CN103332879A - 一种廉价单组分碱激发水泥的制备与使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种廉价单组分碱激发水泥的制备及其使用方法。本发明主要是将硅铝质原料、钙质原料、含碱金属廉价盐、碳质原料分别粉磨，再按一定的顺序和比例混合成生料，将生料粉快速升温至预定最高温度，保温0.5～3.0小时后速冷至常温即得熟料；将所得熟料磨至水泥的细度即得水泥。加水与水泥混和为浆体，水的加量需使水与水泥的浆体在模具中能振动密实；加入模具中的浆体振动密实后在50～80℃的温度下保湿养护1～3天即达到所需的强度；根据需要可在水泥浆体中掺加其它集料和惰性填料。本发明的廉价单组分碱激发水泥的原料丰富易得，成本低，并且整个制备过程低碳、低能耗，所得产品早强好，为水泥材料开辟了一条新的途径。
Description
技术领域
本发明属于新型水泥材料领域，具体涉及一种廉价单组分碱激发水泥的制备及其使用方法。
背景技术
2011年我国水泥产量达20.63亿吨，其中绝大部分是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥煅烧温度达1450℃，能耗物耗高、碳排放高、环境污染严重、耐酸耐蚀和耐久性差，且消耗大量的优质石灰岩资源，应逐渐限制与减少其使用。最近研究比较活跃的碱激发水泥是由强碱盐的水溶液与活性固体氧化物粉末组成的双组分水泥，其中尤以典型组元为Na2O-Ca(Mg)O-Al2O3-SiO2的碱矿渣水泥最具性价比。前苏联的应用实践和国内的研究都证明，碱矿渣水泥具有高强、快硬、抗渗、耐久、耐蚀、低碳排放和对集料要求低等明显优于硅酸盐水泥的性能。而其化学组成比硅酸盐水泥更接近地壳，所以其主要原料更加丰富廉价。但碱矿渣以炼铁副产品为原料，成分和性能不稳定，而以工业碱和水玻璃为激发剂更使其成本偏高而难以与硅酸盐水泥竞争。
参照碱矿渣水泥的化学组成用天然原料制备廉价的碱激发水泥，是碱激发水泥研究的重要方向。降低该种碱激发水泥的成本的途径包括两个方面，一方面是降低原料煅烧的温度，另一方面是改用更廉价易得的原料作为激发剂。
为了达到这一目的，专利201110405630.3与201110405626.7提出用加碱直接煅烧粘土的方法制备单组份地聚物水泥（碱激发水泥的无钙品种）。这一方法较常见的双组分碱激发水泥有几个优点：一是通过直接加碱煅烧制备可溶 性的碱铝硅酸盐，不再加入水玻璃；二是熟料的煅烧温度低，最高煅烧温度也仅1000℃，远低于硅酸盐水泥及矿渣的煅烧温度。此二者都有利于降低地聚物水泥的成本。另外，该方法的原料扩展到普通的硅铝质粘土，使原料易得且易于破粉碎加工，进一步降低成本。但该方法制备的单组份地聚物水泥的耐水性不太好，遇水时强度下降较严重，且单位熟料碱耗高，成本仍然偏高。
为克服该种水泥的缺点，专利201210238413.4用加碱煅烧粘土与石灰石的办法制备单组份碱激发水泥，该种方法与前述两个专利相比，虽然煅烧温度提高到1200℃，且亦用到有CO2气体排放的钙质原料，但单位熟料碱耗明显减少，总体成本进一步降低，且制备的水泥不仅强度高（净浆抗压强度达51MPa），耐水性也好。
但上述专利均利用昂贵的工业碱（烧碱或纯碱）提供Na2O组份，这使新的单组份碱激发水泥的制备成本仍无法与硅酸盐水泥竞争。只有以廉价原料提供Na2O组份制备的碱激发水泥，才是新世纪水泥的希望所在。本发明产品即是在此背景下提出的。
碱激发水泥的胶凝产物以CSH凝胶和沸石或类沸石相为主。其中CSH凝胶的物相大体与硅酸盐水泥相同，而沸石或类沸石相需要与四次配位铝等当量的碱金属元素参与。传统的碱激发水泥中的碱金属组份由作为激发剂的工业碱提供。若不以工业碱为原料，则需要由其它原料提供碱金属组份。
芒硝在高温下与SiO2及还原剂（一般为碳）作用可制备水玻璃：
Na2SO4+C+nSiO2→Na2O·nSiO2+CO2+SO2
芒硝是相对于工业碱廉价许多且丰富易得的化工产品，故此方法为在硅铝质原料中廉价引入碱金属组分提供了思路。在单组分碱激发水泥中，碱与硅铝质及钙质原料一起煅烧得到活性水泥熟料。若将碱的制备并入熟料煅烧过程， 则可用廉价碱盐替代工业碱制备碱激发水泥，此即为本发明依赖的科学原理。
发明内容
鉴于上述原理及思路，本发明的目的之一在于提供一种能有效降低成本、早强好的廉价单组分碱激发水泥的制备方法。
该廉价单组分碱激发水泥的制备方法，包括如下步骤：
（1）准备如下原料：
硅铝质原料：指以SiO2和Al2O3为主要化学组成的原料，具体为结晶的与非结晶的天然产出物和/或工业废渣；
钙质原料：指通过煅烧过程可分解出游离的CaO的物质，具体为化学组成以CaCO3为主、包括部分MgCO3的天然岩石；
含碱金属廉价盐：指化学组成以Na2SO4为主的原料，具体为无水芒硝；
碳质原料：指以可燃性单质碳为主的原料，具体为无烟煤；
（2）原料预处理：将步骤（1）所述四种原料于105℃烘干至恒重，然后分别粉磨到水泥生料的细度；首先将芒硝与无烟煤粉一起充分混匀，再将其加入硅铝质原料和钙质原料中混合均匀，即得到待烧水泥生料粉；在静态煅烧时将生料粉掺加水制成生料球；其中，所述各原料干重比为：硅铝质原料/钙质原料/芒硝/无烟煤是35～56/24～55/6～16/2～5；当更多的无烟煤作为燃料加入时，需将其灰分中的硅铝氧化物与氧化钙分别计入硅铝质原料及钙质原料中；
（3）熟料烧成：将步骤（2）所得生料粉或生料球快速升温至预定最高温度，保温0.5～3.0小时后速冷至常温即得熟料；其中，所述的预定最高温度为1200～1300℃；
（4）熟料粉磨：将步骤（3）所得熟料磨至水泥的细度即得水泥。
本发明的目的之二在于提供上述方法制备的廉价单组分碱激发水泥的使 用方法，即：该水泥的硬化体制备与养护是，加水与水泥混和为浆体，水的加量需使水与水泥的浆体在模具中能振动密实；加入模具中的浆体振动密实后在50～80℃的温度下保湿养护1～3天即达到所需的强度；根据需要可在水泥浆体中掺加其它集料和惰性填料。
本发明的廉价单组分碱激发水泥的原料丰富易得，成本低，并且整个制备过程低碳、低能耗，所得产品早强好，为水泥材料开辟了一条新的途径。
具体实施方式
下面结合具体实验实例对本发明作进一步详细的描述。本发明实施例中所用设备为常规设备，所用原料为常规原料。
本发明实施例中准备了三种硅铝质原料，均为易于磨细的粘土；所用钙质原料有白云石粉和分析纯碳酸钙粉；所用廉价碱金属盐为含Na2SO4超过99.9%的元明粉；所用碳质原料为无烟煤。有关原料的化学组成见表1。无烟煤的工业分析表明其含水分3.8%，固定碳62.0%，灰分20.2%，挥发分10.3%。
表1有关原料的化学组成 单位：wt%
各原料均在烘干后分别球磨至0.080mm方孔筛筛余小于总质量的10%，然后再将定量的煤粉与元明粉一起球磨混合10分钟，再将此混合物与硅铝质原料及钙质原料的粉体在粉体混料机中混和5分钟。将最后的混合物加入适量水在水泥净浆搅拌机中混合均匀。然后将有一定粘性的粉体搓成粒径约1厘米 的均匀小球堆积在圆皿中。最后将装满生料球的圆皿送于高温马弗炉中以20℃/分的升温速度升至预定的最高温度，保温0.5～3.0小时。保温时间截止后即直接将圆皿从高温炉中取出冷却至室温。将冷却后的熟料粉球磨至0.080mm方孔筛筛余小于总质量的10%。将熟料粉与水混合在水泥净浆搅拌机中搅拌2～5分钟后，浇注到40×40×40mm3的钢模中成型。振动密实后在≥90%的湿度和50～80℃的温度下养护1～3天制得单组份碱激发水泥净浆试块。各实例配方的工艺参数及性能详见表2。
表2各实施例的工艺参数与性能
*对应的钙质原料为分析纯碳酸钙
由表2可知，本发明所制备的水泥净浆的3天抗压强度超过30MPa，且其养护1天的抗压强度与养护3天的抗压强度很接近，说明其早强性好。再结合考虑其低碳、低耗、廉价和原料易得等特性，应用前景广阔。
Claims (2)
1.一种廉价单组分碱激发水泥的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）准备如下原料：
硅铝质原料：指以SiO2和Al2O3为主要化学组成的原料，具体为结晶的与非结晶的天然产出物和/或工业废渣；
钙质原料：指通过煅烧过程可分解出游离的CaO的物质，具体为化学组成以CaCO3为主、包括部分MgCO3的天然岩石；
含碱金属廉价盐：指化学组成以Na2SO4为主的原料，具体为无水芒硝；
碳质原料：指以可燃性单质碳为主的原料，具体为无烟煤；
（2）原料预处理：将步骤（1）所述四种原料于105℃烘干至恒重，然后分别粉磨到水泥生料的细度；首先将芒硝与无烟煤粉一起充分混匀，再将其加入硅铝质原料和钙质原料中混合均匀，即得到待烧水泥生料粉；在静态煅烧时将生料粉掺加水制成生料球；其中，所述各原料干重比为：硅铝质原料/钙质原料/芒硝/无烟煤是35～56/24～55/6～16/2～5；当更多的无烟煤作为燃料加入时，需将其灰分中的硅铝氧化物与氧化钙分别计入硅铝质原料及钙质原料中；
（3）熟料烧成：将步骤（2）所得生料粉或生料球快速升温至预定最高温度，保温0.5～3.0小时后速冷至常温即得熟料；其中，所述的预定最高温度为1200～1300℃；
（4）熟料粉磨：将步骤（3）所得熟料磨至水泥的细度即得水泥。
2.一种如权利要求1所述方法制备廉价单组分碱激发水泥的使用方法，其特征在于：该水泥的硬化体制备与养护是，加水与水泥混和为浆体，水的加量需使水与水泥的浆体在模具中能振动密实；加入模具中的浆体振动密实后在50～80℃的温度下保湿养护1～3天即达到所需的强度；根据需要可在水泥浆体中掺加其它集料和惰性填料。
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