專利名稱：一種單組分堿激發(fā)水泥的制備及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新型水泥材料領(lǐng)域，具體涉及一種單組分堿激發(fā)水泥的制備及其使用方法。
背景技術(shù)：
2011年我國水泥產(chǎn)量達(dá)20. 63億噸，其中絕大部分是硅酸鹽水泥。硅酸鹽水泥煅燒溫度達(dá)1450°C，能耗物耗高、碳排放高、環(huán)境污染嚴(yán)重、耐酸耐蝕和耐久性差，且消耗大量的優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r資源，應(yīng)逐漸限制與減少其使用。水泥的發(fā)展趨勢(shì)要求其原料來源廣、高廢物利用、低能耗、低資源消耗、低污染、低碳排放且耐久性和耐腐蝕性好。最近研究比較活躍的堿激發(fā)水泥是由強(qiáng)堿鹽的水溶液與活性固體氧化物粉末組成的雙組分水泥，根據(jù)膠凝機(jī)理的差別主要有堿礦渣水泥和地聚物水泥兩個(gè)基本類型。堿礦渣水泥的典型組元為R-M-A-S， 其固體粉末為水淬高爐礦渣磨細(xì)粉。前蘇聯(lián)的應(yīng)用實(shí)踐和蒲心誠等在國內(nèi)的研究都證明，堿礦渣水泥具有高強(qiáng)、快硬、抗?jié)B、耐久、耐蝕、低碳排放和對(duì)集料要求低等明顯優(yōu)于硅酸鹽水泥的性能。從組成比較，堿礦渣水泥的需堿量以Na2O計(jì)約為5%左右，為地聚物水泥需堿量的1/2-1/3，需鋁量也更低；其組成比更接近地殼，原料更加豐富；而其常溫養(yǎng)護(hù)的早期強(qiáng)度上升快，后期強(qiáng)度持續(xù)升高，最終強(qiáng)度也很高，常溫養(yǎng)護(hù)90天的抗壓強(qiáng)度達(dá)到160MPa，故該類水泥的潛在優(yōu)勢(shì)明顯。但礦渣是在煉鐵高爐中1400-1600°C高溫熔融后水淬冷卻獲得的，人造礦渣能耗高，而煉鐵副產(chǎn)礦渣產(chǎn)量不能滿足水泥需求，且其組成隨煉鐵的需要而變化，當(dāng)大摻量加入制備堿礦渣水泥時(shí)會(huì)使水泥性質(zhì)不穩(wěn)定(注R-—價(jià)堿金屬氧化物，M- 二價(jià)堿土金屬氧化物，A-Al2O3, S-SiO2, C-CaO, H-H2O, N-Na2O)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個(gè)目的在于克服上述堿礦渣水泥的不足，提供一種在化學(xué)成分與礦渣類似的原料中加入R組分，在低于礦渣熔融的溫度下煅燒得到單組分堿激發(fā)R-M-A-S水泥的制備方法。本發(fā)明方法包括如下順序的步驟(I)準(zhǔn)備原料I和原料2 :原料I為含Si02、Al203和CaO的物質(zhì)，為玻璃體，或者為一種礦物或幾種礦物的混合物，要求是需磨細(xì)到粒度為200目篩余物的質(zhì)量比=10% ;原料2是在煅燒條件下能分解出游離的堿金屬氧化物的物質(zhì)；(2)生料配料將原料I與原料2按一定的比例混合；(3)生料煅燒將步驟(2)所得混合物在950°C 1200°C保溫煅燒I. 5 3小時(shí)后，將煅燒產(chǎn)物趁熱迅速從高溫爐中取出快速冷卻至室溫；將冷卻所得熟料重新磨細(xì)即得到單組分堿激發(fā)水泥，水泥粉細(xì)度要求為200目篩余物的質(zhì)量比=10%。更進(jìn)一步的要求是，步驟(I)中所述原料I的組成成分滿足其在1100°C燒灼至恒重后，Al203+Si02+Ca0的質(zhì)量蘭燒后總質(zhì)量的85%，并且，總質(zhì)量的35% ^ Al2O3的質(zhì)量蘭總質(zhì)量的5%。
所述原料I優(yōu)選為硅鋁質(zhì)粘土原料與鈣質(zhì)原料混合而成。步驟(I)中所述原料2優(yōu)選為水溶性碳酸鈉或氫氧化鈉。 步驟(2)中，所述原料I與原料2的混合比例應(yīng)滿足使混合后的物料在1100°C及以上的溫度下煅燒至恒重后，產(chǎn)物的各組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比分別是=Al2O3為8 25%, SiO2 為 24 55%，CaO 為 10 55%，Na20+0. 658K20 為 6 25%。步驟(2)中，原料I與原料2的混合方式是以一起研磨的方式混合均勻；或者，研磨后的原料I的粉末與溶解在水中的原料2進(jìn)行固液混合，攪拌達(dá)到混合均勻；其中，優(yōu)選為第二種混合方式。步驟(3)中，當(dāng)原料I中的鈣質(zhì)以游離的CaO和或Ca(OH)2的形式存在時(shí)，煅燒溫度可低至950°C ;當(dāng)原料I中的鈣質(zhì)以CaCO3的形式存在時(shí)煅燒溫度需會(huì)1100°C。
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述單組分堿激發(fā)R-M-A-S水泥的使用方法，具體為水泥凈漿試塊制備與養(yǎng)護(hù)方法將上述步驟(3)所得水泥粉以一定的水灰比摻入干凈的水混合均勻，水灰比為0. 25 0. 4，在滿足可振動(dòng)密實(shí)的條件下盡量取低值；將混合好的漿體移入模具中成形并振動(dòng)密實(shí)，接著在50 80°C保濕養(yǎng)護(hù)2 3天得到水泥凈漿試塊，在常溫保濕的條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)可進(jìn)一步提高試塊的強(qiáng)度。為了改善單組份堿激發(fā)水泥的性能，還可以在上述水泥粉與水的混合物料中加入各種集料和惰性增強(qiáng)料。本發(fā)明大幅度擴(kuò)展了堿激發(fā)水泥的原料范圍，各種含鋁硅酸鹽礦物均可作為該種堿激發(fā)水泥的硅鋁質(zhì)原料，而易于磨細(xì)與活化的粘土質(zhì)巖石更成為水泥的首選原料。本發(fā)明的單組分堿激發(fā)水泥與雙組分堿礦渣水泥相比，不僅存貯、運(yùn)輸與使用均更方便，且其成分更易于控制，故性能將更加穩(wěn)定。本發(fā)明還具有重大的潛力，一方面，可期望制備的水泥有更高的膠凝活性。在單組分N-C-A-S系統(tǒng)中，由于常見粘土中各種共生礦物及惰性石英均可在煅燒時(shí)轉(zhuǎn)變成活性堿鋁硅酸鹽，從而實(shí)際上提高了粘土的膠凝活性，使所制備的熟料的水化膠凝性能得到提高。另一方面，本發(fā)明可望降低成本。單組分N-C-A-S水泥的煅燒溫度低于礦渣與硅酸鹽水泥。且煅燒時(shí)生成可溶性的堿鋁硅酸鹽，與水作用時(shí)鋁硅酸鹽堿溶液溶解活性非晶相與玻璃體而凝膠，不需要再加入水玻璃。天然粘土巖中多含有一定量的堿金屬元素，如以粘土礦物為主要組成礦物的頁巖中Na2CHK2O的平均含量達(dá)4. 5%，若按堿礦渣水泥的需堿量5%計(jì)算，以頁巖作為原料制備單組分堿激發(fā)水泥幾乎不需外加工業(yè)堿。此三者均將使制備成本與能耗較堿礦渣水泥進(jìn)一步大幅度降低。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。本發(fā)明實(shí)施例中所用設(shè)備為常規(guī)設(shè)備，所用原料為常規(guī)原料。本發(fā)明實(shí)施例中的原料I分別由三種含硅鋁氧化物的原料萍鄉(xiāng)高嶺土、寧鄉(xiāng)高嶺土及臨澧膨潤土與鈣質(zhì)原料混合而得。前者的化學(xué)組成如表I所示；鈣質(zhì)原料為含Ca (OH)2達(dá)93%的熟石灰或含CaCO3達(dá)97%的雙飛粉。原料2有99%Na0H和99%Na2C03兩種。原料2溶于水配成液漿與已球磨至粒徑為200目篩余小于總質(zhì)量的10%的原料粉I均勻混合成泥漿狀，然后在950 1200°C的溫度下煅燒I. 5 3小時(shí)得到熟料，再將迅速冷卻后的熟料粉球磨至細(xì)度為200目篩余占總質(zhì)量的比例為10%的熟料粉。將熟料粉與水混合在水泥凈漿攪拌機(jī)中攪拌2 5分鐘后，澆注到40X40X40mm3的鋼模中成型。振動(dòng)密實(shí)后在3 90%的濕度和50 80°C的溫度下養(yǎng)護(hù)2 3天制得單組份堿激發(fā)水泥凈漿試塊。各實(shí)例配方和工藝參數(shù)詳見表2，各對(duì)應(yīng)實(shí)例試塊的抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)等性能數(shù)據(jù)詳見表3。表2與表3表明所制得的單組份堿激發(fā)水泥的2天抗壓強(qiáng)度與3天抗壓強(qiáng)度相接近。繼續(xù)常溫養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度持續(xù)增長。28天最大強(qiáng)度達(dá)52. 7MPa，水泥凈漿試塊的軟化系數(shù)在0. 67 I. 39之間，平均為0. 9，可見，本發(fā)明水泥有良好的耐水性和綜合性能，具有很好的應(yīng)用潛力。表I三種娃招質(zhì)粘土的化學(xué)組成單位wt%
權(quán)利要求
1.一種單組分堿激發(fā)水泥的制備方法，其特征在于包括如下順序的步驟 (1)準(zhǔn)備原料I和原料2:原料I為含Si02、Al203和CaO的物質(zhì)，為玻璃體，或者為一種礦物或幾種礦物的混合物，要求是需磨細(xì)到粒度為200目篩余物的質(zhì)量比=10%;原料2是在煅燒條件下能分解出游離的堿金屬氧化物的物質(zhì)； (2)生料配料將原料I與原料2按一定的比例混合； (3)生料煅燒將步驟(2)所得混合物在950°C 1200°C保溫煅燒I.5 3小時(shí)后，將煅燒產(chǎn)物趁熱迅速從高溫爐中取出快速冷卻至室溫；將冷卻所得熟料重新磨細(xì)即得到單組分堿激發(fā)水泥，水泥粉細(xì)度要求為200目篩余物的質(zhì)量比=10%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單組分堿激發(fā)水泥的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述原料I的組成成分滿足其在1100°C燒灼至恒重后，Al203+Si02+Ca0的質(zhì)量3燒后總質(zhì)量的85%，并且，總質(zhì)量的35% ^ Al2O3的質(zhì)量蘭總質(zhì)量的5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單組分堿激發(fā)水泥的制備方法，其特征在于所述原料I優(yōu)選為硅鋁質(zhì)粘土與鈣質(zhì)原料混合而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單組分堿激發(fā)水泥的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述原料2優(yōu)選為水溶性碳酸鈉或氫氧化鈉。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單組分堿激發(fā)水泥的制備方法，其特征在于步驟(2)中，所述原料I與原料2的混合比例應(yīng)滿足使混合后的物料在1100°C及以上的溫度下煅燒至恒重后，產(chǎn)物的各組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比分別是=Al2O3為8 25%，SiO2為24 55%，CaO 為 10 55%, Na20+0. 658K20 為 6 25%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單組分堿激發(fā)水泥的制備方法，其特征在于步驟(2)中，原料I與原料2的混合方式是以一起研磨的方式混合均勻；或者，研磨后的原料I的粉末與溶解在水中的原料2進(jìn)行固液混合，攪拌達(dá)到混合均勻；其中，優(yōu)選為第二種混合方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單組分堿激發(fā)水泥的制備方法，其特征在于步驟(3)中，當(dāng)原料I中的鈣質(zhì)以游離的CaO和或Ca(OH)2的形式存在時(shí)，煅燒溫度可低至950°C ;當(dāng)原料I中的鈣質(zhì)以CaCO3的形式存在時(shí)煅燒溫度需會(huì)1100°C。
8.—種如權(quán)利要求I所述單組分堿激發(fā)水泥的使用方法，其特征在于具體為水泥凈漿試塊制備與養(yǎng)護(hù)方法將步驟(3)所得水泥粉以一定的水灰比摻入干凈的水混合均勻，水灰比為0. 25 0. 4，在滿足可振動(dòng)密實(shí)的條件下盡量取低值；將混合好的漿體移入模具中成形并振動(dòng)密實(shí)，接著在50 80°C保濕養(yǎng)護(hù)2 3天得到水泥凈漿試塊，在常溫保濕的條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)可進(jìn)一步提高試塊的強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單組分堿激發(fā)水泥的使用方法，其特征在于在所述水泥粉與水的混合物料中加入各種集料和惰性增強(qiáng)料。
全文摘要
本發(fā)明屬于新型水泥材料領(lǐng)域，具體涉及一種單組分堿激發(fā)水泥的制備及其使用方法。本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)是，由含SiO2、Al2O3及CaO的原料1與含Na2O的原料2按比例混合，該比例應(yīng)使混合物料在≥1100℃下的煅燒產(chǎn)物的各組分的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比分別是Al2O3為8～25%，SiO2為24～55%，CaO為10～55%，Na2O+0.658K2O為6～25%。混合物在950～1200℃煅燒1.5～3h后磨細(xì)即得到水泥粉。水泥粉加水混合成漿后在50～80℃養(yǎng)護(hù)2～3天即得強(qiáng)度良好的水泥凈漿試塊；繼續(xù)常溫養(yǎng)護(hù)則強(qiáng)度持續(xù)增長。本發(fā)明大幅度擴(kuò)展了堿激發(fā)水泥的原料范圍，水泥存貯、運(yùn)輸與使用均更方便，并可望提高水泥的膠凝活性及降低成本。
文檔編號(hào)C04B7/38GK102730996SQ20121023841
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者盧愛軍, 彭美勛, 易亞, 王正紅, 王玲, 申少華, 肖秋國, 董穎艷, 陳勇 申請(qǐng)人:湖南科技大學(xué)