引言

2021年，碳達(dá)峰、碳中和被首次寫入政府工作報(bào)告，中國也將力爭在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。由于水泥行業(yè)受固有原料結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的限制，是名副其實(shí)二氧化碳的排放大戶。目前，我國水泥熟料碳排放系數(shù)(基于水泥熟料產(chǎn)量核算)約為0.86，即生產(chǎn)一噸水泥熟料將產(chǎn)生約860kg二氧化碳。同時(shí)，混凝土攪拌站作為水泥的主要使用單位，在保證混凝土各項(xiàng)性能的前提下，通過添加復(fù)合礦物摻合料從而降低水泥使用量，也是實(shí)現(xiàn)碳減排的重要途經(jīng)之一。復(fù)合微粉作為礦物摻合料已廣泛應(yīng)用于混凝土的生產(chǎn)過程中，其目的主要是提升混凝土的工作性能和使用性能，同時(shí)可以減少水泥用量，現(xiàn)已成為混凝土的第六組分。2021年，國家發(fā)改委下發(fā)《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》(發(fā)改環(huán)資〔2021〕381號)(以下簡稱《意見》)，該項(xiàng)目旨在利用轉(zhuǎn)爐渣制備高性能復(fù)合礦物摻合料，滿足《意見》中關(guān)于“到2025年，冶煉渣等大宗固廢的綜合利用能力顯著提升”、“加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)協(xié)同利用，擴(kuò)大鋼渣利用規(guī)模，擴(kuò)大鋼渣微粉作混凝土摻合料在建設(shè)工程等領(lǐng)域的利用”等政策方面的要求。四川省涼山州西昌市及其周邊地區(qū)的城市化進(jìn)程明顯加快，對混凝土的需求量也隨之變得巨大。根據(jù)涼山州統(tǒng)計(jì)局公布的相關(guān)數(shù)據(jù)：2020年，全州商品混凝土的總產(chǎn)量約637.5萬m3，按照每立方混凝土使用80~120kg的礦物摻合料，據(jù)初步測算，復(fù)合礦物摻合料需求量約為65萬t。攀鋼高爐的排渣量正以每年不低于300萬t速度遞增，如何利用這些固體廢棄物是資源綜合利用的課題。

膠凝材料是不可缺少的一個(gè)重要組成部分。膠凝材料通過水化等反應(yīng)，將砂、石等材料膠結(jié)在一起，形成具有較好力學(xué)性能和耐久性能的混凝土材料。在分析水泥礦物的膠凝性時(shí)曾指出工業(yè)廢渣具有潛在的活性，這些材料也可以通過一些反應(yīng)將砂、石等材料膠結(jié)在一起，形成具有較好性能的混凝土材料。因此，它們也可以作為一種膠凝材料，或者與其它組分結(jié)合，構(gòu)成新的膠凝材料體系。

目前，這些礦物摻合料已經(jīng)成為混凝土材料中的一個(gè)重要組分，而且是膠凝材料的一個(gè)重要的組成部分。本文從礦物摻合料在混凝土中的作用入手，分析礦物摻合料的活性效應(yīng)與其它效應(yīng)的關(guān)系和激發(fā)礦物摻合料活性的方式方法，提出選擇激發(fā)方法時(shí)應(yīng)注意的問題，以及對激發(fā)礦物摻合料活性方法的一些新構(gòu)思，試圖通過多學(xué)科相互借鑒與交叉的思維方式，尋找充分活化礦物摻合料新的突破點(diǎn)。

把高性能復(fù)合摻合料均勻分布于混凝土漿體的基相中，改善其混凝土的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生微集料效應(yīng)。一是這些轉(zhuǎn)爐渣本身具有較高的強(qiáng)度；二是轉(zhuǎn)爐渣與水化產(chǎn)物之間具有較好的粘結(jié)性能；三是這些轉(zhuǎn)爐渣粉磨后在水泥漿體中分散狀態(tài)良好，有助于新拌混凝土和硬化混凝土均勻性的改善，也有助于混凝土中孔隙的填充與“細(xì)化”。微集料顆粒的界面反應(yīng)是提高其界面性能的一個(gè)重要途徑。

因此，轉(zhuǎn)爐渣活性效應(yīng)的發(fā)揮是微集料效應(yīng)發(fā)揮的前提和保證。活性效應(yīng)是形態(tài)效應(yīng)作用效果的延續(xù)。從對混凝土材料性能的影響上看，活性效應(yīng)是形態(tài)效應(yīng)的延續(xù)和發(fā)展，它使混凝土性能得到進(jìn)一步的改善。

2.1 轉(zhuǎn)爐渣的主要化學(xué)成分(表1)

2.2 轉(zhuǎn)爐渣生產(chǎn)復(fù)合摻合料的可行性

在GB/T51003-2014礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范中規(guī)定，以硅、鋁、鈣等一種或多種氧化物為主要成分，具有規(guī)定細(xì)度，摻入混凝土中能改善混凝土性能的粉體材料。從表1化學(xué)成分上看，符合以硅、鋁、鈣等一種或多種氧化物為主要成分。我們按照GB/T51003-2014礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范要求對細(xì)度、比表面積、活性指數(shù)、流動(dòng)度、含水量、三氧化硫、燒失量、氯離子進(jìn)行對轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行檢測，從表2看轉(zhuǎn)爐渣完全滿足復(fù)合礦物摻合料的技術(shù)要求。認(rèn)為精煉渣-轉(zhuǎn)爐渣-礦渣-脫硫石膏膠凝材料各齡期的水化產(chǎn)物主要為鈣礬石(AFi)和G-S-H凝膠，其協(xié)同水化作用能促進(jìn)鈣礬石和C-S-H凝膠的生成和生長，保證了抗壓強(qiáng)度的提高。我們采用多重協(xié)同活化方法，通過物相重構(gòu)-化學(xué)激發(fā)-機(jī)械力多重活化，產(chǎn)生化學(xué)、物理相互協(xié)同的復(fù)合效應(yīng)，進(jìn)一步提高摻合料的活性(表3)。我們通過對轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行預(yù)處理，改善提升其性能，提高水化反應(yīng)活性，獲得更高的活性。

一是對轉(zhuǎn)爐渣產(chǎn)生過程的高溫物相形成進(jìn)行調(diào)控，獲得更多更好的活性組成和潛在活性物相；二是對轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行化學(xué)方法處理，激發(fā)和提高潛在活性；三是對顆粒表面進(jìn)行物理機(jī)械力作用，改變其表面結(jié)構(gòu)與性能，提高顆粒表面活性。轉(zhuǎn)爐渣活性與其活性礦物和潛在玻璃相有關(guān)，通過物相調(diào)控可提高活性。一是根據(jù)礦相熱物理性和重構(gòu)熱力學(xué)規(guī)律，通過分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算和固廢組份微結(jié)構(gòu)調(diào)控屏蔽及穩(wěn)定固化技術(shù)，控制析晶轉(zhuǎn)變速率和活化能，有利于活性物相的重構(gòu)；二是引入金屬氧化物，降低熔體黏度，促進(jìn)結(jié)晶體熔化，打斷硅氧骨架網(wǎng)絡(luò)，縮短鏈段長，有利于形成和改善玻璃相。增加硫酸根離子使其堿飽和度更高，使其產(chǎn)生更多的鈣礬石(AFt)，以增加其密實(shí)度；提高氫氧根離子溶解速度及降低溶解度，加速玻璃體解聚和C-S-H膠凝材料的生成。

2.3 轉(zhuǎn)爐渣生產(chǎn)高性能復(fù)合摻合料

轉(zhuǎn)爐渣含鐵粒較多，易磨性很差，磨蝕性強(qiáng)，粉磨效率相對較低。同時(shí)，為進(jìn)一步激活轉(zhuǎn)爐渣活性，制備高性能復(fù)合摻合料時(shí)，要求粉體具有更細(xì)的細(xì)度和更高的比表面積，傳統(tǒng)水泥及礦渣的粉磨工藝并不適用。隨著裝備技術(shù)的發(fā)展，目前已誕生出許多適用于鋼鐵渣尾渣的粉磨工藝及裝備。總體來說，“預(yù)處理+終粉磨”工藝是目前比較具有代表性的粉磨工藝，其首先通過預(yù)處理將轉(zhuǎn)爐渣磨至1~3mm或0.1~1mm，通過磁選、風(fēng)選等實(shí)現(xiàn)渣與鐵的分離，再將金屬鐵含量小于1%的轉(zhuǎn)爐渣通過終粉磨實(shí)現(xiàn)磨細(xì)。目前，適用于預(yù)處理的設(shè)備主要有輥磨機(jī)、棒磨機(jī)、球磨機(jī)等，適用于終粉磨的設(shè)備主要有球磨機(jī)、立磨等。

考慮到輥磨機(jī)能耗低，產(chǎn)能大，占地面積小，備品備件少等屬性特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)礦物摻合料企業(yè)生產(chǎn)線主機(jī)設(shè)備的主流狀況，我們在傳統(tǒng)球磨體系中增加輥磨機(jī)作為預(yù)處理設(shè)備，球磨機(jī)則作為終磨設(shè)備我們認(rèn)為“輥磨機(jī)+球磨機(jī)”粉磨方式為目前占地相對較少，投資效率較高，運(yùn)行成本偏低的工藝路線。

根據(jù)選擇的“輥磨機(jī)+立磨”粉磨工藝，現(xiàn)將高性能復(fù)合礦物摻合料的生產(chǎn)工藝暫定如下：

原料儲存→計(jì)量→輥磨機(jī)→選粉機(jī)→立磨→高效選粉機(jī)→高性能復(fù)合礦物摻合料。

我們采用高效超細(xì)粉立磨裝備技術(shù)。為了解決難磨轉(zhuǎn)爐渣的關(guān)鍵技術(shù)難題，使用創(chuàng)新技術(shù)：磨輥和磨盤采用經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的曲率，在對物料進(jìn)行碾壓過程中自動(dòng)形成增壓區(qū)和高壓粉磨區(qū)，高效地完成粉磨過程。增壓區(qū)的作用是使松散物料迅速壓實(shí)，并完成初破碎和粉磨。物料最終在高壓粉磨區(qū)完成高效的粉磨作業(yè)，也就是俗稱的“輪胎輥”。

在粉磨過程中再摻入一定量的改性劑，使得高性能復(fù)合摻合料在使用上和混凝土外加劑更好地匹配，在混凝土工作性能上更加優(yōu)良，特別是改善混凝土的和易性、經(jīng)時(shí)損失率方面有很好的適應(yīng)。

使用轉(zhuǎn)爐渣有效消除了環(huán)保隱患，消除尾礦對周邊居民與生態(tài)環(huán)境的影響，能夠帶動(dòng)商貿(mào)服務(wù)、物流等行業(yè)發(fā)展，對拉動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)具有重要貢獻(xiàn)。

利用轉(zhuǎn)爐渣生產(chǎn)高性能復(fù)合摻合料公司年產(chǎn)30萬t，預(yù)計(jì)達(dá)產(chǎn)期年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值4530萬元，實(shí)現(xiàn)利稅100萬元以上，每年減少CO₂排放18萬t，實(shí)現(xiàn)利潤700萬元，增加了社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

作者：周志容1，孫小培2，孫夢夏2，駱秀萍3，任立剛3

所屬：1嘉華特種水泥股份有限公司嘉華水泥總廠；2涼山賽迪建材科技有限公司；3陜西實(shí)豐水泥股份有限公司

來源：《中國水泥》

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