粉煤灰提铝残渣对水泥性能的影响研究

一、引言

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废弃物，高铝粉煤灰因铝含量较高，成为提取铝资源的重要原料[1]。在高铝粉煤灰提铝过程中，会产生大量提铝残渣，若不妥善处理，不仅会占用土地资源，还可能造成环境污染。因此，探索提铝残渣的资源化利用途径具有重要的现实意义。水泥工业作为大宗工业固废消纳的重要领域，为各类工业副产物的资源化利用提供了广阔空间。将提铝残渣作为水泥混合材应用，不仅能减少残渣堆存带来的问题，还能降低水泥生产成本，符合绿色可持续发展理念。

本研究通过对粉煤灰提铝残渣的化学成分、矿物组成、细度、需水量比、流动度以及不同掺量下水泥胶砂强度等性能进行系统测试与分析，旨在评估其在水泥基材料中应用的可行性，为提铝残渣的资源化利用提供理论依据和技术支持。

二、实验材料与方法

（一）实验材料

1.水泥：采用市售 P⋅O42.5 级硅酸盐水泥，其各项性能指标符合 GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准要求。

2.粉煤灰提铝残渣：样品为白色粉末状，来源为高铝粉煤灰经高温烧结提铝后的副产物。

（二）实验方法

1.流动度测试：按照 GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》，测定不同提铝残渣掺量下水泥胶砂的流动度。

2.胶砂强度测试：参照 GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》，制备不同提铝残渣掺量（ 0% 、 5% 、 10% 、 15% ）的水泥胶砂试件，测定其 3d 抗折强度和抗压强度，后期将继续测定 28d 及更长龄期的强度。

三、结果与分析

3.1 提铝残渣对水泥流动度的影响

不同提铝残渣掺量下水泥胶砂的流动度检测结果见表 1。从表 2 可以看出，随着提铝残渣掺量的增加，水泥胶砂的流动度呈现逐渐下降的趋势。当掺量为 5% 时，流动度从 221mm 降至 203mm ；当掺量增加到 30% 时，流动度仅为 158mm 。这主要是由于提铝残渣具有一定的吸水特性，且颗粒较粗，在胶砂体系中会吸收更多的水分，同时增加体系的摩擦力，从而导致流动度降低。此外，当掺量大于 15% 时，胶砂已不易于成型，这进一步说明高掺量的提铝残渣会严重影响水泥胶砂的工作性能。

表 1 不同掺量提铝残渣胶砂流动度检测结果

对提铝残渣样品进行 45μm 筛余和需水量比检测，结果见表 1∘45μ m 筛余为 68.1% ，远高于 GB/T1596-2017 中Ⅲ类粉煤灰 ⩽45.0% 的要求；需水量比为 123% ，也超出了Ⅲ类粉煤灰 ⩽115% 的标准。这表明，若直接将该提铝残渣按照常规粉煤灰的使用方式应用于水泥中，可能会对水泥的工作性产生不利影响，需要采取相应的改进措施。

3.3 提铝残渣对水泥胶砂强度的影响

通过掺入不同量的提铝残渣（ 0% 、 5% 、 10% 、 15% ）替代硅酸盐水泥，研究其对胶砂抗压强度的影响，结果见表 2。由表 2 可知，随着提铝残渣替代量的增加，水泥胶砂的 3d 和 28d 抗压强度基本呈下降趋势。

表 2 不同掺量提铝残渣水泥胶砂强度

这一现象可能是由于提铝残渣的水化活性较水泥熟料低，在早期水化阶段，其不能及时参与反应生成足够的水化产物来填充体系孔隙和形成强度，同时，残渣的掺入稀释了水泥熟料的含量，使得早期水化产物减少，从而导致早期强度下降。

提铝残渣的主要矿物组成为硅酸二钙（ C₂S ），总含量达 70.47% ，其中 β-C₂S 含量最高，为 48.48% ， αH^,-C₂S 含量为 20.44% ， γ_Y-C2S 含量仅为 1.55% 。 β-C₂S 是具有较高水化活性的矿物，能够在水化过程中产生强度，而 γ_Y-C2S 活性较低。此外，残渣中还含有 18.46% 的硅铝酸钙矿物、6.68% 的碳酸钙以及少量的铝酸三钙、方镁石和三氧化二铁等。硅铝酸钙矿物也可能参与水化反应，对水泥强度做出贡献。总体而言，提铝残渣的矿物组成使其理论上具备一定的水化活性，尤其是 β-C₂S 的存在，为其在水泥中应用提供了可能。28d 抗压强度下降幅度略高于 3d。

四、结论

1.粉煤灰经过高温烧结提铝后的残渣化学成分主要为 CaO（ 45.13% ）和 SiO₂ （ 24.12% ），其次为残留的 Al₂O₃ （ 9.50% ）以及少量 Na₂O 、 Mg O 和 Fe₂O₃ 等，烧失量为 14.54% 。

2.提铝残渣样品的主要矿物组成为 C₂S ，总含量达 70.47% ，其中 β-C₂ S 含量最高（ 48.48% ），还含有 18.46% 的硅铝酸钙矿物和 6.68% 的碳酸钙等，理论上具备一定的水化活性。

3.提铝残渣颗粒较粗， 45μm 筛余为 68.1% ，需水量比为 123% ，均不满足 GB/T1596-2017 中Ⅲ类粉煤灰的要求。

4.随着提铝残渣掺量的增加，水泥胶砂的流动度和强度均呈现下降趋势，当掺量大于 15% 时，胶砂不易于搅拌和成型。

参考文献

[1]王永旺,房现阁,郭昭华等.粉煤灰提铝残渣资源化应用研究进展[J].露天采矿技术，2013,6:81-84.