CN102491655A - 自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥及其制备方法。自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥，其特征在于它由矿渣、石膏和自粉化熟料混合而成，各原料所占质量百分数为：矿渣57％～87％，石膏3％～18％，自粉化熟料1％～30％。自粉化熟料的制备：按熟料的石灰饱和系数0.589～0.823、硅率2.5～4.0、铝率1.0～2.8任意组合，配制成水泥生料；水泥生料粉磨至0.08mm筛筛余小于18％，于1200℃～1380℃高温下煅烧0.5～1.5小时，而后慢速冷却至室温，冷却速率为45～15℃/min，得到自粉化熟料。该方法工艺简单，煅烧温度低，粉磨电耗小，该方法可提高抗碳化性能。

Description

自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥及其制备方法。

背景技术

石膏是水泥工业的原料，通常作为水泥的缓凝剂使用，在硅酸盐水泥中的掺量一般按质量百分比5％左右。石膏资源丰富，特别是工业副产石膏，如磷石膏、脱硫石膏、氟石膏等，目前还得不到有效地利用，这不仅造成了资源的浪费，还造成环境污染。因此，合理利用工业副产石膏，变废为宝，减少或彻底消除其对环境的危害，已成为现阶段亟需考虑的问题。

矿渣是钢铁厂冶炼过程中排放出来的工业废渣，随冶炼工艺及原料品位的不同，其排量也略有不同，每冶炼1t生铁约排渣0.5t左右。我国作为一个钢铁大国，钢铁产量已经连续多年稳居世界第一，高产量伴随而来的就是高排放。因此，我国的矿渣资源非常丰富、价格也比较低廉。矿渣的主要化学成分是：二氧化硅(SiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化锰(MnO)、氧化铁(FeO)等。目前主要用作水泥的混合材，掺量一般在20％～50％(质量百分比)，主要目的是为了降低水泥生产成本。

一般硅酸盐水泥熟料中，主要矿物为硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)，铝酸三钙(C₃A)、铁铝酸四钙(C₄AF)，这四种熟料矿物约占组成的95％以上。其中C₃S含量约为37％～60％，C₂S含量约为15％～37％。但是在自粉化熟料中，由于石灰饱和系数(KH)较低的缘故，生成的C₂S所占质量比相对较高，又因为C₂S在低于500℃下，易由密度为3.28g/cm³的β型转变为密度为2.97g/cm³的γ型，体积膨胀10％而导致熟料粉化，故慢速冷却能制得粉化率较高的自粉化熟料。

目前，建材领域存在着与本发明相类似的技术，如石膏矿渣水泥，国外的超硫水泥等。这些水泥与本发明一样，均具有很高的抗硫酸盐侵蚀能力，较好抗氯离子渗透能力和抗碱集料反应等诸多优点。但与本发明之自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥相比，以上这些水泥在空气中抗碳化性能差，服役较长时间后强度大幅度倒缩，表面起砂严重，同时，配制这些水泥所需的熟料煅烧温度高，硬度高，粉磨电耗高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥及其制备方法，该方法工艺简单，煅烧温度低，粉磨电耗小，该方法可提高抗碳化性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥，其特征在于它由矿渣、石膏和自粉化熟料混合而成，各原料所占质量百分数为：矿渣57％～87％，石膏3％～18％，自粉化熟料1％～30％。

所述的矿渣为钢铁厂排出的高炉矿渣，其主要化学成分是：二氧化硅(SiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化锰(MnO)、氧化铁(FeO)等。

所述的石膏为磷石膏、脱硫石膏、氟石膏、天然的硬石膏或天然的二水石膏，主要成分为硫酸钙(CaSO₄)。

所述的自粉化熟料的石灰饱和系数(KH)在0.589～0.823之间；硅率(SM)在2.5～4.0之间；铝率(IM)在1.0～2.8之间；烧成温度在1200℃～1380℃之间，熟料在冷却过程中可自行粉化。

所述的各原料所占质量百分数最佳为：矿渣62％～82％，石膏8％～15％，自粉化熟料5％～25％。

上述自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)自粉化熟料的制备：按熟料的石灰饱和系数(KH)0.589～0.823、硅率(SM)2.5～4.0、铝率(IM)1.0～2.8任意组合，配制成水泥生料；水泥生料粉磨至0.08mm筛筛余小于18％，于1200℃～1380℃高温下煅烧0.5～1.5小时，而后慢速冷却至室温(冷却速率为45～15℃/min)，得到自粉化熟料，备用；

2)按各原料所占质量百分数为：矿渣57％～87％，石膏3％～18％，自粉化熟料1％～30％，各原料所占质量百分数之和为100％，选取矿渣、石膏和自粉化熟料，备用；

3)采用下述两种方法之一制备自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥：

①将矿渣、石膏、自粉化熟料分别粉磨至比表面积大于300m²/kg后再混合均匀，得自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥；

②将矿渣、石膏、自粉化熟料混合后，再粉磨至比表面积大于300m²/kg，得自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥。

本发明将矿渣、石膏以及自粉化熟料按上述比例混合均匀后，即具备了水硬性，加水后即可发生化学反应而硬化。实验表明，本发明的矿渣、石膏、自粉化熟料组成的混合物加水后，在石膏颗粒表面和颗粒之间形成了大量针状的水化硫铝酸钙和部分无定型的水化硅酸钙产物，使得该水泥具备了水硬性，产生了较高的强度；本发明的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥，凝结时间正常，安定性合格，保水率高，早期及后期强度均较高，且耐久性好，尤其是抗碳化性能显著提高。

本发明中，自粉化熟料的主要作用是提供矿渣水化所需的碱度及活性氧化铝和活性氧化铁，并形成少量水化硅酸钙促进强度提高，同时在后期水化过程中抵挡CO₂的侵蚀，保护水泥石结构。

本发明的有益效果是：所制备的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥早期及后期强度均较高，具有和易性好、耐久性佳，抗碳化性能优良，使用方便等诸多特点。主要原料中：自粉化熟料，原料来源广泛，生产工艺简单，煅烧温度低，易粉磨，成本低，能耗少；石膏和矿渣，储量丰富，价格低廉，且无需要煅烧，不仅避免了大量二氧化碳的排放，还可大量使用工业废渣，如工业副产石膏和高炉矿渣等，变废为宝，降低成本，有益于节能降耗和环境保护，并显著降低建筑物的造价。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例中所涉及物质比表面积数据均为采用气体吸附法测定。

实施例1：

按熟料的石灰饱和系数(KH)＝0.667、硅率(SM)＝3.5、铝率(IM)＝2.2配制生料，于1230℃下煅烧1小时，取出后慢速冷却至室温(冷却速率为45～15℃/min)，期间熟料全部自行粉化，封存备用。

将矿渣、天然硬石膏和自粉化熟料分别粉磨，测得矿渣比表面积425m²/kg；硬石膏比表面积410m²/kg；自粉化熟料368m²/kg，封存备用。

将以上所制矿渣粉，石膏粉，自粉化熟料粉按表1的配比混合均匀，制备成自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥。按照GB17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》测定试样的3天、28天强度及养护28天后再碳化7天的强度，结果见表1。所述的碳化7天强度是指自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥按照GB 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》成型并在20℃水中养护28天后，再放入60℃烘箱中烘干2天，然后放入温度20℃、CO₂浓度20％、相对湿度70％的碳化箱中碳化7天后所测得的强度(下同)。

表1.分别粉磨制备的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥的配比及其性能

表1表明，本发明碳化7天抗折强度≥3.0MPa，说明本发明可显著提高抗碳化性能。

实施例2

按熟料的石灰饱和系数(KH)＝0.667、硅率(SM)＝3.5、铝率(IM)＝2.2配制生料，于1230℃下煅烧1小时，取出后慢速冷却至室温(冷却速率为45～15℃/min)，期间熟料全部自行粉化，备用。

将矿渣、天然硬石膏和自粉化熟料按表2所示配比混合后，再粉磨至比表面积410m²/kg，制得各配比的自粉化熟料矿渣硅酸酸盐水泥，性能检测结果见表2。

表2.混合粉磨制备的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥的配比及其性能

表2表明，本发明碳化7天抗折强度≥3.3MPa，说明本发明可显著提高抗碳化性能。

实施例3

按表3所示熟料率值配制生料，混合均匀后于1260℃温度下煅烧1小时，取出后慢速冷却至室温(冷却速率为45～15℃/min)，期间熟料完全自行粉化。将所得各编号熟料分别粉磨至比表面积360m²/kg左右，备用。

取实施例1中制得的矿渣(表面积425m²/kg)、硬石膏(比表面积410m²/kg)、以及本实施例中所得各编号自粉化熟料(比表面积约360m²/kg)，按表4之配比成型并测试其性能，结果见表4。

表3.不同率值熟料的粉化情况

表4.不同率值自粉化熟料对水泥性能的影响

实施例4

按实施例3中的C2熟料成分设计(KH＝0.667，SM＝3.5，IM＝2.2)配制成生料，于不同温度下煅烧1小时，取出后慢速冷却至室温(冷却速率为45～15℃/min)，粉磨至比表面积360m²/kg。然后与实施例1中所制得的矿渣(比表面积425m²/kg)和硬石膏(比表面积410m²/kg)，按表5中所示配比混合均匀，配制成自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥并测试其性能，结果见表5。

表5.不同熟料烧成温度对水泥性能的影响

实施例5

按熟料率值KH＝0.667、SM＝3.5、IM＝2.2配制生料，等分成三份，分别于1260℃下煅烧0.5、1、1.5小时，取出后慢速冷却至室温(冷却速率为45～15℃/min)，期间熟料全部自行粉化，之后分别粉磨至比表面积360m²/kg左右。

取实施例1中制得的矿渣(表面积425m²/kg)、硬石膏(比表面积410m²/kg)、以及本实施例中所得各煅烧时间下的自粉化熟料(比表面积约360m²/kg)，按表6之配比成型并测试其性能，结果见表6。

表6.不同熟料煅烧时间对水泥性能的影响

实施例6

将磷石膏，脱硫石膏，氟石膏，硬石膏分别粉磨至比表面积410m²/kg左右，备用。所述的磷石膏为生产磷酸基化工产品的副产品，主要成分为二水石膏(CaSO₄·2H₂O)；脱硫石膏为电厂燃煤烟气中脱硫产生的石膏，主要成分为二水石膏(CaSO₄·2H₂O)；氟石膏是用硫酸盐处理制取氢氟酸后残存的渣子再用石灰中和过量的硫酸所得的废渣，主要成分为二水石膏(CaSO₄·2H₂O)；硬石膏是天然矿石，主要成分为无水硫酸钙(CaSO₄)。

取实施例1中所得的矿渣(比表面积425m²/kg)，备用。

取实施例3中所得的C2熟料(KH＝0.667，SM＝3.5，IM＝2.2，比表面积360m²/kg左右)，备用。

将以上各原料按表7之配比成型并测试其性能，结果见表7。

表7.不同石膏对水泥性能的影响，

本发明所列举的各原料及配比都能实现本发明，以上各原料配比的上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。

Claims (6)

1.自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥，其特征在于它由矿渣、石膏和自粉化熟料混合而成，各原料所占质量百分数为：矿渣57％～87％，石膏3％～18％，自粉化熟料1％～30％。

2.根据权利要求1所述的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥，其特征在于：所述的矿渣为钢铁厂排出的高炉矿渣。

3.根据权利要求1所述的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥，其特征在于：所述的石膏为磷石膏、脱硫石膏、氟石膏、天然的硬石膏或天然的二水石膏。

4.根据权利要求1所述的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥，其特征在于：自粉化熟料的制备：按熟料的石灰饱和系数0.589～0.823、硅率2.5～4.0、铝率1.0～2.8任意组合，配制成水泥生料；水泥生料粉磨至0.08mm筛筛余小于18％，于1200℃～1380℃高温下煅烧0.5～1.5小时，而后慢速冷却至室温，冷却速率为45～15℃/min，得到自粉化熟料。

5.根据权利要求1所述的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥，其特征在于：所述的各原料所占质量百分数最佳为：矿渣62％～82％，石膏8％～15％，自粉化熟料5％～25％。

6.一种制备权利要求1所述的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)自粉化熟料的制备：按熟料的石灰饱和系数0.589～0.823、硅率2.5～4.0、铝率1.0～2.8任意组合，配制成水泥生料；水泥生料粉磨至0.08mm筛筛余小于18％，于1200℃～1380℃高温下煅烧0.5～1.5小时，而后慢速冷却至室温，冷却速率为45～15℃/min，得到自粉化熟料，备用；

2)按各原料所占质量百分数为：矿渣57％～87％，石膏3％～18％，自粉化熟料1％～30％，各原料所占质量百分数之和为100％，选取矿渣、石膏和自粉化熟料，备用；

3)采用下述两种方法之一制备自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥：

①将矿渣、石膏、自粉化熟料分别粉磨至比表面积大于300m²/kg后再混合均匀，得自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥；

②将矿渣、石膏、自粉化熟料混合后，再粉磨至比表面积大于300m²/kg，得自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥。