摘要：本文研究了不同预烧条件下水泥石矿物的分解程度，结合试样中游离氧化钙（f-CaO）的含量，确定水泥石达到最高分解状态对应的预烧制度；以水泥石为主要原料配制生料，研究预烧温度对生料中游离氧化钙（f-CaO）含量的影响，确定预烧温度对废弃混凝土再生水泥熟料烧成的影响。试验结果表明：水泥石达到最高分解状态对应的预烧制度为快速升温至900-950℃，保温30min左右；预烧温度控制在900-950℃范围内，再生水泥生料矿物分解达到最佳状态。
关键词：废弃混凝土；再生水泥熟料；水泥生料；预烧；游离氧化钙
中图分类号：TQ172.78
1 引言
混凝土生产全过程中，能耗最密集、污染最严重的阶段是水泥生产[1]。近十几年来，随着我国基础建设规模不断扩大，建筑业对水泥的需求量日益增长，水泥行业生产规模不断扩大，给能源、资源和环境造成了极大负担[2]。以废弃混凝土为水泥生产原料或利用废弃混凝土制备再生胶凝材料[3]，通过胶凝材料（水泥）-混凝土材料的闭路循环[4]，在保护生态环境的同时，可以实现对废弃混凝土的高附加值利用，同时还能够有效缓解水泥工业的生产压力、减少对不可再生资源的消耗[5]。
硅酸盐水泥熟料的烧成主要历经干燥与脱水、碳酸盐分解、固相反应、C3S的形成和烧结反应几个阶段[6]。在以悬浮预热和预分解技术为核心的新型干法水泥生产中[7]，干燥脱水、碳酸盐分解及部分固相反应过程在窑外完成，其优势在于：物料几十秒内迅速升温至850-1000℃，其分解率可达85%-95%，具有较高活性的新生态氧化钙、氧化硅与刚分解生成的氧化钙迅速反应；固相反应生成物，如C12A7、C2S和铁铝酸盐等结晶度不佳的新生矿物，为生料的高温烧结提供晶核，有效地降低了高温矿物的成核势能，有利于熟料矿物的高温烧结；己分解的入窑物料降低了窑的热负荷，减小热耗，同时又保证了生产的稳定性。在新型干法水泥生产过程中，预烧制度的选取尤为重要，直接影响入窑物料中粉体的活性，进而对水泥生料锻烧产生影响。
废弃混凝土中，硬化水泥石约占30%左右[8]，水泥石的高温热特性将对再生水泥熟料烧成及性能产生较大影响[9]。本文研究了不同预烧条件下水泥石矿物的分解程度，结合试样中游离氧化钙（f-CaO）的含量，确定水泥石达到最高分解状态对应的预烧制度。
2 试验原材料与方法
2.1 试验原材料
所用的原材料石灰石、硅灰、Fe2O3和Al2O3和分析级的乙二醇；将废弃混凝土分离为粗骨料、细骨料和水泥石，进一步将水泥石分解为粒径<75m的颗粒；再生水泥率值及矿物百分比如表1所示；废弃混凝土再生水泥生料配比，如表2所示。
2.2试验方法
将粒径<75m的水泥石分别采用不同的预烧-锻烧制进行煅烧，如图1所示；
参照GB/T176-2008《水泥化学分析方法》，用乙二醇法测定锻烧后各组试样中游离氧化钙（f-CaO）的含量；选取保温时间120min（最长保温时间）时的最佳预烧温度，在该最佳预烧温度下改变保温时间，选取最佳保温时间；改变初始升温梯度，最终制定最佳预烧制度。
对再生水泥生料进行热重分析，结果如图2所示。由图中可看到，在温度680-860℃范围内，再生水泥生料重量损失达30%左右，其主要原因是钙质原料石灰石分解以及水泥石中水化产物CH和C-S-H分解；当受热温度高于860℃时，生料重量变化趋于平缓，质量无明显损失。根据再生水泥生料热重分析结果，生料中CaO大量以游离态形式存在的可能温度范围为850℃-1000℃。在此温度范围内，改变预烧温度，测定预烧后试样中f-CaO含量，验证所确定的预烧制度的合理性。
3 试验结果及分析
3.1 预烧制度对水泥石分解程度的影响
3.1.1 预烧温度对水泥石分解程度的影响
预烧温度较低时，粉体活性较高；但是预烧温度过高，粉体活性反而下降，导致后期烧结温度升高、熟料质量下降[10]。不同预烧温度下，水泥石中f-CaO含量的测定结果如图3所示。由图3可知，当保温时间固定为120min时，各组锻烧水泥石粉体中f-CaO含量随煅烧温度的升高呈现先提高后降低的趋势，在950℃时出现峰值；预烧温度由850℃升至900℃时，f-CaO含量增长幅度较小，仅为4.9%；预烧温度由900℃升至950℃时，粉体中f-CaO含量仅增加0.3%；预烧温度由950℃升至1000℃时，f-CaO含量急剧减少为27.99%，降幅达11.41%。
这是由于随着温度的升高，水泥石矿物分解度越来越大，以游离态存在的CaO单体的含量相对增加；当温度达到一定值后，固相反应逐渐发生，游离态CaO单体开始聚合，其含量下降。分析可知：当保温时间为120min时，水泥石达到最高分解状态时所对应的预烧温度为900℃-950℃。
3.1.2 保温时间对水泥石分解程度的影响
预烧温度下的保温时间也是一个不可忽视的因素。保温时间短，碳酸盐分解矿物及水泥石矿物分解率较低，后续烧结耗能较高；保温时间过长，粉体活性降低，不利于固相反应。保持预烧温度为950℃，改变保温时间，锻烧水泥石中f-CaO含量变化如图4所示。可见，随着保温时间的延长，各组锻烧水泥石粉体中f-CaO含量逐渐减少；当保温时间由30min增加到60min时，f-CaO含量下降1.52%；随保温时间的进一步延长，f-CaO含量降低幅度趋于平缓。这是因为在950℃下，颗粒粒径<75m的水泥石迅速分解，且伴有部分低温固相反应发生；随着保温时间延长，固相反应持续发生，f-CaO含量呈下降趋势；但因温度未升高，以致反应较为缓慢，表现为f-CaO含量降低幅度较小。分析可知，在950℃预烧温度下，预烧最佳保温时间以不超过30min为宜。