【摘 要】
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据统计,2019年中国水泥产量为2.34×10~9吨,约占世界产量的57%。水泥制造是一个高消耗、高污染的行业。大量水泥的生产加剧了自然资源的消耗和环境的污染。与此同时由于工业固废的利用方法和利用率的不足,煤矸石和电石渣的堆存量逐年增高,对自然环境造成了严重的污染。如果能以煤矸石、电石渣为基材制备出绿色的、可替代普通硅酸盐水泥的胶凝材料,那将大大提高电石渣和煤矸石的利用率,并且还可以减少水泥行业对
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据统计,2019年中国水泥产量为2.34×10~9吨,约占世界产量的57%。水泥制造是一个高消耗、高污染的行业。大量水泥的生产加剧了自然资源的消耗和环境的污染。与此同时由于工业固废的利用方法和利用率的不足,煤矸石和电石渣的堆存量逐年增高,对自然环境造成了严重的污染。如果能以煤矸石、电石渣为基材制备出绿色的、可替代普通硅酸盐水泥的胶凝材料,那将大大提高电石渣和煤矸石的利用率,并且还可以减少水泥行业对自然资源的消耗和对环境的污染。所以本文对以煤矸石、电石渣为基材,协同使用少量钢渣、二水石膏和碳酸钙制备固废基贝利特-硫铝酸盐水泥的可行性进行了研究,主要研究内容与结论如下:(1)通过XRD、扫描电镜以及游离氧化钙测定等分析方法初步确定了固废基贝利特-硫铝酸盐水泥的煅烧制度,其煅烧制度为1320℃保温40min。并对在煅烧制度下所制备的水泥熟料进行了矿物成分分析,结果表明:水泥熟料中主要以硅酸二钙和硫铝酸四钙为主,并含有少量的铁铝酸四钙和硬石膏。通过对贝利特-硫铝酸盐水泥工作性能的测试发现,其具有较高的早期强度、后期强度以及较快的凝结时间。贝利特-硫铝酸盐水泥3d的抗压强度可达PC42.5水泥28d的抗压强度,其90d的抗压强度更是达到了112MPa。(2)通过水化热、化学结合水、XRD、TG-DSC、扫描电镜等测试方法对固废基贝利特-硫铝酸盐水泥的水化特性进行了研究,发现其具有早期水化速度快、放热量高且集中的特点,并且其在水化后期仍能保持持续的水化,水化产生的水化硅酸盐凝胶、单碳型水化硫铝酸钙、晶长石等水化产物也为后期强度的持续增长提供了可能。通过研究还发现,钢渣的加入对水泥的水化活性具有一定的影响,并且在一定掺量范围内,随着钢渣掺量的增多水泥的水化活性呈先增高后减小的趋势。钢渣对水泥水化的影响主要集中在水化前期,对其水化后期影响相对较小。(3)通过对固废基贝利特-硫铝酸盐水泥熟料矿物形成过程的系统研究发现,当煅烧温度低于1100℃时,水泥熟料中主要以游离氧化钙和黄长石、钙长石、钙铝黄长石、七铝酸十二钙等中间矿物为主,并含有少量的硅酸二钙。当煅烧温度处于1100-1200℃这一温度区间时,水泥熟料中的中间矿物会发生分解或与硫酸钙、游离氧化钙发生固相反应,生成硫铝酸四钙和硅酸二钙。当煅烧温度大于1200℃时,熟料中不再以矿物的形成为主,而是以矿物晶体结构的变化与发育为主。随着温度的升高,硅酸二钙和硫铝酸四钙的晶体结构持续地发生变化,晶体尺寸也在逐渐增大。当煅烧温度达到1350℃时,熟料中的矿物会出现熔融和分解的情况。(4)基于生命周期评价方法对固废基贝利特-硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的碳排放和能耗进行了评估。评估结果显示,固废基贝利特-硫铝酸盐水泥在节能减排方面的优势较为明显,其中CO2的减排量可达55%。
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