王烜

蘭州瑞原混凝土有限公司 甘肅 蘭州 730050

前言

水泥加水?dāng)嚢韬蟪蓾{體，能在空氣中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起。這是純水泥發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，但工程上還經(jīng)常在水泥里摻加工業(yè)廢料——粉煤灰和礦渣粉作為摻和料，作用是什么呢？

1 摻和料的作用

我們常用的摻和料是粉煤灰和礦渣粉。

粉煤灰，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰，粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物。粉煤灰外觀類似水泥，顏色在乳白色到灰黑色之間變化。粉煤灰的顏色是一項重要的質(zhì)量指標(biāo)，可以反映含碳量的多少和差異。在一定程度上也可以反映粉煤灰的細(xì)度，顏色越深粉煤灰粒度越細(xì)，含碳量越高。我國火電廠粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等，此外還有P2O5等。其中氧化硅、氧化鈦來自黏土、巖頁；氧化鐵主要來自黃鐵礦；氧化鎂和氧化鈣來自與其相應(yīng)的碳酸鹽和硫酸鹽。

礦渣，是高爐煉鐵產(chǎn)生的水渣，礦渣粉是高爐水渣通過細(xì)磨后，達(dá)到相當(dāng)細(xì)度且符合相當(dāng)活性指數(shù)的粉體[1]。作為摻和料的粉煤灰和礦渣粉，其主要作用是火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)、界面效應(yīng)?；鹕交倚?yīng)也就是二次水化反應(yīng)，也就是摻和料中的SiO2、Al2O3等潛在活性物質(zhì)與堿性物質(zhì)或石膏反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣是具有水硬性的產(chǎn)物：

可以看出，發(fā)揮火山灰作用的是活性二氧化硅和活性三氧化二鋁，而且需要氫氧化鈣和水分作用才能反應(yīng)。二氧化硅和三氧化二鋁是都是穩(wěn)定的晶體材料，而晶體材料化學(xué)性質(zhì)是很穩(wěn)定的，比如鵝卵石就是二氧化硅為主的材料，被認(rèn)為是自然界著最穩(wěn)定的材料之一，怎么又有活性了呢？

2 摻和料為什么會有活性？-由鋼材冷卻工藝受到的啟發(fā)

在現(xiàn)實生產(chǎn)過程中，鋼件本身的性能往往無法達(dá)到預(yù)期的要求。在一定范圍內(nèi)，鋼水在冷卻過程中工件內(nèi)部顯微組織會發(fā)生相變。冷卻速度大小的控制對顯微組織的定向改變起著至關(guān)重要的作用。合理的控制冷卻速度能得到所希望的組織，達(dá)到性能的要求[2]。冷卻速度越大，相變所發(fā)生開始和結(jié)束的溫度下降越明顯，組織中鐵素體的含量也就越少，晶粒會明顯細(xì)化，強度和韌性方面有所改善。

實際生產(chǎn)中，同一鑄件上，由于位置不同，冷卻速度不同，鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)也不同壁厚處→冷速慢→ F基體的灰口鐵→壁薄處→ 冷速快→ P基體的白口鐵冷卻是不是一個切入點呢？

粉煤灰在爐膛的燃燒尾氣中處于熔融懸浮狀態(tài)，大概1500度左右，瞬間排入大氣中，急速冷卻。礦渣在鋼鐵冶煉中也處于熔融狀態(tài)，浮在鐵水表面，定期排出時受到冷卻水沖擊，形成顆粒狀。都是經(jīng)過了一個激冷過程，是不是這個過程賦予了摻和料活性呢？

圖1 鐵碳合金雙重相圖

3 玻璃的啟示

一次偶然的機會，我可能發(fā)現(xiàn)了：玻璃！對!就是玻璃。

玻璃的生產(chǎn)工藝也是二氧化硅等熔融后快速冷卻，形成了我們常見的玻璃——要不快速冷卻就會形成析晶，形成穩(wěn)定晶體就不再透明了。玻璃的生產(chǎn)，需要快速冷卻，而玻璃的主要成分，也是二氧化硅，與粉煤灰和礦粉的成分相似，也經(jīng)歷了相似的急速冷卻過程！對玻璃的研究現(xiàn)在開展的比較多，這應(yīng)該是我們揭開謎團(tuán)的線索。

圖2 玻璃成型過程

1150℃左右的玻璃液熔體，通過熔窯與錫槽相連接的流道、流槽，流入熔融的錫液面上，在自身重力、表面張力以及拉引力的作用下，玻璃液攤開成為玻璃帶，在錫槽中完成拋光與拉薄，在錫槽末端的玻璃帶已冷卻到600℃左右，輥道的拉引把即將硬化的玻璃帶引出錫槽，通過過渡輥臺進(jìn)入退火窯。熔體狀態(tài)溫度最高，空間粒子間的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)混亂，在快速冷卻時，難以迅速歸位，保留了原來的無序狀和高能態(tài)結(jié)構(gòu)，而緩慢冷卻過程中，相關(guān)的粒子逐步穩(wěn)定歸位，形成晶體，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，內(nèi)能最低。粉煤灰在熔融狀態(tài)下排入大氣，相當(dāng)于最上“氣相冷凝獲得的無定形物質(zhì)”，位能處于最高，理想晶體處于最低能態(tài)，也最穩(wěn)定[3]。

4 不同結(jié)構(gòu)的二氧化硅能態(tài)

無定型二氧化硅的活性分析玻璃和粉煤灰、礦粉中的二氧化硅都屬于無定型二氧化硅，或是非晶態(tài)，因為快速冷卻使得二氧化硅沒有足夠的時間進(jìn)行結(jié)晶。可以看出，熔融的二氧化硅不同的冷卻速度，形成不同的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

青磚、紅磚和瓦片是用黏土在600～900℃的溫度下燒制而成的。黏土的主要礦物成分高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O）經(jīng)過800℃左右煅燒后，分解為無水偏高嶺土（Al2O3·2SiO2），甚至部分分解為氧化鋁（Al2O3）和無定形的二氧化硅（SiO2），因而增加了黏土礦物的活性。把這種煅燒后具有活性的黏土作混合材，在水泥水化時析出的Ca(OH)2就會同活性的Al2O3和SiO2分別生成水化硅鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·2SiO2·aq）和水化硅酸鈣

（CaO·SiO2·aq）及水化鋁酸鈣（mCaO·Al2O3·aq），從而產(chǎn)生一定的強度。正因為這樣，在火山灰質(zhì)混合材料中，青磚、紅磚、瓦片均屬于燒黏土一類的人工火山灰質(zhì)混合材，只要青磚、紅磚、瓦片等燒粘土質(zhì)材料符合水泥生產(chǎn)中作為火山灰質(zhì)混合材的技術(shù)條件，就可應(yīng)用于水泥生產(chǎn)中。但對于煅燒溫度低于600℃燒出的嫩火磚和超過900℃燒出的老火磚由于其化學(xué)活性很低，故不宜作活性混合材料使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋俊紅.廢玻璃處理以及資源化[J].黑龍江環(huán)境通報,2010,34(4):68-70.

[2] 徐美君.國際國內(nèi)廢玻璃的回收和利用[J].建材發(fā)展導(dǎo)向,2007,(3):55-59.

[3] 李湘洲.發(fā)達(dá)國家廢玻璃回收利用借鑒與經(jīng)驗[J].再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2012,5(5):41-44.