一種複合型鹼激發低碳水泥及其製備方法
2023-05-18 10:24:21
專利名稱：一種複合型鹼激發低碳水泥及其製備方法
技術領域：
本發明屬於建築材料領域，涉及以粉煤灰和礦渣為原材料，以氫氧化鈉和水玻璃為鹼激發劑，以天然沸石為核化劑，以石灰為調凝劑製備得到的一種複合型鹼激發的低碳排放的水泥及其製備方法。
背景技術：
矽酸鹽水泥是建築工程中廣泛使用的材料，是人類使用量最大的人工材料之一。 然而，矽酸鹽水泥本身仍然存在能源與資源消耗大和環境汙染的缺點。傳統矽酸鹽膠凝材料的製備經歷了兩磨一燒的過程，消耗了大量燃料和電能，同時還要消耗大量石灰石和粘土，並且在熟料的鍛燒過程中，因石灰石分解和燃料燃燒釋放出大量的CO2氣體，導致地球的溫室效應。因此在全球應對氣候變化的大背景下，發展低碳水泥來取代原有水泥生產工藝，已成為我國在可持續發展框架下應對氣候變化的必由之路。礦渣是煉鐵過程中排放的工業廢渣，其化學組成與矽酸鹽水泥熟料相近，有較好的潛在活性，而且產生量十分巨大。從有效利用資源、節約能源、保護環境的角度出發，世界上許多國家對礦渣在膠凝材料工業中的應用都十分重視。眾所周知，礦渣的活性是潛在的， 必須經過一定條件的激發才能夠發揮出來。粉煤灰作為燃煤電廠的主要汙染源，粉煤灰的結構中存在著結晶相和玻璃相，結晶相中主要有莫來石、石英、磁鐵礦等，但粉煤灰主要還是由含少量Fe、Na、K、Ca、Mg、Ti的鋁矽酸鹽玻璃體組成，約佔總組成的50% 80%。粉煤灰與礦渣相比，組成中CaO含量極低，因此粉煤灰本身不具備潛在水硬性，但在適當的條件下卻能與石灰反應，生成膠凝物質，即具有火山灰活性，是一種人造火山灰材料。而這「潛在」的火山灰活性需要經過激發才能得到發揮，能夠快速、充分、經濟地激發粉煤灰活性是粉煤灰資源化利用的要求。礦渣和粉煤灰這些工業固體廢棄物，主要礦物成分均為矽酸鹽或鋁矽酸鹽類。所以這些工業固體廢棄物均可作為製備鹼激髮膠凝材料的主要原材料，鹼激髮膠凝材料製備工藝簡單、無需燒制、能耗低、成本低、市場廣，是21世紀最具發展潛力的一種膠凝材料。這為充分利用工業固體廢棄物開闢一條新的途徑。現在的鹼激發礦渣水泥、鹼激發粉煤灰等水泥所用的鹼激發劑大部分都是NaC03、 NaSO4, NaSi03、NaOH, Ca(OH)2等幾種的混合體，並且都止步於強度研究，而現代建築物要承受各種外在和內在因素的侵蝕，因此建築物的耐久性也是十分重要的。混凝土的耐久性對其強度的影響非常大，有時起著決定性的作用，而且不論時間長短耐久性都影響著混凝土的通性和使用性能。本發明只選用了氫氧化鈉和水玻璃配製鹼激發劑，比例易於控制，並對材料的耐久性在化學侵蝕、抗滲透、收縮方面進行了研究。
發明內容
本發明的低碳水泥不同於傳統水泥，它是由工業生產廢棄物粉煤灰和高爐礦渣加入一定比例的化學改性劑、核化劑和調凝劑混合而成，原料無需開採，也沒有炭燒過程，從根本上改變了傳統水泥生產過程中所產生的粉塵汙染並減少80%以上的二氧化碳排放量， 是真正清潔的綠色建築材料。粒化高爐礦渣為冶金工業廢渣，粉煤灰為火力發電廠廢渣，兩種工業廢渣排放量很大。因此，從節能和環保的觀點看，利用上述兩種廢渣生產具有一定強度的無熟料水泥， 將帶來經濟效益和社會效益。對比這兩種廢渣的固有特性，則又有區別。礦渣為具有潛在水硬性的廢渣，含有較多的CaO，經水淬後的粒化高爐礦渣大部分為非晶質玻璃體，這種玻璃體蘊藏有很高的結晶性能量，所以具有很好的水硬性。在NaOH或Ca (OH) 2等鹼性介質中， 由於PH的增高使礦渣中的Ca2+、Al3+、SiO44-等離子的溶出增加，形成水化產物，因此稱之為 「潛在水硬性」，添加後能促進其水化硬化反應的物質稱為「激發劑」。對於普通粉煤灰來說， 它並不具有「潛在水硬性」，而是僅具有火山灰反應性，它屬於CaO-Al2O3-SiO2體系，其化學成份主要是CaO、A1203、Fe203、SiO2和未能燃盡的炭，而且隨著煤種、煤粉細度及燃燒條件的不同其成份也有較大波動。粉煤灰的礦相組成主要是鋁矽玻璃體，還有少量的石英和莫來石等結晶礦物以及未燃盡炭粒，其中鋁矽玻璃體佔70%以上。是粉煤灰活性的主要來源。 鋁矽玻璃體是煤粉燃燒後在高溫下遇空氣急冷過程中，由於液相粘度很快加大，晶核來不及形成，並且晶體的成長受到阻礙，質點來不及按一定次序排列而形成的特定結構，其處於不均勻和熱力學不穩定的狀態，從反應熱力學分析，其有從高能態(玻璃體)向低能態(結晶)轉變的趨勢。在粉煤灰玻璃體中，Si02、Al203等氧化物是空間網絡體，Ca2+、Fe3+等金屬離子則嵌布在網絡空隙中，具有一定的活性，部分Al3+可能代替Si4+形成Alt)4—鋁氧四面體， 這種金屬離子鍵能較非橋氧鍵還弱，具有較高的活性。礦渣由於被鹼性介質激發而解聚，其溶解出來的Ca2+、Mg2+離子又與粉煤灰玻璃體進行火山灰反應，可補充提供長期強度。當然， 鹼性激發劑對活化粉煤灰亦是有利的。此外，礦渣與粉煤灰兩者配合使用，尚能有利於改善水泥性能，當礦渣單獨使用時，漿體析水性大，摻入粉煤灰可改善水泥性能，減少收縮，因此兩者混合使用，既利用了礦渣的潛在水硬性，也利用了粉煤灰的火山灰活性，部分礦渣用粉煤灰代替尚能取得經濟效益。沸石類礦物是鹼-粉煤灰-礦渣膠凝材料的主要水化產物，加入適量的天然沸石， 作為晶種，能起到核化劑的作用。天然沸石起核化劑的作用，可從相變理論得到解釋。該理論認為形成的晶核與晶種具有相同或相近的原子排列時，核化作用最佳。顯然，外摻天然沸石與水化產物沸石結構完全相同，能起核化作用。其次，天然沸石晶種能降低水化產物形核功。相變理論亦認為，液相不能立即成核的主要障礙是晶核形成時，要形成液-固相界面需要一定能量，如果晶核是依附於晶種的界面形成，則高能量的晶核與液相的界面被低能量的晶核與晶種之間的界面所取代，顯而易見，這種界面的代換比界面創立所需要的能量小，也就是說，晶種的加入可降低核化勢壘。由於核化勢壘降低，成核機率提高，核化、晶化速率加快，提高了水化產物的含量，也就是提高了系統硬化體的強度。本試驗加入石灰的目的是補充體系的鈣含量。石灰含量過多，過多的氧化鈣會引起體積安定性不良，導致強度下降。而不摻加石灰時，體系中鈣含量不足，不足以造成全面的鈣一矽反應體系，有效的反應量還形不成有效的結構。因此，石灰的摻量應適中。綜合以上原材因素，提出以下技術方案本發明的複合型鹼激發低碳水泥的原料是礦渣、粉煤灰、鹼激發劑、核化劑和調凝劑。其中礦渣和粉煤灰的質量比為4 7 6 3 ;鹼激發劑是由氫氧化鈉和水玻璃(模數=O. 8 I. 6)配製而成，其質量比為5 7 5 3，摻量為6% 12% ;核化劑是天然沸石，其摻量為1% 4% ;調凝劑是石灰，其摻量為2% 10%。水灰比為O. 30 O. 40。
具體實施例方式本發明十個實施例的主要原材料礦渣和粉煤灰的主要性能指標見表I。所用氫氧化鈉為化學純試劑。水玻璃採用模數為I. 2的鈉水玻璃。核化劑採用325目的天然沸石。 調凝劑採用的石灰，使用前需將石灰在振動磨機粉磨至細度控制在O. 080mm方孔篩，篩餘約為12%左右。表I本發明用的礦渣和粉煤灰的主要性能指標
權利要求
1.一種複合型鹼激發低碳水泥，由礦渣、粉煤灰、鹼激發劑、核化劑和調凝劑配製而成， 其特徵在於以質量份計礦渣和粉煤灰的質量比為4 7 6 3 ;鹼激發劑是由氫氧化鈉和水玻璃配製而成，其質量比為5 7 5 3，摻量為6% 12%;核化劑是天然沸石，其摻量為1% 4% ;調凝劑是石灰，其摻量為2% 10%。
2.權利要求I所述的鹼激發劑的製備方法為將模數為O.8 I. 6的水玻璃和氫氧化鈉混合製成複合鹼激發劑，控制其質量比為5 7 5 3，並將所得複合激發劑陳化24小時備用，並控制其摻量為
3.權利要求I所述的核化劑採用325目的天然沸石，並控制其摻量為1% 4%。
4.權利要求I中的調凝劑採用的是石灰，使用前將石灰在振動磨機上粉磨至細度控制在用O. 080mm方孔篩振篩，篩餘約為12%左右。控制石灰的摻量為2% 10%。
5.權利要求I中的水膠比控制在O.30 O. 40。
6.一種如權利要求I製得的複合鹼激發低碳水泥，其特徵在於測定其強度在 32. 5MPa 52. 5MPa，並且經過抗酸性介質侵蝕、膠砂幹縮性和抗滲性能的測試，性能良好。
全文摘要
本發明公開了一種複合型鹼激發低碳水泥及其製備方法，屬於建築材料領域，該低碳水泥以粉煤灰和礦渣為原材料，以氫氧化鈉和水玻璃為鹼激發劑，以天然沸石為核化劑，以石灰為調凝劑，並在測定該體系具有較好的性能。本發明利用礦渣和粉煤灰這些工業固體廢棄物，加入一定比例的鹼激發劑、核化劑和調凝劑混合製得，原料無需開採、免炭燒、製備工藝簡單、能耗低、成本低、市場廣。從根本上改變了傳統水泥生產過程中所產生的粉塵並大量減少二氧化碳的排放量，並且能充分利用工業固體廢棄物，是真正清潔的綠色建築材料。也是21世紀最具發展潛力的一種膠凝材料。
文檔編號C04B28/08GK102603254SQ20111002491
公開日2012年7月25日 申請日期2011年1月20日 優先權日2011年1月20日
發明者孫宇, 楊元奎, 梁迪, 王軍, 王淑英, 王豔偉, 羅超 申請人:中鐵九局集團工程檢測試驗有限公司