大摻量煤矸石複合水泥及其製備方法
2023-05-09 17:51:16 2
專利名稱：大摻量煤矸石複合水泥及其製備方法
技術領域：
本發明屬建築材料技術領域，具體涉及一種採用煤矸石工業廢渣製備的複合水泥及其製備方法。
背景技術：
我國水泥年產量已達8億噸，其中高溫燒成的水泥熟料約6億噸，到2010年我國水泥年需求量將超過10億噸。水泥生產消耗大量資源、能源，嚴重汙染環境。我國水泥性能偏低，造成用量進一步增加。社會發展需求水泥施工性更好、水化熱更低、強度更高、體積更穩定、耐腐蝕性和耐久性更好。另外，我國每年排放出各類固態工業廢棄物8億多噸，堆積如山，造成極大的環境汙染和資源浪費。傳統的水泥科學對矽酸鹽水泥研究比較透徹，但是對於含廢棄物的體系研究深度不夠，廢渣在水泥中粗放式利用對性能不利。如能利用工業廢渣開發出具有高強度、優異耐久性、低環境負荷三大特徵的高性能水泥，將具有顯著的社會意義和應用前景。
煤矸石是夾雜在煤層中的含碳量較低、比煤堅硬的巖石，是採煤和洗煤過程中排出固體廢棄物的總稱。在我國，僅2000年，煤矸石的排放量就達3.1億噸，約佔當年煤炭產量的10％左右。目前，煤矸石佔地約22萬公頃，近300座煤矸石山發生過或正在發生自燃。大量的煤矸石不僅佔用了大量的土地和農田，而且嚴重汙染了環境。減排煤矸石，並使其無害化、資源化已勢在必行。目前，在我國煤矸石的利用率僅有10％，在水泥基材料中主要將其用作水泥的混合材、混凝土的摻合料、混凝土骨料等，但利用率尚處於較低水平。與其它固體廢棄物相比，影響煤矸石工業廢渣利用的關鍵是煤矸石的活性不高，如何激發其潛在活性是制約煤矸石工業廢渣利用的瓶頸。如何利用煤矸石工業廢渣，激發出潛在活性，經過一定的工藝處理後，研製出大摻量煤矸石複合水泥，其具有高強度、優異耐久性、低環境負荷三大特徵。不僅可改善了生態環境，符合社會可持續發展原則，而且具有廣闊的市場應用前景與實際意義。
發明內容
本發明的目的在於提供一種具有高強度、高耐久性、低環境負荷的大摻量煤矸石工業廢渣的複合水泥及其製備方法。
本發明提出的大摻量煤矸石複合水泥，由煤矸石、矽酸鹽水泥熟料、特種激發劑、石膏調凝劑、礦物摻和料組成，各組分重量百分比為煤矸石 20-80％矽酸鹽水泥熟料 20-50％激發劑 2-10％石膏調凝劑 0-5％礦物摻和料 0-30％上述各組分總量之和滿足100％。
本發明中，煤矸石組分是複合水泥中一種主要的膠凝材料，具有一定的水硬活性，但這種活性是潛在的。由於煤矸石水化生成了C-s-H凝膠和鈣礬石，使煅燒煤矸石表現出一定的水硬活性，但是在矽酸鹽水泥的水化過程中，煤矸石的這種活性是靠水泥熟料水化生成的氫氧化鈣激發而產生的。在本發明的大摻量煤矸石複合水泥中，由於水泥熟料少，水化生產的氫氧化鈣也少，如何激發出煤矸石的潛在活性是關鍵。
矽酸鹽水泥熟料組分是另一種膠凝材料，其保證了水泥體系中早期的強度，並水化產生氫氧化鈣，為煤矸石進一步水化提供必要的組分。不摻特種激發劑的煤矸石水泥，由於體系中氫氧化鈣的熟料有限，煤矸石的水化十分緩慢且水化反應不完全，體系中自由水蒸發後留下大量的孔隙，在水泥石結構上表現出孔隙率較大，結構的緻密化程度低，水泥強度較低。
激發劑組分是一種用於激發煤矸石活性的鹼複合激發劑，它含有鹼及其其他活性物質，使得煤矸石的水化不完全依賴於水泥熟料水化產生的氫氧化鈣數量和速度。主要包括氫氧化鈉、氫氧化鈣、矽酸鉀鈉、矽酸鈉等組分。煤矸石在水化初期就開始以較快的速度參與水化反應，並產生強度，使得煤矸石的潛在水硬活性得以充分發揮。因此，在加入特種激發劑後，使得煤矸石在複合水泥中摻量可以達到80％，水泥仍表現出較好的早期和後期強度，複合水泥強度等級可以達到42.5。摻入特種激發劑組分後，煤矸石在鹼性物質的作用下得到充分水化，其水化產物不斷填充於原水空間，使其結構不斷緻密化，故水泥石的孔隙率小，結構緻密度高，水泥強度大大提高。
石膏調凝劑組分是一種調節水泥水化凝結時間的組分。其在合適的摻量範圍內，可以調整水泥熟料與煤矸石的水化速率，從而可以調整大摻量煤矸石複合水泥的凝結時間。一般選用二水石膏礦物或半水石膏礦物。
礦物摻和料是一種輔助膠凝材料，礦物摻和料的摻入不僅可以補充煤矸石複合水泥所需的活性成分，可以促進複合水泥的水化和硬化，同時，也起到填充、密實作用。礦物摻和料可以選用粉煤灰、礦渣微粉、石灰石粉、矽灰等。
本發明的製備方法是原材料的製備首先將大塊狀的煤矸石在破碎機破碎細粒，然後在高溫煅燒爐中煅燒，煅燒溫度在600℃-1000℃之間，升溫時間控制在40-60分鐘，煅燒時間控制在1.5-2.5小時，當恆溫至規定時間時出料，並在空氣中自然冷卻，最後用球磨機粉磨至所要求的細度，比表面積控制在300-400m2/kg；激發劑也用球磨機粉磨至所要求的細度，比表面積控制在300-400m2/kg左右。激發劑按用量比例在煤矸石煅燒前加入，或在煅燒後加入；將經過煅燒的矽酸鹽水泥熟料與石膏按用量比例在球磨機中粉磨至所要求的細度，比表面積控制在300-400m2/kg；將選定的礦物摻和料(如粉煤灰或水淬礦渣)在球磨機中粉磨至所需的細度，比表面積控制在300-400m2/kg左右；然後，將煤矸石粉料、水泥熟料粉料、礦物摻和料粉料按規定的比例進行混合製成大摻量的煤矸石複合水泥。
因煤矸石粉料、水泥熟料粉料、礦物摻和料的礦物硬度不同，粉磨至規定的細度所需的時間不同，一般要求將其分開粉磨。有時，生產、製備過程中，如果所選用的煤矸石粉料、水泥熟料粉料、礦物摻和料礦物硬度基本相同，也可按規定的比例共同粉磨而成。
本發明製備的大摻量煤矸石水泥具有以下優異的性能1、在複合水泥中採用特種激發劑對煤矸石工業廢渣的活性進行激發，使得其潛在水活硬性得到充分發揮；2、複合水泥的標準稠度、凝結時間、安定性等等物理性能均滿足國家標準和行業要求。當煤矸石摻量達到50％以上時，複合水泥強度等級可達到42.5；當煤矸石與礦物摻和料摻量達到70％以上時，複合水泥的強度等級可達到32.5；3、大摻量煤矸石複合水泥的水化熱較低，是一種低熱水泥，特別適用於大體積混凝土；4、複合水泥具有高強度、優異耐久性、低環境負荷三大特徵，符合我國可持續發展戰略。
具體實施例方式
大摻量煤矸石複合水泥，由煤矸石、矽酸鹽水泥熟料、激發劑、石膏調凝劑、礦物摻和料組成。下面，將結合實施例來說明本發明的實施方案。
實施例1通過將各成分按上述製備方法進行粉磨成粉體，然後按下述重量比例進行混合而成。
煤矸石 50％矽酸鹽水泥熟料 41％特種激發劑 6％石膏調凝劑 3％礦物摻和料 0本實施例製備的複合水泥可以達到42.5強度等級，水泥早期、後期強度發展均較好，耐久性也十分優異。
實施例2通過將各成分按上述製備方法進行粉磨成粉體，然後按下述重量比例進行混合而成。
煤矸石50％矽酸鹽水泥熟料20％激發劑7％石膏調凝劑3％礦物摻和料20％本實施例製備的複合水泥可以達到32.5強度等級，水泥早期、後期強度發展平緩，水化熱十分低。
實施例3通過將各成分按上述製備方法進行粉磨成粉體，然後按下述重量比例進行混合而成。
煤矸石40％矽酸鹽水泥熟料20％激發劑7％石膏調凝劑3％礦物摻和料30％本實施例製備的複合水泥可以達到32.5強度等級以上，水泥早期、後期強度發展較好，水化熱低，耐久性優異。
上述實施例中，所用的激發劑可以由氫氧化鈉、氫氧化鈣、矽酸鈉、矽酸鉀鈉等組成；所用的石膏調凝劑可以是半水石膏或二水石膏等；所用的礦物摻和料可以用粉煤灰、礦渣微粉、石灰石粉、矽灰等。
權利要求
1.一種大摻量煤矸石複合水泥，其特徵在於由煤矸石、矽酸鹽水泥熟料、特種激發劑、石膏調凝劑、礦物摻和料組成，各組分重量百分比為煤矸石20-80％矽酸鹽水泥熟料20-50％激發劑2-10％石膏調凝劑0-5％礦物摻和料0-30％上述各組分總量之和滿足100％。
2.根據權利要求1所述的複合水泥，其特徵在於所說的激發劑由氫氧化鈉、氫氧化鈣、矽酸鉀鈉、矽酸鈉組成。
3.根據權利要求1所述的複合水泥，其特徵在於所說的石膏調凝劑為二水石膏或半水石膏。
4.根據權利要求1所述的複合水泥，其特徵在於所說的礦物摻和料為粉煤灰、礦渣微粉、石灰石粉、矽灰之一種或幾種。
5.一種大摻量煤矸複合水泥的製備方法，其特徵在於具體步驟如下首先將大塊狀的煤矸石在破碎機破碎細粒，然後在高溫煅燒爐中煅燒，煅燒溫度在600℃-1000℃之間，升溫時間控制在40-60分鐘內，煅燒時間控制在1.5-2.5小時，當恆溫至規定時間時出料，並在空氣中自然冷卻，最後用球磨機粉磨至所要求的細度，比表面積控制在300-400m2/kg；激發劑也用球磨機粉磨至所要求的細度，比表面積控制在300-400m2/kg左右。激發劑按用量比例在煤矸石煅燒前加入，或在煅燒後加入；將經過煅燒的矽酸鹽水泥熟料與石膏按用量比例在球磨機中粉磨至所要求的細度，比表面積控制在300-400m2/kg；將選定的礦物摻和料(如粉煤灰或水淬礦渣)在球磨機中粉磨至所需的細度，比表面積控制在300-400m2/kg左右；最後，將煤矸石粉料、水泥熟料粉料、礦物摻和料粉料按規定的用量比例進行混合製成大摻量的煤矸石複合水泥。
全文摘要
本發明為一種大摻量煤矸石複合水泥，由煤矸石、矽酸鹽水泥熟料、激發劑、石膏調凝劑、礦物摻和料按適當的重量配比經一定的工藝混合組成。其中煤矸石的含量為20－80％的重量比。本發明的複合水泥的和稠度、凝結時間、安定性等物理性能指標均滿足國家標準和行業要求。並具有高強度、優異耐久性、低環境負荷的特徵，可適用於製造各種混凝土構築物，特別適用於大體積混凝土構築物。
文檔編號C04B7/04GK1546410SQ200310108988
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月1日 優先權日2003年12月1日
發明者王培銘, 蔣正武, 孫振平 申請人:同濟大學