脱硫石膏替代天然石膏在水泥中的应用*

2020-11-30董辰光徐东宇梁晓杰

商品混凝土 2020年7期

董辰光，徐东宇，梁晓杰

（1. 山东省水泥质量监督检验站；山东济南 250022；2. 济南大学山东省建筑材料制备与测试技术重点试验室，山东济南 250016；3. 日照钢铁控股集团有限公司，山东日照 276806）

0 前言

脱硫石膏是燃煤或油的工业企业在治理烟气中的二氧化硫后而得到的工业副产石膏，主要成分和天然石膏一样，为二水硫酸钙 CaSO4·2H2O，含水量一般在10% 左右甚至更高，流动性差。脱硫石膏堆积占用大量土地资源，其所含的重金属、酸性氧化物等物质会污染环境，因此脱硫石膏的资源化利用引起了人们的关注[1-3]。随着石膏矿的开采量下降，天然石膏价格上升，有些水泥企业采用脱硫石膏代替天然石膏生产水泥[4-6]，然而，在实际生产中产生了水泥强度异常下降、凝结时间不正常等一系列问题[7-8]。本课题基于生产实际情况，在满足水泥基本性能的前提下，探讨脱硫石膏替代天然石膏的最佳量。

1 试验

1.1 原材料

（1）熟料：山东蒙阴广汇 5000t/d 旋窑生产熟料。

（2）石灰石：五莲广德矿石厂，其中碳酸钙含量大于 93.5%。

（3）钢渣粉：日照钢铁卧辊磨生产，比表面积为425m2/kg。

（4）矿粉：日照钢铁立磨生产，S95 级，比表面积为 434m2/kg。

（5）天然石膏：泰安石膏矿开采。

（6）脱硫石膏：日照钢铁自备电厂生产，外观颜色为淡黄白色，呈潮湿、松散的细小颗粒，含水率 20%左右，粘性强。

表 1 原材料的化学成分 %

原材料分别用 Burke S8 荧光分析仪进行化学成分检测，结果见表 1。

1.2 试验方法

2019 年 3 月份进行试验室可行性试验，应用熟料、石灰石、脱硫石膏、天然石膏在 SM-500 水泥小磨中粉磨配制一级熟料粉，脱硫石膏替代量选用 40%，测试一级熟料粉性能，探讨脱硫石膏替代天然石膏的可行性。

5 月份为提高脱硫石膏在水泥中掺加量、降低水泥材料成本、提高经济效益，按照脱硫石膏不同替代量，在实际生产中生产一级熟料粉和二级熟料粉，并分别用一级熟料粉和二级熟料粉生产 P·O42.5 和 P·C32.5 水泥，测试其性能，进一步探索脱硫石膏可替代天然石膏最大比例。

性能测试：按照 GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定熟料粉及水泥的标准稠度用水量及凝结时间；按照 GB/T 176—2017《水泥化学分析方法》测定熟料粉及水泥的烧失量及 SO3含量；按照 GB/T 1345—2005《水泥细度检验方法》测定熟料粉的 45μm 筛余和比表面积；按照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》测定熟料粉及水泥试件 3d 抗压强度。

2 结果及讨论

2.1 脱硫石膏可行性研究

应用熟料、石灰石、脱硫石膏、天然石膏在小磨中粉磨配制一级熟料粉（一级熟料粉见表 2），A0 试样为空白样，A1 试样脱硫石膏替代量选用 40%。

表 2 一级熟料粉配比 %

脱硫石膏使用前后熟料粉质量性能变化情况见表3。为保证数据的具有可比性，选用了脱硫石膏使用前后 3 天的检测数据。脱硫石膏使用前后各天的 SO3、烧失量检测结果基本接近，便于比较凝结时间和强度。

从表 3 中可以看出，脱硫石膏使用前后，一级熟料粉的凝结时间、抗折强度、抗压强度、标准稠度基本接近，说明目前在脱硫石膏代替天然石膏 40% 的比例下，对主要质量性能无影响。脱硫石膏使用后，45μm筛余降低了 1.7%，比表面积提高了 23m2/kg，说明脱硫石膏使用后，一级熟料粉的细度比使用前变细。原因可能有两个：（1）相较于天然石膏，脱硫石膏本身较细、较易粉磨；（2）脱硫石膏具有一定的助磨作用。通过这次可行性试验可以推断，利用脱硫石膏替代部分天然石膏生产水泥是可行的。

表 3 脱硫石膏使用前后一级熟料粉质量性能

2.2 脱硫石膏小磨试验

按照表 4 的配比生产一级熟料粉，所有原材料一次性备足，避免原材料对试验结果的影响。所有试验在同一试验条件下进行。为控制制备熟料粉 SO3在要求范围内（3.3% 左右），适当调整石灰石和石膏配比，保持熟料和粉煤灰比例不变。按照 FT0～FT6 编号，脱硫石膏替代比例依次为 0%、56%、63%、68%、75%、81%及 88%。

从表 4 数据可以看出，当脱硫石膏替代天然石膏比例在 56%～88% 时，一级熟料粉凝结时间与全部使用天然石膏的熟料粉相比影响不明显，当脱硫石膏替代比例为 68% 时，初凝和终凝时间分别增加 10min 及8min，3d 抗压强度均值较使用纯天然石膏配制的熟料粉下降 1.5MPa。由此可以推断，在实际生产中应用脱硫石膏替代天然石膏生产的一级熟料粉是可行的。

应用一级熟料粉 FT0～FT6 生产 P·O42.5 水泥编号为1～7，配比及结果见表 5，从表 5 数据可以看出，当脱硫石膏替代天然石膏比例在 56% 时，配制的 P·O42.5水泥与全部使用天然石膏的对比水泥 3d 强度、凝结时间性能接近。当脱硫石膏替代天然石膏比例在 63%时，配制的 P·O42.5 水泥 3d 抗压强度比全部使用天然石膏的对比水泥下降了 2.1MPa，初凝和终凝时间分别延长了 16min 及 17min，强度下降明显。结果显示，应用脱硫石膏替代天然石膏比例 56% 生产的 P·O42.5 水泥可以符合实际生产需要。

按照表 6 的配比生产二级熟料粉，所有原材料一次性备足，避免原材料对试验结果的影响。所有试验在同一试验条件下进行。为控制制备熟料粉 SO3在要求范围内（4.0% 左右），适当调整石灰石和石膏配比，保持熟料和粉煤灰比例不变。按照 FC0～FC6 编号，脱硫石膏替代比例依次为 0%、53%、58%、65%、71%、76%及 83%。

从表 6 数据可以看出，当脱硫石膏替代比例为65% 时，初凝和终凝时间分别增加 17min 及 12min，3d 抗压强度均值较使用纯天然石膏配制的熟料粉下降6.2MPa，强度下降比较明显，只有当脱硫石膏替代比例为 45% 时，3d 抗压强度才与空白样（FC0）相近。从此可以推断，在实际生产中应用脱硫石膏替代天然石膏生产的二级熟料粉不宜大于 45%。

应用二级熟料粉 FC0～FC6 生产 P·C32.5 水泥编号为 8～14，配比及结果见表 7，从表 7 数据可以看出，当脱硫石膏替代天然石膏比例在 45% 时，配制的P·C32.5 水泥与全部使用天然石膏的对比水泥 3d 强度、凝结时间性能接近。当脱硫石膏替代天然石膏比例在53% 时，配制的 P·C32.5 水泥 3d 抗压强度比全部使用天然石膏的对比水泥下降了 2.0MPa，初凝和终凝时间分别延长了 60min 及 49min，水泥性能明显下降。结果显示，应用脱硫石膏替代天然石膏比例 45% 生产的P·C32.5 水泥可以符合实际生产需要。