桂林理工大学

详情

利用铝灰制备快硬早强硫铝酸盐水泥

申报人：陈健达 申报日期：2025-01-02

基本情况

2025年批次
利用铝灰制备快硬早强硫铝酸盐水泥 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
硫（铁）铝酸盐水泥以高抗渗、耐海水冲刷和耐腐蚀等特点被认为是较理想的海洋工程水泥，但由于生产成本高，规模化利用受到限制。铝灰是铝冶炼中产生的固体废弃物，其含有一定量氟化物、氰化物、碳化铝等有毒有害物质，已被列入《国家危险废物名录》，资源化利用受到限制，而水泥混凝土被认为是有害元素最好的固化体。项目针对上述存在问题，提出利用二次铝灰代替铝矾土制备快硬硫铝酸盐水泥。通过工艺优化制备出性能合格的低成本快硬硫铝酸盐水泥，同时实现铝灰的规模资源化利用。
曾参与校级创新训练项目两项
1、国家自然科学基金项目：拜耳法赤泥制备铁铝酸盐水泥熟料矿物形成机理及胶凝性研究（51362007），2013.09-2017.12，项目经费：51万，参与，排名第二；
2、国家自然科学基金项目：转炉钢渣原位氧化及其熟料烧成化学基础研究（21566008），2015.09-2019.12，项目经费：40万，参与，排名第二；
3、广西科技重大专项：复杂海洋环境下高抗蚀建设工程材料开发与示范应用（2018AA23004），2018.08-2021.09，项目总经费:2000万元（子项目总共经费：240万元），子项目第二负责人
4、广西青年基金项目：拜耳法赤泥基高贝利特铁铝酸盐海工水泥矿物活化及腐蚀机理研究(2018GXNSFBA138053),2018.06-2012.07,项目经费：10万元，主持；
5、广西中青年教师基础能力提升项目：利用赤泥、粉煤灰制备贝利特硫铝酸盐水泥及矿物活化研究（2017KY0250），2017.05-2019.12，项目经费：2万元，主持。
6、广西重点研发计划项目：电解锰渣精准无害处置及全量资源化利用关键技术研究与应用示范（桂科AB24010020），2024.05-2027.04，主持，在研；
7、广西重点研发计划项目：固废基低碳高性能养护材料开发及应用示范（桂科AB24010335），2024.05-2027.04，子课题主持，在研；
支持
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
陈健达 材料科学与工程学院 无机非金属材料工程（实验班） 2022 项目进度规划
韦梦星 材料科学与工程学院 无机非金属材料工程（实验班） 2022 实验制备、记录
劳传梅 材料科学与工程学院 无机非金属材料工程 2022 实验制备、分析

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
赵艳荣 材料科学与工程学院 否
单江涛 党委武装部、党委保卫工作部、保卫处 否

立项依据

     利用铝灰煅烧后氧化铝含量高的特点，研究利用铝灰替代铝矾土制备快硬早强硫铝酸盐水泥，确定水泥的制备工艺及参数，研究水泥的相关性能及有害元素固化情况，为铝灰制备快硬早强硫铝酸盐水泥提供理论基础。不仅解决快硬硫铝酸盐水泥生产成本高的问题，还解决铝矾土堆存污染环境的问题，符合国家当前发展战略需求。

1、铝灰的物理化学性能及研究。研究铝灰的矿物组成、氧化物含量、有害元素含量及放射性；

2、利用铝灰替代铝矾土配料，研究不同铝灰替代量对水泥熟料矿物形成、工作性能、力学性能影响规律，确定最佳工艺参数；

3、研究水泥水化固化过程中重金属元素的固化规律及浸出过程，探明水化矿物形成演变及重金属离子固化作用机理。
     潘一帆,张玉露[1]等在2023年提出了二次铝灰的“多级梯阶水解处理”方案，通过物理、化学分析得知，二次铝灰的主要成分为A2lO3（约75.1%）。铝灰-水泥胶砂试验结果表明：水解后二次铝灰会使复合胶凝材料与外加剂的相容性下降，10%取代水泥时，基准减水剂用量增加28.5%，56d水泥胶砂抗压强度下降约9.1%。综合研究分析，水解后二次铝灰具备在水泥基材料中应用的基础条件，但其对混凝土力学性能一定程度不利影响，同时二次铝灰对混凝土体积稳定性、耐久性等相关的研究仍须进一步深入。
     马文青,李灿华[2]等在2024年探究了二次铝灰部分替代矾土作为原料制备铝酸盐水泥的可行性，指出Al2O3含量60%、煅烧温度1350℃、保温时间1h为较优的制备条件，结果表明水化28 d的铝酸盐水泥抗压强度达到85.5 MPa，抗折强度达到11.5 MPa，说明了二次铝灰可部分替代矾土用于制备铝酸盐水泥。
     钟维军,谢嘉磊[3]等在2023年表明随二次铝灰烧结渣料磨细粉掺量的增加，注浆料的凝结时间先延长后缩短，早期抗压强度先提高后降低，后期强度呈降低趋势。
     Yao,Yonggang[4]等人提出以烟气脱硫（FGD）-石膏、煤矸石、石灰石尾矿和铝灰为原料制备了硫铝酸盐高性能胶凝材料（SHCM）并对此进行了研究。SHCM熟料的矿物相与普通磺基铝酸盐水泥（SAC）熟料相似。通过与普通SAC的机械强度发展历史进行比较，发现SHCM砂浆的机械强度在3 d至28 d之间仍以相对较高的速率发展。实验侧面表明铝灰的加入对硫铝酸盐水泥是可行的。
     Ren,Changzai[5]在2017年对铝渣、碳化物渣、煤矸石和镁脱硫渣制备的SAC-MKPC水泥基复合材料进行了实验研究，与MKPC相比，基于固体废物的SAC-MKPC具有更好的机械性能和优异的耐水性。在水化2h、1d、3d、7d和28d时，最佳抗压强度分别达到35.2、70.9、84.1、87.7和101.6MPa。
     Xujiang Wang[6]等学者在2023年以钢渣、烟气脱硫石膏、铝灰和石灰石尾矿为原料制备了富铁钢渣基硫铝酸盐胶凝材料（SSCM），并研究了SSCM的基本特性和低温特性。SSCM比PC52.5凝结速度更快，性能更高，低温下表现出比PC更高的抗压强度，在寒冷地区建筑的具有良好应用前景。
     MS Reddy[7]在2016年尝试研究掺入再生铝渣掺入的混凝土的机械和耐久性方面。为了证明再生铝渣作为建筑材料的用途，已经研究了各种性能，如抗压强度、裂开拉伸强度、弯曲强度、吸附率、吸水率、氯化物的快速渗透。据观察，再生铝渣滓可替代高达 15% 的水泥，其响应与传统混凝土相当。从整体研究中可以得出结论，掺入再生铝渣掺入的混凝土可用于制造铺路石块、耐火砖和正常的混凝土强度应用。
综上所述，利用二次铝灰制备快硬早强硫铝酸盐水泥是可行的，但目前对该领域的研究不够深刻。如果能利用二次铝灰中的有效铝成分在制备硫铝酸盐水泥熟料中提供Al2O3，并在水化时可以有效固化二次铝灰中的部分重金属，实现了工业危废的环境友好利用，支持了绿色可持续发展的趋势。
     参考文献：
[1]潘一帆, 张玉露, 梁洪滔, 张大康.水泥基材料资源化利用二次铝灰的可行性研究[J].工业建筑,2023,53(S2):689-693.
[2]马文青, 李灿华, 都刚, 李家茂, 李明晖.二次铝灰部分替代矾土制备铝酸盐水泥[J].有色金属科学与工程,2024,15(04):527-534.
[3]钟维军, 谢嘉磊, 张洁, 巴明芳.二次铝灰烧结渣料磨细粉对快硬高强硫铝酸盐水泥注浆料性能的影响[J].新型建筑材料,2023,50(09):51-56+61.
[4]Yao Yonggang, Wang Wenlong, et al.Hydration study and characteristic analysis of a sulfoaluminate high-performance cementitious material made with industrial solid wastes[J].Cement&concrete composites,2020,112.1.
[5]Ren, Changzai ,et al.Preparation and Properties of a Sulphoaluminate Magnesium-Potassium Phosphate Green Cementitious Composite Material from Industrial Solid Wastes[J].Materials,2021,14.23:7340.
[6]Wang ,X, et al.Properties and hydration characteristics of an iron-rich sulfoaluminate cementitious material under cold temperatures[J].Cement and Concrete Research, 2023.
[7]REDDY M S, NEERAJA D. Mechanical and durability aspects of concretein corporating secondary aluminumslag[J]. Resource-Efficienttechnologies,2016,2(4):225-232.
①　根据铝灰中Al2O3含量高的特点，利用铝灰全部替代铝矾土制备快硬早强硫铝酸盐水泥。铝灰作为危险废物，含有一定量的有毒有害物质且具有放射性，利用硫铝酸盐水泥水化产物-钙钒石及铝胶结构的特殊性吸附铝灰中的有害元素，达到铝灰无害化处置目的，实现铝灰的规模资源化利用，在开辟了铝灰利用途径的同时，有助于解决铝灰大量堆积对环境的污染问题。
②　使用铝灰替代高纯铝矾土制备硫铝酸盐水泥，能够降低成本。铝灰替代铝矾土为硫铝酸盐水泥的生产提供了重要原材料的选择来源，既能降低水泥生产成本，又能减少高品位铝矾土的消耗，有着较高的经济效益和环境效益。
1)技术路线：
summernote-img
2)拟解决的问题：
①　铝灰制备水泥中有害元素的迁移及固化过程。铝灰中的氟和氯元素在制备水泥过程中，可能会在高温环境下以气态形式释放，导致空气污染。重金属元素在水泥制备过程中可能会发生迁移，影响水泥产品的质量和安全性。因此，本项目将通过研究在水泥制备过程中（包括原料混合、煅烧等阶段）有害元素的物理和化学迁移机制，例如，通过热重分析、X射线衍射等手段分析有害元素在不同温度和压力条件下的存在形式和迁移方向。从而寻找有效的固化剂和添加剂，使有害元素在水泥基质中稳定固化。例如，研究添加某些矿物添加剂（如硅灰、沸石等）对有害元素固化效果的影响，通过微观结构分析（如扫描电子显微镜、能谱分析等）确定固化后的有害元素的化学形态和分布。
②　水化过程中有害元素的固化及析出。水泥水化过程中有害元素的化学反应，例如，氟、氯等元素如何参与水化反应，是否会形成新的有害化合物。探究在水泥使用过程中（如在潮湿环境或长期浸泡条件下）有害元素从水泥基体中析出的机制。因此，本项目将通过浸泡试验、溶出试验等方法，测定有害元素的析出量和析出速率，并分析其影响因素（如pH值、温度、湿度等），分析得到重金属元素在水化产物中的存在形式，以及它们对水化产物晶体结构的影响。最终，提出有效的控制措施，如优化水泥配方、添加阻化剂等，以实现有害元素在水泥水化过程中的良好固化和减少析出，确保水泥制品在使用过程中的环境安全性。
3)预期成果：
1、利用二次铝灰制备出低成本、低碳环保的快硬早强硫铝酸盐水泥。
2、优化完善制备工艺，进一步确定二次铝灰代替铝矾土配料的最佳工艺参数。
3、得出水化矿物形成演变及重金属离子固化作用机理。
4、撰写1份分析详细、数据完整的结题报告。
5、申请1项国家专利。
6、在中文核心期刊上发表1篇关于利用二次铝灰和其他工业危废制备早强快硬硫铝酸盐水泥的学术论文，阐述本项目的研究成果与创新点，为该领域的理论研究提供新的视角与数据支持。
时间 进度安排
2025.1-2025.3
查阅并阅读文献，开展文献调研并完善实验方案
2025.4-2025.5
确定研究内容、制定原料配比、设计实验流程
2025.6-2025.9
初步利用二次铝灰制备快硬早强硫铝酸盐水泥
2025.10-2026.1
分析水泥性能、逐步探究最佳制备条件
2026.2-2026.4
整理并分析数据、完成结题报告、撰写论文


1)研究积累
课题组老师赵艳荣副研究员在水泥利用方面有深入研究，其科研成果包括利用赤泥、粉煤灰制备贝利特硫铝酸盐水泥等，这些研究为铝灰在水泥工业中的应用提供了理论基础和技术支持。通过这些研究，可以更有效地利用铝灰，减少其对环境的影响，同时为水泥工业提供新的原料来源，进一步推动了环境保护和可持续发展的实践。铝灰的资源化利用不仅有助于解决环境问题，还能促进水泥工业的技术创新和产业升级，实现经济效益与环境效益的双赢。
课题组在材料科学领域的研究背景丰富，尤其在水泥材料和工业废弃物利用方面取得了显著成果。赵艳荣老师及其团队在利用工业废弃物，如粉煤灰和拜耳法赤泥制备贝利特硫铝酸盐水泥方面进行了深入研究，并发表了多篇论文和申请了相关专利。发表“利用粉煤灰、拜耳法赤泥制备贝利特硫铝酸盐水泥的研究”论文，探讨了粉煤灰和赤泥在水泥生产中的应用。发表“以粉煤灰、赤泥低温烧制贝利特-硫铝酸盐水泥”的研究，进一步证实了工业废弃物在水泥生产中的潜力。参与了“拜耳法赤泥激发锰渣活性的研究”，为工业废弃物的高值化利用提供了新思路。拥有“一种利用赤泥及钡泥制备高铁阿利特-硫铝酸钡钙水泥的方法”、“一种利用赤泥制备高铁水泥的方法”等专利成果，课题组在具有水泥生产技术扎实的创新能力和在赤泥利用方面具有一定的研究深度。这不仅展示了课题组在材料科学领域的专业能力，也体现了其在工业废弃物资源化利用方面的创新和实践。
2)已取得成绩
本项目课题组已对项目相关研究内容进行了一定研究，课题组成员已初步完成铝灰代替铝矾土制备快硬早强硫铝酸盐水泥的实验，并对水泥进行了强度检测。几种配比的实验数据表明，1d水泥的抗压强度能达到40MPa以上，7d水泥最高可达110MPa。实验进一步证明铝灰代替铝矾土制备快硬早强硫铝酸盐水泥的可行性，为本项目的实行提供了坚实的实践基础。
summernote-img 
1)已具备条件
本项目所在课题组具有完整的用铝灰进行快硬早强硫铝酸盐水泥的制备、加工、性能测试和水泥微观组织观察等实验条件，拥有用于分析材料的晶体结构和相组成的XRD衍射仪，用于观察水泥的微观结构和表面形貌的扫描电子显微镜SEM，用于研究材料在不同温度下的热稳定性和质量变化的热重分析仪TGA，测量水泥水化过程中的放热反应，评估水泥的早期强度发展的水泥水化热测定仪，模拟水泥在实际应用中的混合过程的水泥胶砂搅拌机，进行力学性能测试的水泥胶砂成型机等实验设备，有助于保障项目实施的顺利开展和完成。
本项目在利用铝灰作为危废制备水泥方面具有一定的研究进展和成果表现，深入研究了水泥工业特征实现协同处置利用危废的潜力及工艺路线。课题组已掌握完整的实验流程，包括原料处理、混合比例、固化工艺等。
2)尚缺少条件及解决方法
1、无法确保成分稳定：实验过程中由于操作手法以及实验设备等外界因素，沾染别的成分导致实验出现偏差。实验过程中应小心谨慎，实验后可把成品送往研究所分析成分，以便后续发现并解决问题。
2、原材料供应不稳定：实验需要特定的原材料供应可能不稳定或成本较高。可与供应商建立长期合作关系，确保原材料的稳定供应。
3、数据分析经验欠缺：团队成员数据整理、分析能力尚不足。团队成员应积极向课题组成员学习，并利用统计软件和数据分析工具，或者与相关专业人员合作。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 4500.00 5500.00
1. 业务费 6000.00 用于实验各项事项 2500.00 3500.00
（1）计算、分析、测试费 3000.00 用于样品的测试 1500.00 1500.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 0.00 无 0.00 0.00
（5）论文出版费 3000.00 论文版面费 1000.00 2000.00
2. 仪器设备购置费 0.00 无 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 4000.00 用于购买化学试剂及外加剂、实验耗材等 2000.00 2000.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

版权所有： 南京先极科技有限公司