幹法脫硫灰作為一類以半水亞硫酸鈣、碳酸鈣、飛灰及氫氧化鈣為主要礦物組成，具有幹態、粒徑細等特點的一般工業固廢，兼具粉煤灰和二水石膏的特點，在水泥行業的套用受到國內外研究者的重視。蘇達根和劉輝敏等認為：對於中間相和 C3A 含量較高的熟料，亞硫酸鈣不具有緩凝作用；對於中間相含量少、C4AF 含量較高的熟料，亞硫酸鈣單獨加入有緩凝作用，且比石膏作緩凝劑水泥的凝結時間長。美國電力研究機構(EPRI)在 2007 年的報告中也將脫硫灰在水泥中的套用列為高潛能行列。但是大多數研究僅針對某一計畫脫硫灰在某特定水泥熟料進行指標性實驗，或間接從水泥反應產物推斷其反應機理，缺乏有關幹法脫硫灰在水泥中起緩凝作用的機理研究。
本文將不同來源脫硫灰添加至不同種類水泥熟料和采用馬弗爐制備的純礦物 C3A 和 C4AF 中，並透過對水化放熱過程及水化的礦物相研究，分析脫硫灰和脫硫石膏在水泥中的緩凝效果。
1. 試驗
脫硫灰為梅鋼鋼鐵燒結機煙氣幹法脫硫工藝所產生的副產物，脫硫石膏(FGD)為火電廠濕法脫硫工藝產生的副產物。兩種熟料HR和LT分別來自福建龍巖華潤和藍田兩家水泥廠。用 X 射線熒光光譜(XRF)分析脫硫灰和兩種熟料的元素組成，結果如表 1 所示。利用 Bouge 法計算得到HR熟料的 C3A含量為6.61%，C4AF 含量為10.43%；LT 熟料的C3A含量為 8.78%，C4AF 含量為 8.15%。
所用的純礦物 C3A 和 C4AF 均采用純化學試劑燒制而成。其中 C3A 以 Ca(OH)2和 Al(OH)3為原料，按照莫耳比為 3:2(對應的品質百分數為58.76%和41.24%)進行配料；C4AF 以 Ca(OH)2、Al(OH)3和Fe2O3為原料，按照莫耳比4:2:1(對應品質比為48.42%:25.49%:26.09%)進行配料。純礦物 C3A 和C4AF 的制備過程為：按化學計量稱取相應的化學原料，混合均勻後加入 10%的去離子水攪拌成均勻的混合濕料；稱取 8~10 g 的濕原料，在 80 MPa 的壓力下制成 ϕ25 mm 的試塊，將試塊放入烘箱內，在105~110℃烘幹至品質恒定；將試塊置於鉑金坩堝內，先在低溫箱式電爐內 800℃預燒 30min，然後分別在1350和1300 ℃燒結30min 制備成純礦物C3A 和 C4AF。
用量熱儀測試水化放熱行為，對比脫硫灰及脫硫石膏對熟料水化放熱行為的影響。用 X 射線繞射儀(CuKα射線，40 kV，40 mA)分析水化產物的礦物組成，對比脫硫灰和脫硫石膏對熟料和純相礦物的水化產物的影響。水化試驗配方如表 2 所示，試樣在 20℃，95%相對濕度條件下水化。
圖 2 為脫硫灰及石膏與不同熟料作用的水化放熱曲線。從第 2 個放熱峰的位置可以看出，雖然 HR和LT的C3A 和C4AF 的含量各不相同，其熟料的凝結時間也不一致，但是透過石膏的調節，使其凝結時間趨於一致；使用脫硫灰時其凝結時間要長於石膏配方，且脫硫灰對 HR熟料的緩凝作用要強於LT熟料。這與脫硫灰及石膏作為水泥緩凝劑的試驗結果一致。
圖3為脫硫灰及石膏與純相C3A和C4AF 的水化放熱曲線。由圖3可以看出，脫硫灰和石膏與C3A和C4AF作用的水化放熱趨勢基本一致，且從C3A的第2個明顯峰可以看出，脫硫灰對其緩凝作用要強於石膏。從第1個峰可以看出，無論是石膏還是脫硫灰，都能在初期有效延緩 C3A 和 C4AF 的溶解，從而延緩水化。
由圖4可以看出：石膏與C3A 很快發生反應，在0.5h就出現明顯的鈣礬石；隨著水化時間的延長，石膏繞射峰逐漸減弱，鈣礬石繞射峰逐漸增強。除此之外還有出現氫氧化鈣和碳酸鈣新物質的繞射峰，這是由於C3A水化產生氫氧化鈣，在空氣中碳化變成碳酸鈣所導致。與石膏配方相比，脫硫灰與C3A作用的水化產物基本一致，鈣礬石生成要緩於石膏配方。從脫硫灰配方3h的礦物分析可以看到氫氧化鈣繞射峰出現，說明半水亞硫酸鈣溶解後，可能會部份緩慢轉化成硫酸鈣，並與C3A反應形成鈣礬石。從7d水化產物來看，與石膏配方不同，脫硫灰配方除了生成氫氧化鈣和碳酸鈣外，還產生了水鋁鈣石和類水化硫鋁酸鈣(AFm)物質，而石膏配方中並無類 AFm出現，這可能是由於脫硫灰配方中亞硫酸鈣或硫酸鈣含量較少，導致後期 C3A水化時，含硫礦物質不足，從而導致類AFm物質的生成。除此之外，脫硫灰配方經7d 水化後還產生了水鋁鈣石，其氯離子來源於脫硫灰中所含氯化物(氯化鈣)。
2. 結論：
1) 脫硫灰和石膏都對熟料具有緩凝作用，脫硫灰對HR熟料的緩凝作用強於石膏。
2) 脫硫灰和石膏與水泥中C3A和 C4AF的作用類似。
3) 由於半水亞硫酸鈣的溶解度低於石膏，進一步延長脫硫灰與水泥的作用時間，並產生石膏配方所不具有的諸如類 AFm、水鋁鈣石的礦物質，是其緩凝效果優於石膏配方的原因。
