垃圾焚烧飞灰制备硫铝酸盐水泥的安全性研究

2 结果与讨论

2.1 硫铝酸盐水泥熟料的组成

经1250℃煅烧2h后所得硫铝酸盐水泥熟料的XRD分析结果见图2。由图2可知，熟料中的主要矿物为C₄A₃S、C₂S和少量CaSO₄。表2为熟料XRF分析结果，在此基础上结合物相组成，采用鲍格公式对熟料的矿物组成进行计算，具体结果为：C₄A₃S：70%；C₂S：26%；CaSO₄：4%。

图2 硫铝酸盐水泥熟料XRD分析

表2 硫铝酸盐水泥熟料的主要化学组成 %

2.2 石膏对硫铝酸盐水泥性能的影响

石膏掺量分别为0%、5%、10%、20%时，配制硫铝酸盐水泥各龄期的抗压强度见图3。未掺石膏的试样在水化前3d均强度太低且增长十分缓慢，但是后期强度发展较快。掺5%石膏时，各龄期强度理想，到56d时强度依然保持增长的趋势。而石膏掺量增至10%时，虽然水化早期（1d）强度较高，但后期强度增长较慢。当石膏掺量增至20%时，各龄期强度均有所降低。

由于石膏对硫铝酸盐水泥水化起到至关重要作用，采用XRD对掺5%石膏硬化水泥浆体的矿物组成进行分析，结果见图4。由图4可知，水化3d后，浆体中便有大量AFt生成；水化28d后，C₄A₃S 的主要特征峰高度较3d时显著下降，AFt特征峰略有提高。石膏掺量在很大程度上决定熟料中C₄A₃S 的水化程度和钙矾石等水化产物的形成量。

不掺加石膏时，水化形成钙矾石所需硫质来源于熟料本身，因而纯熟料早期的水化速度较慢。加入石膏后，C₄A₃S 水化速度大大加快，但石膏掺量存在一个限值，当掺量过大时，水泥石后期强度反而发展缓慢。

这是因为在水化初期，钙矾石生成促进了强度的发展，当水泥石达到一定的强度后，再生成的过量AFt和二次石膏会造成膨胀，使已达稳定结构的水泥石结构疏松、孔隙率增加，导致强度反而有所降低。此外，熟料中C₂S持续水化也有助于水泥后期强度的稳定发展。

图3 石膏掺量对硫铝酸盐水泥抗压强度的影响

图4 硬化硫铝酸盐水泥浆体的XRD图

2.3 煅烧过程中重金属的挥发

排入大气中的重金属元素会直接对环境和人类产生威胁，因此利用垃圾焚烧飞灰煅烧水泥时，需对重金属元素在水泥熟料中的固化率进行研究。除对煅烧出的硫铝酸盐水泥熟料进行分析外，同时将垃圾焚烧飞灰按照与熟料相同的热工制度进行煅烧并分析其重金属元素含量，以比较烧成的水泥熟料对重金属元素的固化效果。重金属在水泥中的固化率可按式（1）进行计算[6]，重金属测得值及其固化率计算结果如表3所示。

式中：

G——重金属在熟料中的固化率，%；

K——熟料中重金属元素含量，mg/g；

S——生料中重金属元素含量，mg/g；

LOI——生料烧失量。

延伸阅读：

固化工业危险废物焚烧飞灰重金属的研究

垃圾焚烧飞灰无害化与资源化现状及发展趋势

低碳环保冷结砖技术破解垃圾焚烧飞灰处置难题

生活垃圾焚烧飞灰的物理化学特性