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发布6月中旬申请的一个专利,供同行们批评指正:一种常温养护廉价碱激发水泥的制备和使用方法

已有 713 次阅读 2019-7-6 09:16 |系统分类:论文交流

权利要求书

 

1.一种常温养护廉价碱激发水泥的制备方法,由工业碱、钙质原料和硅铝酸钾钠原料混合、磨细至全过100目筛的细度,然后在氧化气氛中于1250~1350充分煅烧后急冷得到干燥熟料,磨细熟料至200目筛余≤10%的细度后混合钠水玻璃制得水泥。

2.根据权利要求1所述的常温养护廉价碱激发水泥的制备方法,其特征在于,所述的煅烧后急冷为高炉矿渣急冷常用的水淬冷却法,水淬用水量控制到冷却至常温的熟料是干燥无水的。

3.根据权利要求1所述的常温养护廉价碱激发水泥的制备方法,其特征在于,所述的硅铝酸钾钠原料指化学组成必含SiO2Al2O3Na2O/K2O的固体物质,要求其在1100充分氧化煅烧后的残余物中,SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的质量占比不少于95.0%,且在SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的总质量中,各组份含量分别为CaO0~5.0%MgO0~2.0%SiO250.0~75.0%Al2O315.0~35.0%Na2O+K2O5.0~11.0%

4.根据权利要求13所述的常温养护廉价碱激发水泥的制备方法,其特征在于,工业碱指烧碱和/或纯碱,其掺量按所含的Na2O与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为0~2.0%

5.根据权利要求13所述的常温养护廉价碱激发水泥的制备方法,其特征在于,钙质原料指单独煅烧时能生成CaO物相的原料,其掺量按所含CaO与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为44.0%~80.0%

6.根据权利要求1所述的常温养护廉价碱激发水泥的制备方法,其特征在于,所述钠水玻璃为含水溶性SiO2Na2O的原料,其掺量按所含SiO2+Na2O的质量计为熟料粉的3.0%~10.0%,钠水玻璃的模数为1.0~2.0

7.一种根据权利要求1~6任意一项所述的方法制备的常温养护廉价碱激发水泥的使用方法,其特征在于,先将钠水玻璃用水溶解稀释,冷却后与熟料粉混合均匀制备浆体,将浆体振动密实成型得到水泥净浆试块,常温保湿养护28天。

8.根据权利要求7所述的常温养护廉价碱激发水泥的使用方法,其特征在于,泥净浆试块前7天在饱和湿度的空气中常温养护,7天之后继续在湿气中或浸在水中养护至28天。

9.根据权利要求78所述的常温养护廉价碱激发水泥的制备和使用方法,其特征在于,试块成型前的水泥浆体中掺入砂石骨料制备混凝土。

 


说  明  书

一种常温养护廉价碱激发水泥的制备和使用方法

 

技术领域

本发明属于水泥建筑材料及其应用领域特别涉及碱激发水泥的制备方法及其使用方法。

背景技术

1824年英国人J.阿斯普丁取得硅酸盐水泥的专利权至今,产能巨大的硅酸盐水泥近200年来为人类文明发展立下了汗马功劳,但其主要组成物硅酸盐熟料的制备仍存在碳排放、能耗和物耗高,粉尘和硫氮氧化物气体污染严重及耐蚀耐久性差等突出问题。碱激发水泥具有早强、抗腐蚀和冻融性好等突出优点,可大量利用固体废渣,低碳节能环保,被认为是最有可能替代硅酸盐水泥的新型水泥品种之一。传统的碱激发水泥为用强碱激发活性非晶硅铝酸(钙)盐而硬化的双组份水泥,仍存在诸多不足,成为阻碍其推广应用的瓶颈:(1)高岭土的化学组成相对远离上地壳平均值,资源较稀缺,而其它碱激发水泥的主要原料如粉煤灰和高炉矿渣等因大量用作硅酸盐水泥的掺和料而价格上涨,故其原料成本堪忧;(2)大量掺入的工业碱激发剂(按Na2O计占3~14wt%)使其成本居高不下,且易于泛碱而影响耐久性;(3)工业废渣固有的组成多变性使以其为主要原料制备的碱激发水泥性能和制备工艺难以稳定调控和标准化。专利CN102730996A公开了一种单组分碱激发水泥的制备方法,系将含SiO2Al2O3CaO的固体原料与碱混合在9501200保温煅烧,冷却后再研磨得到水泥,使用时将水泥粉直接水化后在5080保湿养护得到硬化的水泥石。但该水泥中Na2O+0.658K2O 含量为625%,与传统双组份碱激发水泥相比并未降低,且碱金属全来源于昂贵的工业碱盐,虽然其煅烧温度较低,但其成本仍然偏高而没有明显的优势。彭美勋等的研究(Applied Clay Science, 2017,139: 64~71表明SiO2Al2O3CaOMgONa2O的混合物在1200以下煅烧所得熟料主要由各种结晶相组成其水化相也主要为晶相。由于只有少数晶相具有胶凝性,从而水泥的胶凝性受到限制,这与水泥水化均为非晶相的高胶凝性碱激发水泥存在很大的差异。

发明内容

硅铝酸钙煅烧熔融急冷即得到以非晶玻璃相为主的高炉矿渣,后者具有很高的碱激发胶凝性。碱金属组份掺入硅铝酸钙原料中可显著降低后者的熔融温度并提高其反应活性以其为活性组份制备碱激发水泥还可减少碱激发剂掺量,从而从两方面降低成本。本发明的目的在于提供一种常温养护廉价碱激发水泥的制备方法,其通过烧制以玻璃相为主、化学组成主要为SiO2Al2O3CaONa2OK2O的熟料来制备碱激发剂耗量低的碱激发水泥

为实现上述目的,本发明采用的技术方案一种常温养护廉价碱激发水泥的制备方法,由工业碱、钙质原料和硅铝酸钾钠原料混合、磨细至全过100目筛的细度,然后在氧化气氛中于1250~1350充分煅烧后急冷得到干燥熟料,磨细熟料至200目筛余≤10%的细度后混合钠水玻璃制得水泥。

作为更为具体的实施方式,所述硅铝酸钾钠原料指化学组成必含SiO2Al2O3Na2O/K2O的固体物质,要求其在1100充分氧化煅烧后的残余物中,SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的质量占比不少于95.0%,且在SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的总质量中,各组份含量分别为CaO0~5.0%MgO0~2.0%SiO250.0~75.0%Al2O315.0~35.0%Na2O+K2O5.0~11.0%

作为更为具体的实施方式,所述工业碱指烧碱和/或纯碱,其掺量按所含的Na2O与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为0~2.0%

作为更为具体的实施方式,所述钙质原料指单独煅烧时能生成CaO物相的原料,其掺量按所含CaO与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为44.0%~80.0%

作为更为具体的实施方式,所述钠水玻璃为含水溶性SiO2Na2O的原料,其掺量按所含SiO2+Na2O的质量计为熟料粉的3.0%~10.0%,钠水玻璃的模数为1.0~2.0

作为更为具体的实施方式,所述煅烧后急冷为高炉矿渣急冷常用的水淬冷却法,水淬用水量控制到冷却至常温的熟料是干燥无水的。

本发明还提供一种如上述方法制备的常温养护廉价碱激发水泥的使用方法,先将钠水玻璃用水溶解稀释,冷却后与熟料粉混合均匀制备浆体,将浆体振动密实成型得到水泥净浆试块,常温保湿养护28天。相应的液固比需满足振动密实要求的流动度。

作为优化的实施方式,泥净浆试块前7天在饱和湿度的空气中常温养护,7天之后继续在湿气中或浸在水中养护至28天。

作为优化的实施方式,为满足建筑构件的综合使用性能并节省成本,在试块成型前的水泥浆体中掺入砂石骨料制备混凝土相应的液固比需为满足混凝土工作性和后期使用性能而进行调整。

本发明的有益效果在于:

(1)与硅酸盐水泥相比,本发明所述的水泥显著降低石灰石需量和熟料煅烧温度,其碳排放、能耗与成本均可明显降低而使用性能基本相当。

2)与传统的双组份碱激发水泥相比,本发明的水泥工业碱需量更低且煅烧温度也远低于矿渣和粉煤灰的制备温度,从而水泥制备成本明显降低,且前者的化学组成常随生产工艺被动变化,其配方很难调控,强度性能稳定性差,而后者的化学组成和强度性能均可稳定调控。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步详细说明本发明,但本发明要求保护的范围并不限于此。

准备纯碱、烧碱、硅铝酸钾钠原料和钙质原料,其中硅铝酸钾钠原料有6种,均为天然岩石混合物,其在1100煅烧后的残余物中,SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的质量占比为96~98%,其余化学组成主要为Fe2O3TiO2。以SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO100%计算6种硅铝酸钾钠原料的化学组成详见表1,各组份含量满足CaO0~5.0%MgO0~2.0%SiO250.0~75.0%Al2O315.0~35.0%Na2O+K2O5.0~11.0%。将纯碱或烧碱与硅铝酸钾钠及钙质原料按比例混合得到12个生料配方,生料中各原料的混合比例(详见表2)满足:纯碱或烧碱掺量按其中的Na2O与硅铝酸钾钠原料在1100煅烧后的质量之比计为0~2.0%,钙质原料主要成分为CaCO3的天然石灰岩、生石灰、熟石灰及含石灰的电石渣四种,其掺量按所含CaO与硅铝酸钾钠原料在1100煅烧后的质量之比计为44.0%~80.0%。将混合物用水泥实验小磨球磨约半小时,使磨后粉体的细度达到可全部通过100目标准筛。将磨细后的生料粉在普通马弗炉(空气气氛)内煅烧。各生料的煅烧最高温度12501350范围内,在最高温度的保温时间为3小时。煅烧结束得到的熟料直接从炉内取出水淬粒化冷却,控制水淬用水量使得到的冷却熟料是燥无水的。将冷却至室温的料粉磨至200目筛余量≤10%的细度便得到熟料粉。在工业水玻璃(模数3.2中掺入烧碱调整其模数,同时掺入水以达到制备水泥净浆所需要的液固比。待钠水玻璃溶液冷却后与熟料粉在水泥净浆搅拌机中混合均匀,然后将浆体填入规格为40×40×36的钢模中振动密实成型棱柱体水泥净浆试块,在水泥标准养护箱中于20的湿度大于90%的空气中养护。其中钠水玻璃的掺量按其所含SiO2+Na2O计为熟料粉的3.0%~10.0%,钠水玻璃的模数为1.0~2.0(详见表2)。硬化脱模后的试块继续在养护箱中养护,以2KN/S的加载速度检测试块的3天和28龄期抗压强度。由表2中试块的抗压强度可知,相应的水泥应能基本达到或超过PO42.5水泥的强度性能。

1 硅铝酸钾钠原料煅烧基主要化学组成 单位:wt%

原料编号

SiO2

Al2O3

CaO

MgO

Na2O

K2O

SAKN1

67.7

26.3

0.8

0.3

1.6

3.4

SAKN2

75.0

15.1

1.2

0.8

2.5

5.4

SAKN3

66.4

26.3

0.4

0.2

6.3

0.5

SAKN4

50.0

35.0

3.2

1.0

7.6

3.2

SAKN5

72.5

15.0

1.0

0.5

8.3

2.7

SAKN6

66.7

26.3

0.2

0.3

0.7

5.4

 

2  水泥制备主要工艺参数及强度性能一览表

实施例号

生料配料

煅烧温度(

与熟料混合

的钠水玻璃

水泥净浆液固比(g/g)

抗压强度(MPa)

工业碱

钙质原料

硅铝酸钾钠原料种类 

模数

与熟料

质量比cwt%)

3

28

种类

掺量a

种类

掺量b

1


0

石灰石

67.4

SAKN1

1250

1.0

3.0

0.36

18.5

56.8

2

烧碱

0.9

生石灰

61.8

SAKN2

1280

1.2

5.0

0.29

20.8

64.4

3

纯碱

1.7

熟石灰

71.7

SAKN3

1300

1.6

4.3

0.27

25.1

46.4

4

纯碱

0.2

电石渣

80.0

SAKN4

1300

2.0

10.0

0.38

22.8

81.9

5

纯碱

0.2

石灰石

75.3

SAKN5

1320

1.8

8.0

0.39

20.4

79.8

6

烧碱

0.2

生石灰

68.1

SAKN6

1340

1.1

5.3

0.39

15.3

51.8

7

烧碱

0.9

熟石灰

75.0

SAKN4

1300

1.2

3.7

0.32

25.6

74.3

8

烧碱

0.9

电石渣

52.6

SAKN2

1350

1.9

4.7

0.26

20.5

56.2

9


0

石灰石

44.0

SAKN1

1330

1.5

7.0

0.34

24.5

78.0

10

纯碱

0.5

生石灰

54.8

SAKN6

1260

1.7

9.0

0.39

20.2

52.2

11


0

熟石灰

70.0

SAKN5

1310

1.3

8.3

0.30

15.6

74.5

12

纯碱

2.0

电石渣

76.0

SAKN3

1320

1.4

5.3

0.32

25.9

58.2

注:a按工业碱中Na2O与硅铝酸钾钠原料在1100煅烧后的质量之比计;b按钙质原料中所含CaO与硅铝酸钾钠原料在1100煅烧后的质量之比的百分数计;c钠水玻璃的质量按所含SiO2+Na2O的质量计

 




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