盐水泥工业发展对高品位铝矾土替代性原料的迫切需求,针对一次铝灰Al₂O₃含量高的有益特点,本研究以铝灰部分替代高铝矾土配制了铝酸盐水泥生料,利用示差扫描量热法（TG-DSC）确定了生料的煅烧制度;利用X射线衍射（XRD）,X射线荧光分析（XRF）,环境扫描电镜（ESEM）以及能谱分析（EDS）等方法研究了铝灰的替代掺入对所制备铝酸盐水泥熟料矿物组成影响;此外,对所制备铝酸盐水泥的物理力学性能进行了分析。获得的研究结果如下:（1）铝灰的主要化学成分与高铝矾土相似,从成分角度看可以替代部分高铝矾土用于制备铝酸盐水泥CA50熟料。（2）铝灰可以部分替代高铝矾土制备铝酸盐水泥,其最大掺入比例宜满足配料计算熟料中R₂O≤0.50%,矿物组成中CA+CA₂≥60%的要求（本研究条件下铝灰最大掺入为5.50%）,所制备的熟料性能满足国家标准GB/T201-2015《铝酸盐水泥》CA50-Ⅰ要求。（3）熟料制备在节能型快速升温高温箱式电炉（类似中空窑）高温煅烧过程中,碱组份、SO₃、Cl^-易发生挥发,从而使熟料（化学分析）中R₂O、SO₃、Cl^-含量满足标准要求。随着铝灰、沸煮铝灰掺入量的增加,可以改善铝酸盐水泥生料的易烧性,促进游离氧化钙和氧化铝的吸收,降低烧成能耗。（4）铝灰替代高铝矾土制备的熟料会抑制早强矿物CA的形成,使矿物CA₂增加,且晶体尺寸变小。铝灰掺比小于5.50%时,对熟料的早强会有一定的影响,主要是6h强度略有降低,但不影响整体强度的发挥,而且1d、3d龄期的抗压强度富余较多。但铝灰、沸煮铝灰大比例掺入,因SiO2、MgO带入量明显增加,相应的C2AS、MA含量增加,CA、CA2含量及CA+CA2合量都大幅降低,致使所制备的熟料强度大幅降低,性能已不能满足国家标准GB/T201-2015《铝酸盐水泥》CA50-Ⅰ要求。本试验条件下,满足CA50-Ⅰ要求的铝灰最大掺比为5.50%。（5）沸煮铝灰掺入制备的熟料对CA、CA2的形成影响较小,且会使CA₂晶体尺寸变大。可考虑调整沸煮铝灰掺入比例,使制备的熟料中CA+CA₂合量大于60%,检测其物理性能以便进一步研究沸煮铝灰的适宜掺比,提高铝灰的处理能力。（6）随着铝灰、沸煮铝灰掺入比例的增大,所制备的铝酸盐水泥胶砂标准稠度用水量相应增加,水泥强度成型用水灰比也相应增加。特别是水灰比的增加,将不利于铝酸盐水泥强度的发挥和增长,这可能与带入的微量元素,特别是F^-含量增加有关,还有待进一步研究。研究结果表明,铝灰可以部分替代高铝矾土制备铝酸盐水泥熟料,所制得的铝酸盐水泥熟料经磨细制备的铝酸盐水泥满足GB/T 201-2015《铝酸盐水泥》CA50-Ⅰ级铝酸盐水泥要求,不仅降低了铝酸盐水泥的生产成本,还可以减少铝灰对环境的污染,实现了资源综合利用。由于铝酸盐水泥的特殊性能和用途,铝灰的化学组成与铝矾土相似,但其物相存在形态差异较大,制备的铝酸盐水泥熟料矿物组成上发生了明显的变化,因此采用铝灰制备铝酸盐水泥还需要进一步的研究,以降低铝酸盐水泥的生产成本,拓宽其应用领域。