CN115321851A - 一种绿色低碳高性能胶凝材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绿色低碳高性能胶凝材料及制备方法，涉及低碳建筑材料及工业固体废弃物资源化利用技术领域。按质量份数计，原料包括：活化煤矸石30‑50份，炉渣20‑30份，钢渣10‑20份，精炼渣3‑5份，工业副产石膏8‑15份。本发明原材料仅采用活化煤矸石、钢渣、精炼渣、电石渣和工业副产石膏，无需添加水泥熟料和矿渣，扩大了其他固废原材料的应用范围；且避免了常规水泥熟料制备过程中原料石灰石的使用，降低了二氧化碳的排放量。本发明在原材料全部为固废的情况下，所制备得到的绿色低碳高性能胶凝材料3d抗压强度达到32.4MPa，28d抗压强度达到58.1MPa，抗压强度高，具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及低碳建筑材料及工业固体废弃物资源化利用技术领域，特别是涉及一种绿色低碳高性能胶凝材料及制备方法。
背景技术
在当前双碳时代背景下，水泥行业面临着节能减排的巨大压力，水泥行业能耗约占建材行业总能耗的75％，因此水泥行业碳减排势在必行。
水泥是高能耗、高消耗、高污染排放行业。每生产1吨水泥，消耗1.2吨天然资源(石灰石、粘土)、100kg标煤，排放0.8吨CO2以及其他硫化物、氮氧化物、颗粒物。这其中一半以上的CO2排放来源于原料石灰石中碳酸钙(CaCO3)的分解，这部分CO2排放难以通过燃料结构调整或能效提升而避免。因此要从根源上解决水泥碳排放的问题，不使用石灰石做原料，减少原料分解时产生的CO2，同时不经过煅烧或少量短时间煅烧，以减少燃料的使用，这是减碳的核心关键。
另一方面，各类工业固废堆存量超600亿吨，每年产生近37亿吨工业固废，利用率仅为56％左右，占用大量土地，污染环境，造成安全隐患。若能利用工业固废制备可以代替水泥的绿色低碳胶凝材料，对于固废污染治理及水泥行业碳减排意义重大。
在这样的背景下，采用工业固废制备低碳胶凝材料成为了热点。中国专利CN107572841A公开了一种低碳胶凝材料及制备混凝土的方法，所制备胶凝材料的配比为：20-32％硅酸盐水泥熟料，36-48％S105矿渣粉，10-20％粉煤灰，8-10％石膏，0-7％石灰石粉，0-10％钢渣粉，4-6％的轻烧氧化镁。该胶凝材料仍然要使用较高比例的水泥熟料，且使用添加量较大、价格较高S105矿渣粉。
CN110683774B公开了一种以矿渣-钢渣-石膏为原料的胶凝材料及其制备方法，材料构成为矿渣10％-70％、钢渣15％-60％，工业副产物石膏5％-50％；该胶凝材料为无熟料、全固废体系，但胶凝材料早期强度较低，在水胶比0.32的情况下，3d强度最高仅到18.7MPa。
并且，现有低碳胶凝材料技术所使用的矿渣为高炉炼铁副产物，在水泥、混凝土行业广泛应用，已经由固废转变为了资源。因此，寻求来源广、利用率低的其他固废原材料代替矿渣制备出性能优异的无熟料低碳胶凝材料是亟待解决的重要技术问题。
发明内容
基于上述内容，本发明提供一种绿色低碳高性能胶凝材料及制备方法，无需添加水泥熟料和矿渣(高炉炼铁副产物)，是一种低碳早强胶凝材料。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明技术方案之一，一种绿色低碳高性能胶凝材料，按质量份数计，原料包括：活化煤矸石30-50份，炉渣20-30份，钢渣10-20份，精炼渣3-5份，工业副产石膏8-15份。
进一步地，所述活化煤矸石的制备方法包括以下步骤：
将煤矸石粉磨至比表面积不低于700m2/kg得到磨细煤矸石；
将所述磨细煤矸石和电石渣按照质量比78-82：8-12的比例混匀后，在700-850℃下煅烧1.5-2.5h，得到活化煤矸石。
添加电石渣的目的是煤矸石煅烧后产生无定形SiO2和Al2O3，与电石渣中的CaO发生反应，生成水硬性活性硅酸钙和铝酸钙。电石渣添加量太多会形成游离氧化钙，进而影响材料水化后的体积稳定性，电石渣添加量太少Ca2+供应不足，生成的活性硅酸钙和铝酸钙过少，进而影响胶凝材料的强度，因此本发明优选地，限定磨细煤矸石和电石渣的质量比为78-82：8-12。
煅烧温度太高会导致反应活性较高的非晶态氧化物向晶态转变，煅烧温度太低会导致煤矸石中的结晶矿物无法分解，煅烧时间太长不会提高材料反应活性且增加能耗，煅烧时间太短煤矸石中的晶态矿物活化不完全，因此本发明优选地，限定煅烧温度为700-850℃，煅烧时间为1.5-2.5h。
本发明技术方案之二，上述的绿色低碳高性能胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
将钢渣和精炼渣经过除铁工艺后与炉渣和工业副产石膏共同粉磨，得到粉磨后的混合物料；
将活化煤矸石和粉磨后的混合物料混合均匀，得到所述绿色低碳高性能胶凝材料。
进一步地，所述粉磨后的混合物料的比表面积均不小于650m2/kg。
进一步地，所述粉磨后的混合物料A中的铁含量小于千分之五。
本发明公开了以下技术效果：
本发明原材料仅采用活化煤矸石、炉渣、钢渣、精炼渣和工业副产石膏，无需添加水泥熟料和高炉炼铁副产物矿渣，扩大了其他固废原材料的应用范围；且避免了常规水泥熟料制备过程中原料石灰石的使用，降低了二氧化碳的排放量。
本发明在原材料全部为固废的情况下，所制备得到的绿色低碳高性能胶凝材料3d抗压强度达到32.4MPa，28d抗压强度达到58.1MPa，抗压强度高，具有较好的应用前景。
本发明方法简单，仅在活化煤矸石制备过程中进行了煅烧处理，煅烧温度低，时间短，燃料用量少，减少了由燃料燃烧导致的碳排放。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
本发明中所述的“％”如无特别说明，均按质量百分数计。
本发明实施例以及对比例中所用煤矸石的主要成分为SiO252～65％，Al2O3 16～36％，Fe2O3 2.28～14.63％，CaO 0.42～2.32％，MgO 0.44～2.41％，TiO2 0.90～4％，P2O50.007～0.24％，K2O+Na2O 1.45～3.9％，V2O5 0.008～0.03％；所用钢渣的主要成分为Fe2％～8％，CaO 40％～60％，MgO 3％～10％，MnO2 1％～8％；所用精炼渣为CaO-CaF2基精炼渣；所用电石渣的主要成分为Si02 5％—10％，Al203 20％—25％，Fe2O3 0.2％—0.94％，Ca0 65％—71％，MgO 0.22％—1.68％；所用炉渣的主要成分为SiO2 44.72-54.99％，Al2O326.10-33.80％，Fe2O3 5.5-12.7％，CaO 3.6-5.3％，MgO 0.55-3.28％，SO3 0.28-0.43％；所用工业副产石膏的主要成分为脱硫石膏、磷石膏和氟石膏；所用矿渣为冶金高炉炼铁过程产生的炉渣用水急速冷却后形成的粒状高炉渣，也称为水渣或水淬渣，主要化学成份范围为：CaO35％～42％，SiO2 26％～34％，Al2O3 6％～17％，MgO 0.1％～13％，MnO 0.1％～2％，FeO 0.07％～2.5％，S 0.2％～1.5％。其他指标满足GB/T 18046-2008的要求。
实施例1
步骤1，准确称取原料活化煤矸石45份、炉渣25份、钢渣15份、精炼渣4份和工业副产石膏12份。
步骤2，将钢渣和精炼渣经过除铁后按上述质量份与炉渣和工业副产石膏共同粉磨，得到粉磨后的混合物料，比表面积为650m2/kg。其中，经除铁工艺后控制铁含量低于千分之五(除铁工艺为本领域常规技术手段，不作为本发明保护的重点，此处不再赘述)。
步骤3，将活化煤矸石和粉磨后的混合物料混合均匀，得到所述绿色低碳高性能胶凝材料。
其中，步骤1中的活化煤矸石通过以下步骤制备得到：煤矸石粉磨至比表面积为700m2/kg，得到磨细煤矸石；将磨细煤矸石和电石渣(比表面积700m2/kg)按照质量比8:1混匀，在750℃下煅烧2h，得到活化煤矸石。
实施例2
与实施例1不同之处仅在于，步骤1中，原料由活化煤矸石50份、炉渣20份、钢渣10份、精炼渣5份和工业副产石膏15份组成。
实施例3
与实施例1不同之处仅在于，步骤1中，原料由活化煤矸石30份、炉渣30份、钢渣20份、精炼渣3份和工业副产石膏8份组成。
对比例1
与实施例1不同之处仅在于，步骤1中的活化煤矸石通过以下步骤制备得到：煤矸石粉磨至比表面积为700m2/kg，得到磨细煤矸石；将磨细煤矸石在750℃下煅烧2h，得到活化煤矸石。
对比例2
与实施例1不同之处仅在于，步骤2中粉磨后的混合物料，比表面积为350m2/kg。
对比例3
按质量百分数，将原料矿渣粉72％、钢渣18％和脱硫石膏10％混合均匀，得到胶凝材料；其中矿渣、钢渣和脱硫石膏的比表面积均为650m2/kg。
对比例4
按质量百分数，将原料矿渣粉30％，钢渣粉60％和脱硫石膏10％混合均匀，得到胶凝材料；其中矿渣、钢渣和脱硫石膏的比表面积均为650m2/kg。
对实施例1-3以及对比例1-4所制备的胶凝材料进行强度检验：水胶比为0.32；在胶凝材料中加入聚羧酸系高性能减水剂以控制胶砂流动度在160mm-200mm；试件拆模后立即放入温度为20℃±1℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护；测试龄期3天、28天的抗压强度，其他方法按现行国家标准《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/T 17671执行。
测试结果如表1所示。
表1
比较对比例3、4能够看出，随着矿渣粉用量的减少，胶凝材料的强度大幅度降低。本发明实施例1-3在省略矿渣粉添加的情况下，取得了优于对比例3(添加大量矿渣粉)的技术效果。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种绿色低碳高性能胶凝材料，其特征在于，按质量份数计，原料包括：活化煤矸石30-50份，炉渣20-30份，钢渣10-20份，精炼渣3-5份，工业副产石膏8-15份。
2.根据权利要求1所述的一种绿色低碳高性能胶凝材料，其特征在于，所述活化煤矸石的制备方法包括以下步骤
将煤矸石粉磨至比表面积不低于700m2/kg得到磨细煤矸石；
将所述磨细煤矸石和电石渣按照质量比78-82：8-12的比例混匀后，在750-850℃下煅烧1.5-2.5h，得到活化煤矸石。
3.一种权利要求1或2所述的绿色低碳高性能胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将钢渣和精炼渣经过除铁工艺后与炉渣和工业副产石膏共同粉磨，得到粉磨后的混合物料；
将活化煤矸石和粉磨后的混合物料混合均匀，得到所述绿色低碳高性能胶凝材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述粉磨后的混合物料的比表面积均不小于650m2/kg。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述粉磨后的混合物料A中的铁含量小于千分之五。
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