利用原状镁渣生产水泥研究

河北联合大学本科生毕业论文题目利用原状镁渣生产水泥研究英文题目RESEARCHONPRODUCTIONOFCEMENTWITHUNDISPUTEDMAGNESIUMSLAG学院材料科学与工程学院专业无机非金属材料工程班级姓名学号指导教师2011年06月14日摘要随着工业的不断发展，工业废渣的堆积问题日益严重，如果这些工业废渣得不到很好的处理，不但会占用大量土地，而且还会污染环境。水泥产业规模庞大，在水泥生产中利用这些废渣，不但可以解决堆放问题，而且还能有较好的经济效益。本试验采用原状镁渣为原料，通过分析其主要成分发现，原状镁渣可以作为生产水泥的原料。本实验在了解镁渣的物理性能基础上，用镁渣、石灰石、铁尾矿石以及铝矾土，设计配料方案，配制生料并进行了煅烧。对烧出的熟料矿物进行分析后，制备成普通硅酸盐水泥，测试其各项物理性能表明，用原状镁渣煅烧制成水泥的各项性能均符合国家标准，28D抗折强度达640MPA，抗压强度达485MPA。在利用原状镁渣作为混合材的研究试验中发现，分别以原状镁渣、矿渣、粉煤灰以及硝化镁渣作混合材，通过对比表明以原状镁渣为混合材的水泥的3D、28D的抗折及抗压强度比矿渣和粉煤灰以及硝化镁渣的略低；其28D抗折强度为752MPA,抗压强度为437MPA。因此，利用原状镁渣生产水泥和作混合材都可行，这样不但可节约资源，而且还能减轻废渣对环境的污染，因而具有良好的应用前景。关键词镁渣，水泥，熟料，混合材，铁尾矿石ABSTRACTWITHTHEINDUSTRYDEVELOPINGINCREASINGLY,THESTACKINGOFITSWASTERESIDUEBECOMESMOREANDMORESERIOUSIFTHISPROBLEMCANNOTBEPROCESSEDPROPERLY,NOTONLYWILLALARGERANGEOFLANDBETAKENUP,BUTALSOITCANPOLLUTEOURENVIRONMENTHOWEVER,THEREISSOMEGOODSOLUTIONASWEALLKNOWTHATTHESCALEOFCEMENTPRODUCTIONISHUGE,SUPPOSETHATIFWECANMAKEUSEOFTHESEWASTERESIDUEDURINGTHECEMENTPRODUCTION,THESTACKINGPROBLEMWILLBESOLVED,MOREOVER,ITCANBRINGUSGREATECONOMICEFFICIENCYINTHISEXPERIMENT,WEUSEDTHEORIGINALMAGNESIUMDREGSASRAWMATERIALTHROUGHANALYZINGTHEIRPRINCIPLECONSTITUENT,WEFOUNDTHATTHEORIGINALMAGNESIUMDREGSCANBEREGARDEDASTHECRUDEMATERIALOFCEMENTPRODUCTIONONTHEBASISOFUNDERSTANDINGTHEPHYSICALPROPERTYOFMAGNESIUMDREGS,WEDESIGNEDTHEINGREDIENTPLANWITHTHEMAGNESIUMDREGS,THELIMESTONE,THEHARDTAILOREASWELLASTHEBAUXITETHENWEMADEUPTHECRUDEMATERIALSANDCALCINEDTHEMAFTERANALYZINGTHEBURNEDMATERIALS,WEMADETHEMTHEORDINARYPORTLANDCEMENTTESTINGITSEACHPHYSICALQUALITYINDICATEDTHATEVERYPROPERTYOFTHECEMENTWHICHISMADEFROMBURNEDMAGNESIUMDREGSARECONFORMTOTHENATIONALSTANDARDSTHE28DANTIBOOKLETINTENSITYREACHES64MPA,ANDTHECOMPRESSIVESTRENGTHREACHES485MPADURINGTHESTUDYOFUSINGORIGINALMAGNESIUMDREGSASTHEMIXEDMATERIAL,WEMADETHEMIXEDMATERIALBYUSINGTHEORIGINALMAGNESIUMDREGS,THEGANGUE,THEPULVERIZEDCOALASHASWELLASTHENITRATIONMAGNESIUMDREGSRESPECTIVELYTHROUGHTHECONTRAST,WEDISCOVEREDTHATTHEANTIBOOKLETINTENSITYANDCOMPRESSIVESTRENGTHOFTHE3DAND28DCEMENTWHICHTAKETHEORIGINALMAGNESIUMDREGSASITSMIXEDMATERIALSARESLIGHTLYLOWERTHANOTHERS,ITS28DANTIBOOKLETINTENSITYIS752MPAANDTHECOMPRESSIVESTRENGTHIS437MPATHEREFOREITISFEASIBLETOUSETHEORIGINALMAGNESIUMDREGSTOPRODUCECEMENTANDMIXEDMATERIALINTHISWAY,NOTONLYCANWESAVERESOURCES,BUTALSOWECANREDUCETHEENVIRONMENTPOLLUTIONDUETOTHEWASTERESIDUETHUSTHISMETHODHASABRIGHTAPPLIEDPROSPECTKEYWORDSMAGNESIUMSLAG,CEMENT,CLINKER,MIXEDMATERIALS,IRONTAILORE目录摘要IABSTRACTII目录III引言1第一章综述111废渣的危害112镁渣的利用现状1121利用镁渣作矿化剂2122镁渣作为新型墙体材料2123利用镁渣制备混凝土膨胀剂2125镁渣作为路用材料3126镁还原渣的废热利用3127镁渣在生产加气混凝土当中的应用4128镁渣在国外的研究利用情况413存在的问题414研究意义515研究目标516研究方法5第二章试验研究方案621镁渣作原料煅烧熟料及生产水泥的研究6211研究具体内容6212研究技术路线622镁渣作混合材的研究7221研究具体内容7222研究技术路线723试验材料及其设备8231试验材料8232试验设备924镁渣作原料生产水泥9241配料计算9242生料的煅烧10243水泥的配制10244水泥物理性能检测1025水泥物理性能检测12251水泥的各项物理性能检测12252水泥胶砂流动度12第三章试验结果讨论1331镁渣的物化性能13311化学组成13312矿物组成13313镁渣的活性1432镁渣对熟料煅烧的影响15321镁渣对生料易烧性的影响15322镁渣煅烧水泥熟料的化学成分分析17323镁渣煅烧水泥熟料的矿物组成1733镁渣煅烧水泥的物理性能19331标准稠度用水量19332凝结时间20333安定性20334抗折及抗压强度2134镁渣作混合材的研究22341镁渣作混合材对水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性的影响22342镁渣作混合材对水泥胶砂强度的影响22结论25参考文献26谢辞27引言随着社会的不断进步，工业进入了快速发展时期，随之而来的工业废渣日益增多。近年来，镁和镁合金正成为现代汽车电子通信等行业的首选材料，被誉为“21世纪的绿色工程材料。我国镁工业取得了长足的发展，原镁及镁合金产量每年都呈增长趋势。从2000年起，我国成为全球最大的金属镁生产国,连续7年保持世界镁生产量和出口量的第一，受到世界镁行业的关注1。镁工业快速发展的同时，也产生了大量的工业废渣，利用硅热法炼镁，以目前的生产工艺和和普遍的白云石矿物组成情况，每生产1T镁将会产生6T的还原镁渣2，利用“皮江法”炼镁,每生产1T原生镁锭,还原镁渣排量为7T左右3,也就是说，每生产1T的金属镁，就将产生6、7T左右的还原镁渣，每年将产生数百万吨的还原镁渣。有数据表明目前我国每年的矿石采掘总量为50亿T，每年排放的工业固体废渣6亿T，累计堆存量高达70亿T，占地100万亩以上，其中还原镁渣的堆积存量占8000万T以上，且每年以200万T排渣量递增4。这些还原废渣如果得不到很好的处理，堆放要占用大量的土地，并且还会造成环境污染，特别是一些有害的有毒金属，一旦进入地下水源，后果不堪设想，会严重威胁人类的身体健康。同时，丢弃这些废渣也会造成资源的浪费。如何充分的利用这些废渣，使其变废为宝，变害为利，是当前迫切需要解决的重大问题。我们应该响应国家节能减排的方针，以可持续发展的战略目标来探讨充分利用工业废渣的重大深远意义。在我国，很多镁厂产生的镁渣都是作为废弃物直接扔掉，随着镁渣的大量堆积，大量的土地被占用，并且严重的威胁着人类赖以生存的环境和人类的身体健康，有效、合理的利用镁渣具有显著的社会效益和经济效益。目前，针对镁渣作为矿化剂、新型墙体材料以及在混凝土中的应用都有人作了专门的研究。本论文将对镁渣作为生产水泥的生产原料及作为混合材方面进行深入的研究。扩展镁渣的利用途径，进而对改善人类的生存环境作出一点贡献。第一章综述11废渣的危害废渣大致可以分为两大类，工业废渣和生活废渣。工业废渣是指工业生产中或环境污染控制处理构筑物中排出的固体或泥状物。工业废渣危害的主要途径是通过散发毒物、引起燃烧、爆炸、腐蚀金属与建筑物、传染疾病和引起危害环境的各种化学反应。工业废渣的数量巨大，成分复杂，有的还有毒性。其危害主要有占用土地损伤地表、污染土地危害生物、淤塞河床污染水源、飞扬粉尘污染大气。工业废渣堆积不利用，就会大量侵占农田，直接破坏农业生产，妨碍城市环境卫生，使人类直接受其危害，还会破坏地球表面的绿化植被。废渣中含有许多有害的物质，这些废渣大部分都是露天堆放的，年深月久，经过风吹雨打，是那些有害物质随雨水渗入底层，造成大面积的土壤污染。在土壤中发生累积而被农作物吸收，毒害农作物。另一方面，这些有毒物质在雨水、雪水的作用下，进入江河湖海，造成水体的污染。这些都将严重的威胁着人类的健康和生存。工业废渣经过生物分解或者内部发生化学反应，会产生大量的有害气体，污染空气。如煤矸石含有一定量的固定炭和硫。堆积越厚，内部温度越高，遇到炎热、刮风天气，就会引起煤矸石的自燃，产生大量的二氧化硫等有害气体，污染空气。有的废渣还会产生大量的粉尘，对环境造成污染。12镁渣的利用现状镁行业是一个资源输入量较大的行业，1吨商品镁锭的资源输入总量和资源直接输入量分别为76吨和24吨，生态包袱是资源输入量的31倍1。我国每年都会产生数百万的镁还原渣，这些还原废渣如果得不到很好的处理，不仅对周围环境造成污染，还会占用大量土地，以及可能的对地下水的污染。各大金属镁厂大多也都根据自身的特点，结合当地条件，在合理利用金属镁渣方面都有不少成功的经验，以下结合相关文献，总结这方面的应用情况。121利用镁渣作矿化剂赵海晋、高建荣、孙素贞等人在研究镁渣配料煅烧水泥熟料动力学中发现5掺加镁渣可显著减低熟料形成反应的表面活化能和熟料的烧成温度。他们指出，镁渣掺入可加速熟料矿物的形成和FCAO吸收，使反应活化能降低，反应速率加快。原因可能是镁渣中的一些组分如C2S、C2S、CF等熟料中间矿物。减少了水泥熟料中CACO3分解和粘土矿物脱水所需的热焓，同时在煅烧过程中作为外来界面，促进了C3S的结晶。镁渣中含有的CAF2还具有矿化剂的作用，也能促进硅酸盐矿物的形成，从而改善生料的易烧性。黄丛运、柯劲松、张明飞等人在研究镁渣替代石灰石配料烧制硅酸盐水泥熟料中指出6由于镁渣中含有C2S、CF等初级矿物，这些矿物在熟料烧成过程中降低了晶体的成核势能，起到诱导结晶的效果，因而使镁渣改善了生料的易烧性。ALTAN7还研究了CAF2和MGO对熟料煅烧的影响，证实MGO可降低熟料中FCAO，在高饱和的条件下可以促进CAO的吸收。总之镁渣可以改善生料的易烧性，具有矿化剂的效果。122镁渣作为新型墙体材料山西省建筑科学研究院的赵爱琴对利用镁渣研究新型墙体材料进行了研究8，其研究表明将镁渣破碎粉磨至008MM方孔筛筛余15的细度后，再与磨细矿渣粉、活性激发剂按一定比例混合，经过轮碾搅拌振压成型养护等程序后可以生产出密度小、强度高、耐久性好的新型墙体材料，其各项指标均能达到相关的技术指标。这种新型墙体材料不仅性能优良，而且其生产工艺简单，成本低廉，有较为广阔的市场前景。实现了工业废渣的综合利用，符合国家资源综合利用政策，为镁渣的利用开辟了一条新的道路，具有显著的社会效益和经济效益。123利用镁渣制备混凝土膨胀剂南峰、伍勇华、田荣等人在研究利用镁渣制备混凝土膨胀剂中指出9膨胀混凝土设计和制备最基本的一条准则是在水化硬化过程中膨胀发展和强度发展要协调的进行。经研究表明，采用以氧化钙和氧化镁为主要成分的镁渣配制混凝土膨胀剂是可行的。但是，单独采用镁渣早期膨胀率较低，不能满足混凝土膨胀剂的标准要求，但掺加石膏作为激发剂后可以显著增加早期限制膨胀率，对早期强度提高也会有很大的帮助。但是，目前对镁渣制备混凝土膨胀剂的研究还不是很充分，如氧化钙和氧化镁这两种膨胀源之间的相互影响，不同激发剂对镁渣膨胀性能的影响，镁渣膨胀剂与混凝土掺合料及水泥中其他组分的相互影响，掺镁渣膨胀剂的长期耐久性等问题，都有待进一步研究。随着这些研究的深入进行，才能使镁渣膨胀剂在混凝土中应用的更可靠，也为合理利用镁渣提供一条新的途径。124镁渣在脱硫方面的应用镁渣中的主要成分是CAO和SIO2，从山西的某镁厂提供的数据中表明，镁渣中CAO的含量高达53，且大部分都是活性的CAO。一般锅炉用煤的脱硫技术是将煤与石灰石直接投放入锅炉燃烧室内，石灰石在高温下煅烧生成氧化钙，氧化钙与烟气中的二氧化硫气体进行气固反应，生成亚硫酸钙，亚硫酸钙在高温下被氧化生成硫酸钙，达到固硫的目的。可以看出，在其中起固硫作用的是CAO，而镁还原废渣中有超过50的CAO，所以，很自然的能联想到使用镁还原渣来脱硫。乔晓磊、金燕在金属镁渣作为脱硫剂的性能实验研究中的结果表明10在一定的条件下，预计镁渣的脱硫效果可达到765，并且镁渣脱硫的最佳温度范围与流化床锅炉燃烧温度相吻合，镁渣作为脱硫剂是可行的。但是，镁渣脱硫还存在一些问题，他们从镁渣的微观结构中看出，生成的CASO4堵塞了镁渣孔隙，导致反应停滞。如何提高镁渣的孔隙率成为镁渣脱硫的关键技术。任玉生、徐宁等将镁渣作为循环流化床锅炉湿法脱硫剂研究中指出11镁渣中的氧化钙和氧化镁在溶于水后会结合钙镁离子，与SO2反应性强，吸收速度快，脱硫塔对SO2的吸收率可达95以上，并且此工艺设备简单，较常规法脱硫投资可节省一半以上。125镁渣作为路用材料镁渣中含有大量的氧化钙镁，并且具有较高的活性，与石灰、水泥结合，可以作为道路路基的混合料。徐祥斌、罗序燕、李长勇在研究镁还原渣的利用现状中指出2镁渣和粉煤灰中所含的活性成分基本相同，但镁渣中的钙镁含量却比粉煤灰中的高的多，其氧化钙镁的含量到达了三级钙镁生石灰的标准。张习贤、赵永义、梁全福进行了镁渣作为铺路材料的室内试验和室外实验研究，获得了很好的效果，证明了使用镁渣作为路面基层的应用是可行的。126镁还原渣的废热利用刚从还原罐中扒出的镁还原渣，其温度都在1000以上，其中蕴含着大量的热能。传统的以及目前的工艺都是将其散落于还原炉前，不仅还原镁渣中的大量的热能得不到利用，还会导致车间环境的严重恶化。近期由郑州轻金属研究院邱志祥等人研制开发的新型气力清渣机已经完成工业试验，实验结果非常好，正打算进行市场推广工作。这种设备的投入使用，将对硅热法炼镁产生重大的影响，而且也能够很好的利用镁还原渣中蕴含的大量热能2。127镁渣在生产加气混凝土当中的应用陈恩清、吴连平在研究镁还原渣和粉煤灰生产加气混凝土工艺中指出3镁还原渣和粉煤灰在湿法处理过程中组分发生水化反应，加气混凝土结构形成，包括MGO在内体积不稳定物质的体积变化可以被微孔缓冲，避免了“体积不安定”对制品性能的危害。同时其含有的矿物质结合成复盐，体积稳定，经过长期实验研究证明，还原镁渣和粉煤灰的制品是稳定的。根据镁渣的特殊性，以粉煤灰和还原镁渣生产加气混凝土的理论上是可行的。加气混凝土的生产原材料为粉煤灰、还原镁渣、硫酸钙、铝粉和气泡稳定剂等。将粉煤灰和还原镁渣磨细到一定细度，再经过计量、搅拌浇筑、预养发气、蒸压养护、拆模堆放等生产工序，生产成加气混凝土制品。128镁渣在国外的研究利用情况因为镁行业是个高污染、高能耗的行业，而且自动化程度一直不高，且劳动环境恶劣的问题一直很难解决。所以，近年来欧美和日本以及加拿大等发达国家逐步停止了镁的生产，而中国已经成为世界上最大的镁生产国和出口国。2007年中国镁产品出口总量为408千吨，仍高居世界镁生产的第一位，而同期西方国家原镁减产60千吨。因为西方发达国家镁的逐年减产，所以其在镁还原渣的利用方面的研究进行的比较少。就目前所能查到的文献来看，巴西联邦大学的CARLOSASOLIVEIRA、ASRIANAGGUMIERI、ABIDIASMCOMES等学者对镁还原废渣进行了研究12，他们的研究结果表明，镁还原渣掺入到砂浆中后于硅酸盐水泥相比，试样中所含的碱性氧化物成分极低，可以提高砂浆的耐久性。13存在的问题目前国内外对镁渣的研究和应用，都还存在着不足。如用金属镁渣作为脱硫剂，镁渣的消化量不大，每吨含硫质量分数为1的煤大概只能消耗掉不足三十公斤的镁废渣。而我国2007年产生了超过400万吨镁还原废渣。可以看出镁渣在脱硫方面的应用远远不能消耗掉产生的废渣。利用镁渣煅烧水泥，由于镁渣中MGO含量偏高，不利于配料计算或对石灰石品位要求较高。目前，在镁渣的运输和存放过程中也存在问题，不利于保存镁渣的活性。本次实验采用的是原状镁渣，原状镁渣的活性较高，但是不利于存放。所以还要注意镁渣的活性保持问题。14研究意义（1）保护环境；（2）节省资源；（3）减少国家和企业经济损失。15研究目标（1）探索利用镁渣和铝矾土、铁尾矿石生产水泥的配料方案；（2）提出新型干法回转窑生产工艺方面的建议；（3）制造出符合国家标准的水泥实验室样品；（4）研究以镁渣作混合材制备水泥的可行性。16研究方法（1）将镁渣粉磨到规定细度后，通过XRD衍射测镁渣的矿物组成。（2）在P1水泥中掺入30的原状镁渣，按GB/T17671进行水泥胶砂强度试验，分别测定和对比样的3、28D强度，28D强度之比即镁渣的活性指数。（3）在P1水泥中掺入20混合材（原状镁渣、原状镁渣和矿渣、原状镁渣和粉煤灰、原状镁渣和硝化镁渣），测水泥安定性、凝结时间、胶砂强度（3D、28D）。（4）用镁渣代替部分石灰石在1400度温度下烧制水泥熟料，测熟料的易烧性（FCAO含量）和化学成分及矿物组成。（5）用烧制成的水泥熟料加一定比例的石膏制成硅酸盐水泥，然后测制成的水泥的各种性能。（6）根据实验出来的数据进行分析并讨论结果。第二章试验研究方案21镁渣作原料煅烧熟料及生产水泥的研究本研究首先对镁渣的物理性能进行深入的研究，在了解镁渣物理性能的基础上针对其化学成分进一步确定利用镁渣作原料煅烧水泥的配料方案，探讨用镁渣配料对熟料煅烧的影响。然后用煅烧的熟料掺入一定量的石膏配制成水泥，进行一系列的性能检测并对结果进行分析与讨论。211研究具体内容1镁渣的物理性能化学组成，矿物组成，活性及其特性。2镁渣煅烧水泥配料方案的确定（1）配料计算首先初定熟料的三个率值KH、SM、IM。然后根据各原料的化学组成假定原料的配合比，根据假定的配合比计算相应的熟料组成，并计算出相应的率值，用计算出的率值和初定的率值进行比较。若计算的结果不符合要求，则调整原料配合比，再进行重复计算，直至符合要求。（2）水泥性能测定水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性、水泥抗折及抗压强度等3镁渣对熟料煅烧的影响（1）镁渣对生料易烧性的影响（2）水泥熟料的矿相及矿物组成212研究技术路线1查阅相关文献，对相关知识进行深入了解并制定研究方案。2根据各种原料的化学成分及初定率值进行配料计算，确定生料配方。3粉磨并筛分原料，以达到生产水泥所需粒度，并根据所制定配方配制生料。4生料的煅烧。煅烧好的熟料进行XRD测试，游离氧化钙含量测试，矿相分析并对测试结果进行分析。5将熟料粉磨，按一定比例加入石膏，制成水泥。6对所配制的水泥的各项性能进行检测。7最后对试验结果进行分析处理并得出相应结论。22镁渣作混合材的研究本研究分别利用镁渣、矿渣、粉煤灰作混合材料配制成水泥，然后对不同掺量所配成的三种水泥进行性能检测，并进行结果的分析讨论和比较，通过比较体现利用镁渣作混合材生产水泥的若干价值所在，从而进一步体现本研究的意义。221研究具体内容1分别利用镁渣、矿渣、粉煤灰作混合材配制成水泥，通过对比研究镁渣作混合材对水泥性能的影响规律水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性、水泥抗折及抗压强度等。2分别利用镁渣、矿渣、粉煤灰作混合材配制成水泥，通过对比研究镁渣作混合材对水泥砂浆流动度、强度的影响。222研究技术路线1查阅相关文献，对相关知识进行深入了解并制定研究方案。2粉磨并筛分原料，以达到水泥生产所需的粒度。3将熟料粉磨，加入一定比例的混合材与石膏，制成水泥。4对所配制的三组水泥进行各项性能的测定。5研究三种原料作混合材对水泥砂浆流动度、强度和的影响。6对所测试的结果进行分析讨论并经过比较得出相应结论。检索文献制定方案机理分析机理分析配料计算制定配方原料粉磨配制生料XRD测熟料矿物组成煅烧生料试验结果分析水泥性能检测水泥粉磨23试验材料及其设备231试验材料本试验的原材料有石灰石、铁尾矿石、铝矾土、镁渣、以及水泥熟料。其中镁渣取自山西运城闻喜镁厂，各种原材料均取自唐山冀东水泥厂。除此之外，所需原料还包括粉煤灰、石膏、矿渣。（粉煤灰、矿渣是作为混合材加入水泥中，而石膏则用来调整水泥的凝结时间）试验所用原材料化学成分见下表表21试验原材料化学成分名称SIO2AL2O3FE2O3CAOMGOK2ONA2OR2OSO3LOI石灰石58012407749940640650090523888铁尾矿石5756107713734431351硝化镁渣282528506401274101301018137原状镁渣3097155553531579008014019013083铝矾土380137047330690370160090201348石膏679223079283721804102004737062077注R2ONA2O0658K2O；LOI代表烧失量232试验设备表22试验所需设备/仪器及其型号24镁渣作原料生产水泥本试验根据镁渣的物理化学性能，以镁渣部分或全部取代粘土质原料，设计若干配料方案进行优选，测定熟料性能及矿物组成，再制备普通硅酸盐水泥，测试水泥的各项性能。241配料计算根据新型干法水泥生产技术所规定熟料的率值范围，初步设定所生产水泥熟料的三个率值分别为KH0897,SM243,IM127。然后根据所定率值进行配料计算，直到符合要求为止，从而得到试验的生料原料配合比。本实验共是设计了两组生料配合比生料A和生料B。表23、24分别为本实验的生料A、B的原料配合比及各生料的主要化学成分。试验设备仪器型号备注鄂破机破碎原料与熟料球磨机XMQ24990粉磨原料与熟料高温箱式电阻炉SX813煅烧水泥生料X射线粉末衍射仪BDX3280对镁渣及熟料进行扫描水泥标准养护箱GB、T1767140A养护水泥试体电热鼓风干燥箱1012干燥物料沸煮箱F231A检验水泥安定性水泥净浆搅拌机SS160B搅拌水泥净浆水泥胶砂搅拌机JJ5搅拌水泥胶砂水泥胶砂振实台ZS15振实模具内试体压力试验机NYL300测定水泥试体抗压强度电动抗折试验机DKZ5000测定水泥试体抗折强度比长仪测定水泥干缩试体长度水泥凝结时间测定仪测定水泥净浆凝结时间表23生料A原料配合比及主要化学成分（）表24生料B原料配合比及主要化学成分（）242生料的煅烧预先制好的模具，将生料放入模具中，设置好升温制度，然后把盛放生料的模具放入高温箱式炉中，关好炉门，调节电流让炉子自动升温，达到最高温度后让其保温120分钟，然后迅速取出烧制好的熟料，并用电风扇吹让其迅速急冷。最后将冷却好的熟料经过一定的处理之后进行检测，包括X射线衍射测试，熟料的矿相分析等。243水泥的配制将煅烧好的熟料粉磨成粉状并通过008MM的方孔筛。过筛后的熟料粉按照水泥质量5的石膏配制成水泥。配制好水泥后即可进行各项水泥性能的检测。244水泥物理性能检测1标准稠度用水量按照GB/T13462001水泥标准稠度用水量测定方法（调整水量试锥法）进行。配合比LOICAOSIO2AL2O3FE2O3石灰石57053888499458124077铝矾土663134806938013704733原状镁渣363208353153097155553配合比LOICAOSIO2AL2O3FE2O3石灰石59293888499458124077铝矾土628134806938013704733原状镁渣333508353153097155553铁尾矿石1081351443575610771373称好500G水泥试样，并根据水泥的的品种、混合材的掺入量、细度等量取好试样达到标准稠度大致所需水量（各组试样均约1425ML）。最后以试锥下沉深度为282MM时，所用水量作为该水泥试样的标准稠度有水量。如下沉深度不在此范围，应增加或减少量，直至下沉深度至282MM时为止。2凝结时间按照GB/T13462001水泥凝结时间测定方法进行。将按标准稠度用水量制成的水泥净浆一次装满准备好的圆试模，振动数次，刮平，立即放入养护箱中养护。记录水泥全部加入水中的时间，并以此做为凝结时间的起始时间。在养护箱中养护30MIN后，从养护箱内取出试件进行第一次测定。测定时，当试针沉至距底板4MM1MM时，为水泥达到初凝状态；当试针沉入试体05MM时，为水泥达到终凝状态。凝结时间用MIN表示。测定中,临近初凝时每隔5MIN测定一次，临近终凝时每隔15MIN测定一次。到达初凝或终凝时立即重测一次，以检验结果的准确性。3安定性按照GB/T13462001水泥安定性检验方法（试饼法）的规定进行。按标准稠度用水量拌制好净浆。取一部分分成两等份，使呈球形，分别置于100MM100MM的两块玻璃板上，成型、养护，经过沸煮箱沸煮后，冷却，如果目测观察无裂缝，直尺检查无弯曲，则安定性合格。反之，为不合格。当两块试饼其中有一块不合格时，则为不合格。4抗折与抗压强度按照GB/T176711999水泥胶砂强度检验方法的规定进行。用40MM40MM160MM的标准三联体试模成型。每成型三条试体需用水泥450G，标准砂1350G，水225G。成型后放入水泥标准养护箱内养护，经24小时后脱模，然后将试体放入水中继续养护，试体间应有间隙，水面至少要高出试体2CM。养护水每两周更换一次。然后分别测试体3D、28D的抗折及抗压强度。注抗压强度计算抗压强度计算公式RCFC/A公式（31）式中RC抗压强度/MPA；FC破坏荷重/N；A受压表面积/MM2抗折及抗压强度以每组试体的强度的平均值作为试验结果。当其中有超出平均值10时，则排除不用，而用其它两个数据取平均值作为试验结果。各试体强度记录至01MPA，平均值计算精确至01MPA。25水泥物理性能检测本研究采用冀东熟料，分别用原状镁渣、原状镁渣矿渣、原状镁渣粉煤灰、原状镁渣硝化镁渣作为混合材，再加入相同比例的石膏分别制成水泥。通过比较，研究镁渣对水泥物理性能的影响规律；并在镁渣的物化性能基础上，研究镁渣作混合材制成的水泥对水泥胶砂流动度的影响。251水泥的各项物理性能检测按照上述方法，分别对四组掺入不同混合材的水泥编号，然后进行标准稠度用水量、凝结时间、抗压及抗折强度测定。252水泥胶砂流动度按照GB/T24192005水泥胶砂流动度测定方法的规定进行。胶砂制备按GB/T17671有关规定进行。试验设备、拌和水、样品应符合GB/T176711999中第4条试验室和设备的有关规定。将试样准备好后立刻开动跳桌，完成25次跳动。跳动完毕，用卡尺测量胶砂底面互相垂直的两个方向直径，计算平均值，取整数，单位为毫米。该平均值即为该水量的水泥胶砂流动度。流动度试验，从胶砂加水开始到测量扩散直径结束，应在6MIN内完成。要不断调整水灰比，直到扩散直径达到130140MM。第三章试验结果讨论31镁渣的物化性能311化学组成镁渣取自山西运城闻喜金属镁厂，其主要化学组成见表21由表中化学成分可见，镁渣的主要化学成分为SIO2、AL2O3、FE2O3、CAO、MGO，属于CAOSIO2AL2O3FE2OMGO体系。从这些成分来看，说明镁渣具有部分或全部代替水泥原料煅烧水泥熟料的可能性。另外，镁渣的化学组成有一个最大的特点，就是MGO含量特别高，达到79。因此，需要控制别的原料的MGO的含量，从表23原料A的配合比可以看到镁渣可以完全取代硅质原料砂岩进行熟料的煅烧，然而生料B却需要补充一定量的铁质原料方可得生料的配方。312矿物组成图31为镁渣的XRD图谱，从图中可以看出运城闻喜镁渣的主要矿物成分硅酸一钙、硅酸二钙、方镁石、硅酸铁钙。图31镁渣的XRD图谱CSC2SMGOCA4FE9O17313镁渣的活性在PI水泥中掺入30的镁渣，按GB/T17671进行水泥胶砂强度试验，分别测定和对比样的3D、28D强度，强度之比即为镁渣的活性指数。并用同样的方法测量粉煤灰（FA）活性，并与镁渣活性比较。PI水泥、掺加30的镁渣和掺加30的粉煤灰的3D、28D抗折强度、抗压强度和胶砂流动度见表31。表31不同龄期胶砂强度和胶砂流动度3D/MPA28D/MPA抗折抗压抗折抗压胶砂流动度/MMPI61229678644873170PI30FA37618886953516166PI30硝化镁渣41320477203458154PI30原状镁渣40119367083713163由上表可以计算出不同龄期的镁渣和粉煤灰的活性指数。如图32。不同龄期的镁渣和粉煤灰活性指数01020304050607080901003D28D龄期活性指数/FA硝化镁渣原状镁渣图32不同龄期镁渣和粉煤灰活性指数由表31和图32可以得出以下结论镁渣和粉煤灰对流动性影响。由表31中胶砂流动度可以看出，掺加了粉煤灰、镁渣都降低了水泥的胶砂流动度。镁渣和粉煤灰的活性指数随时间增加而增长。说明掺加了30的镁渣和粉煤灰的水泥胶砂强度早期较低，后期强度较高。原状镁渣的活性指数在3天时较粉煤灰的活性指数低一些，但在28天时原状镁渣的活性高于粉煤灰的活性。硝化镁渣的活性指数在3天时较粉煤灰的活性指数高一些，但在28天时硝化镁渣的活性低于粉煤灰的活性。32镁渣对熟料煅烧的影响321镁渣对生料易烧性的影响首先通过生料的TGDTA图来确定生料的煅烧温度，下图分别为生料A和生料B的TGDTA图。图33生料A的TGDTA图图34生料B的TGDTA图比较生料A、B的TGDTA图，从液相量产生来看，都可以选择1400作为煅烧温度。水泥生料的易烧性是指在设定的煅烧条件下，物料中的CAO被酸性氧化物吸收形成熟料矿物的程度。生料易烧性的好坏通过将不同生料在相同煅烧条件下煅烧，用所得熟料中FCAO的含量来判定。影响生料易烧性的因素有很多，包括原料的活性、生料的潜在矿物组成、生料的均匀性和粉磨细度、熟料的率值、及微量元素等。本试验采用相同的温度，对生料A、B进行煅烧，然后测定熟料中FCAO的含量。试验结果见表32。表32水泥熟料FCAO的含量水泥熟料AB煅烧温度/14001400FCAO/027042国家标准规定，水泥熟料中FCAO的含量不得超过20，且熟料中的FCAO的含量在合适的煅烧温度下越低越好。由表中数据可知，利用镁渣煅烧的水泥熟料测得的FCAO的含量均比较低。通过生料的TGDTA图和水泥熟料中FCAO的含量综合考虑，可以确定熟料的煅烧温度为1400。322镁渣煅烧水泥熟料的化学成分分析水泥熟料的主要化学成分包括CAO、SIO2、AL2O3、FE2O3，四种氧化物的总含量一般在95以上，各氧化物含量通常在一范围内波动。而且水泥熟料中各氧化物的含量，对水泥熟料的烧成和水泥的性质有重大影响。表33为镁渣在不同温度下煅烧的水泥熟料的化学成分，由化学滴定法测得。表33水泥熟料化学成分/样品LOISIO2AL2O3FE2O3CAOMGOSO3A01825385734215798482024B03721645414436170519026注LOI代表烧失量323镁渣煅烧水泥熟料的矿物组成大量的研究和实践证明，水泥熟料的矿物组成和矿物结晶形态，决定着水泥熟料的水硬胶凝性能。硅酸盐水泥熟料的矿物组成，可以分为硅酸盐矿物和熔剂矿物两大类。前者包括C3S、C2S，后者包括C3A和C4AF。两类矿物的比值一般波动范围不大，但在两类矿物内，各矿物的含量变化较大，其中任何一种矿物含量的变化都会影响水泥的性质。表34为通过煅烧熟料的化学成分计算而得到的熟料的矿物组成含量。表34熟料的矿物成分百分含量/试样C3SC2SC3AC4AFA217444807128B43229526851347试样A的C3S含量几乎没有，C2S含量很高，而试样B的C3S含量到达432，C2S含量有2952。结果显示，熟料A不合格，其矿物成分不符合正常阿里尼特水泥熟料的矿物组成。熟料B的矿物含量基本符合合格熟料的矿物含量标准。用生料B的配方可以烧制出符合国家标准的水泥。下图分别为不同镁渣配比的A、B煅烧熟料的XRD图谱。图35生料A在1400下煅烧水泥熟料XRD图谱图36生料B在1400下煅烧水泥熟料XRD图谱AC3SC2SC2SC2SCC4AFDC3AMMGOAC3SC2SC2SC2SCC4AFDC3AMMGO从以上两组XRD衍射图谱可以看出，分析结果显示，整体看来两组衍射曲线基本接近，有相同的矿物组成，都包括C3S、C2S、C3A、C4AF，而且各峰位也基本相同，但同一峰位的峰高并不一样。B组试样的C3S含量比A组试样的高。33镁渣煅烧水泥的物理性能综合考虑生料的TGDTA图和镁渣对熟料煅烧的影响，将镁渣在1400时煅烧的水泥熟料配制成水泥，进行各项性能检测。331标准稠度用水量水泥净浆标准稠度是为使水泥凝结时间、体积安定性等的测定具有准确的可比性而规定的，在一定测试方法下达到统一规定的稠度。通过试验不同含水量水泥净浆的穿透性，以确定水泥标准稠度净浆中所需加入的水量。本试验采用调整水量法通过改变拌和水量，找出拌制成的水泥净浆达到特定塑性状态所需要的水量。当一定质量的标准试锥在水泥净浆中自由降落时，净浆的稠度越大，试锥下沉的深度越小。测试时当试锥下沉深度达到规定值时，净浆的稠度即为标准稠度。此时，500G水泥净浆调水量即为标准稠度用水量。表35为试验的标准稠度用水量的测试结果。332凝结时间水泥从加水到开始失去流动性所需的时间称为凝结时间。水泥凝结过程的控制十分重要，为了使水泥浆和混凝土凝土便函于输送和浇注，并使水泥和混凝土具有一定的强度，以保证施工正常进行，为此，要求水泥凝结时间不能太快或太慢。国家标准规定硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰水泥的凝结时间为初凝时间不得早于45MIN，除硅酸盐水泥终凝时间不迟于65H外，其余四个品种水泥，终凝时间不得迟于10H。由表35可知，生料A烧制的熟料配制的水泥凝结时间不正常，生料B烧制的熟料配制的水泥凝结时间符合国家标准。影响水泥凝结时间的因素有很多，熟料的矿物组成、水泥的细度、水灰比（水灰比过大则水泥凝结慢）、石膏、温度（温度高则会加快凝结）和水泥中有机物的含量（有机物会减慢凝结）。但一般认为受熟料矿物组成和石膏的掺入量影响最大。从矿物组成看，C3A的含量是控制水泥凝结时间的决定因素。C3A水化很快，能生成水化铝酸钙形成网状结构，使水泥在瞬间凝结。所以，初凝时间主要决定于C3A的含量，而终凝时间则受制于水化较C3A慢的C3S。所以，由初凝时间亦可看出试样中C3A含量的大小。石膏的缓凝机理一般认为，C3A在石膏和石灰的饱和溶液中生成钙钒石（AFT），并附着在水泥颗粒表面上，成为一层薄膜，阻滞了水分子以及离子的扩散，从而延缓了水泥颗粒特别是C3A的水化。该试验中，各试样中石膏的加入量是相等的，所以屏蔽了石膏对凝结时间的影响。333安定性反映水泥硬化后体积变化均匀性的指标称为水泥的安定性。水泥的安定性是由水泥熟料中FCAO和MGO的含量决定的。其中FCAO的含量主要受煅烧过程的影响。FCAO水化很慢，而且还伴随着979的体积膨胀，从而造成后期强度降低。MGO主要来自原料中的石灰石，MGO水化比FCAO更慢，而且水化时体积膨胀148，对后期强度的影响较FCAO更为严重。两者水化时会发生如下反应CAOH2OCAOH2MGOH2OMGOH2经过试验检测，水泥试样的安定性良好。而且由熟料的化学成分分析表中的数据显示，熟料A的MGO的含量482，FCAO含量仅为027，熟料B的MGO的含量，FCAO含量仅为，符合国家标准规定的数值范围，且含量均比较低。所以在正常的煅烧情况下，用镁渣作为原料煅烧水泥安定性良好。表35水泥试体性能检测结果凝结时间/MIN水泥的各项性能标准稠度用水量/ML初凝终凝安定性熟料A142420600合格熟料B137200360合格334抗折及抗压强度水泥强度是指水泥试体在单位面积上所能承受的外力，它是水泥最重要的性能指标。本试验采用40MM40MM160MM的模具成型水泥试体，所有试体均为不加混合材的硅酸盐水泥，共成型2组，每组3条水泥试体，测定时每组中各取出1条分别测定水泥试体3D、28D的抗折及抗压强度。表36为镁渣煅烧水泥试体的强度检验结果。表36水泥试体强度3D28D抗折强度/MPA抗压强度/MPA抗折强度/MPA抗压强度/MPA熟料A2251000615341熟料B31017006404850从表中的数据可以看出，生料A烧制的熟料配制的水泥3D、28D的抗折、抗压强度均较低，不符合硅酸盐水泥的国家标准。生料B烧制的熟料配制的水泥3D、28D的抗折、抗压强度符合硅酸盐水泥的国家标准。所以，通过以上的数据可以说明B配方利用镁渣作为原料可以生产出符合国家标准的实验室水泥试样。34镁渣作混合材的研究341镁渣作混合材对水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性的影响本研究分别以相同水泥质量比例的镁渣、矿渣、粉煤灰作为混合材，采用相同量的熟料并掺入相同比例的石膏配成水泥，通过比较研究镁渣对水泥基本性能的影响。1号试样掺入20的原状镁渣，2号试样掺入10原状镁渣10矿渣，3号试样掺入10原状镁渣10粉煤灰，4号试样掺入10的原状镁渣10的硝化镁渣。表37为不同混合材的水泥的标准稠度用水量、凝结时间及安定性的试验结果。表37水泥试样物理性能凝结时间/MIN试样混合材种类掺量均20标准稠度用水量/ML初凝时间终凝时间安定性1原状镁渣143260340良好2原状镁渣10矿渣101425250310良好3原状镁渣10粉煤灰10142200275良好4原状镁渣10硝化镁渣10143180240良好从表中数据可以看出，四组试样的测试结果基本相同。四组水泥试样的标准稠度用水量均接近1425ML，3号试样的标准稠度用水量较少。凝结时间初凝时间大概都在34个小时左右，终凝时间大概在46个小时左右，符合国家标准所规定的普通硅酸盐水泥的凝结时间。经过比较发现1号试样的凝结时间相对2号和3号略迟。安定性测试结果良好，所以只要水泥FCAO和MGO正常的情况下加入的混合材就不会影响水泥的安定性。342镁渣作混合材对水泥胶砂强度的影响利用与上节相同的原料配制成4种混合材不同的水泥，然后采用4040160MM的模具成型，分别测定其水泥试体3D、28D的强度。并通过比较进行分析讨论。表38分别为4组水泥试体的抗压及抗折强度测定结果。图37