CN104326687A - 一种c3s型硫铝酸盐水泥熟料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种C3S型硫铝酸盐水泥熟料及其制备方法,实现在低温、高SO3含量条件下C3S与的共存,制备出C3S型硫铝酸盐水泥熟料,熟料的化学组成为:CaO45%-60%、SiO27%-13%、Al2O320%-35%、Fe2O31.6%-9%、SO35%-12%、CaF20.2%-1.0%、ZnO0.0%-0.2%,其中碱度系数cm为1.2-1.5,铝硫比控制在3.5-4.0。制备方法为:利用现有的C2S型硫铝酸盐水泥熟料的生产线生产,不同的是烧成温度。本发明所述熟料的烧成温度为1220℃~1320℃,最佳烧成温度为1250℃-1270℃,比C2S型硫铝酸盐水泥熟料的烧成温度降低了30℃-50℃,烧成后出窑、急速冷却制成。本发明具有较高的碱度,能够促进的水化,使制成的水泥具有较高的早期强度;同时由于C3S的活性远高于C2S,在提供一定的早期强度的同时,提供后期强度的支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐火材料,为用于生产硫铝酸盐水泥的新型硫铝酸盐水泥熟料及其制备方法。
背景技术
硫铝酸盐水泥(含铁铝酸盐水泥)是我国于上世纪七十年代发明的以无水硫铝酸钙(C4A3 )、硅酸二钙(C2S)为主要矿物组成的第三系列水泥,其矿物组成C4A3 为35~75%、C2S为15~35%、铁铝酸四钙(C4AF)为3~30%,本发明称其为C2S型硫铝酸盐水泥。因其具有早强、高强、高抗渗、高抗冻、耐蚀等性能特点,使其成为特种工程材料的主要原材料;同时,由于其低钙、低温(1250℃~1350℃)烧成的特点,也使其成为水泥行业实现“节能减排”的发展方向。
C2S作为该品种水泥熟料的主要矿相之一,占到15~35%的比例。已有资料介绍,由于该水泥熟料是在低温烧成,其C2S具有较高的活性。但从硫铝酸盐水泥1d强度达到28d强度70~80%的强度发展规律、以及从3d强度到28d强度4~5MPa的强度增进率来看,硫铝酸盐水泥熟料中的C2S对28d之前的强度贡献很少,而是对长期强度有所贡献(从5~10年水泥和混凝土长期强度结果可以看出,随养护龄期的增长,强度不断增长,最高强度可达100MPa)。因此,在一定的龄期内,硫铝酸盐水泥中的C2S并没有充分水化,为硫铝酸盐水泥的强度发展做出贡献。所以,对于特种工程材料而言(要求早强、高强),硫铝酸盐水泥熟料中的C2S成为一种可有可无的矿物。同时,随着我国优质铝矾土资源的逐渐减少、以及水泥厂家出于降低成本的原因,硫铝酸盐水泥熟料中的硅含量有增大的趋势,进而导致C2S含量的进一步提高。目前,硫铝酸盐水泥熟料中的C2S含量一般在25~38%之间。如此之高的C2S含量,对于要求早强的硫铝酸盐水泥而言是对资源、能源的巨大浪费。另一方面,根据对硅酸盐水泥熟料矿物的易磨性研究结果,C2S是硅酸盐水泥熟料四个矿物中易磨性最差的矿物。虽然硫铝酸盐水泥熟料的低温烧成会有所改善C2S的易磨性,但根据硫铝酸盐水泥的生产实践来看,C2S仍然是制约硫铝酸盐水泥粉磨电耗降低的主要因素。所以,减少硫铝酸盐水泥熟料中的C2S含量则有利于硫铝酸盐水泥粉磨电耗的降低。因此,C2S已成为传统硫铝酸盐水泥熟料的软肋。而随着我国优质铝矾土资源的减少、以及水泥企业出于降低成本的目的,C2S更将成为硫铝酸盐水泥发展的主要矛盾。所以,提高硫铝酸盐水泥熟料中硅酸盐矿物的活性及其易磨性将利于硫铝酸盐水泥可持续发展。
而根据研究,硅酸盐水泥熟料中硅酸三钙(C3S)的易磨性远高于C2S,且具有良好的早期活性,是硅酸盐水泥3d强度的主要贡献者。因此,将硫铝酸盐水泥中的C2S转化为C3S,生产新型的硫铝酸盐水泥熟料,将是硫铝酸盐水泥的发展方向之一。但根据文献资料,熟料中较多的SO3存在,会阻碍C2S进一步吸收CaO,不利于C3S的形成。因此,目前人们在高贝利特硫铝酸盐水泥(矿物组成:C2S>50%、C4A3 <35%)和阿利特-硫铝酸钙水泥(又称高钙硫铝酸盐水泥或硫铝酸钙改性硅酸盐水泥,其矿物组成:C4A3 为5%~20%,C3S为30%~50%,C2S为30%~40%,C4AF为3%~10%,与硫铝酸盐水泥熟料的C4A3 含量存在较大差异,主要以改善硅酸盐水泥早期强度偏低为目的)进行了大量的工作,如阿利特—硫铝酸盐水泥的组成及制造方法(CN86103649)、含无水硫铝酸钙矿物的硅酸盐水泥熟料及其生产方法(CN 1490270)、高贝利特含量的硫铝酸盐熟料、其制备方法及其用于制备水硬性胶结材料的用途(CN10276892A)等。
对于高C3S含量、高C4A3 含量共存的硫铝酸盐水泥熟料的研究,目前仅见李金洪、赵宏伟于2007年4月25日申请的专利:硫铝酸钙一阿利特复合矿相水泥熟料及其制备方法,专利申请号200610076717.X、公开号CN 1951853A。根据其摘要,该专利是以粉煤灰、铝矾土、石灰石、石膏为原料,萤石为矿化剂,设计MG和MS值,在普通硫铝酸盐水泥制备过程中引入新的阿利特矿物,于1200℃—1330℃条件下制备新型硫铝酸钙一阿利特复合矿相水泥熟料,其矿物组成为:C4A3 45-65%,C3S20%-36%,C2S等余量。
但根据其说明书的介绍,存在如下问题:
1、从附图的X-射线衍射图来看,并没有证明有大量的C3S存在
从该专利给出的附图2——熟料X-射线粉晶衍射图来看,该专利所公布的熟料中并没有大量的C3S存在。C3S有三个晶系:三方晶系、单斜晶系和三斜晶系。而纯的C3S在常温下,通常只能保留三斜晶系,如含有少量MgO、Al2O3、SO3、Fe2O3、R2O等稳定剂形成的固溶体,便可保留三方晶系和单斜晶系。一般水泥熟料中只保留三方晶系,其晶体断面为六角形和棱柱形。根据该专利描述的阿利特(C3S)矿物为板状六角形,晶体发育相对细小,应为三方晶系。而纯的三方晶系C3S的X-射线特征峰分别为(d=3.07、2.787、2.64、2.224),实际熟料中的C3S因固溶少量的MgO、Al2O3、SO3、Fe2O3、R2O,特征峰d值会有所偏移。同时,由于β-C2S的特征峰为(d=2.781、2.731、2.598、2.189),多数会和C3S的特征峰重合,分辨不出,见无机非金属材料图谱手册(杨南如、岳文海主编,武汉工业大学出版社,2000年1111月,P79)所给出的硅酸盐水泥熟料的X-射线图谱。从中可以看出,只有(d=3.028)的C3S特征峰不与C2S的特征峰重合,因此成为判断熟料中有无C3S或C3S多少的特征峰。
分析该专利所给出熟料的X-射线,被标为4的应是C3S的特征峰(d≈3.03),而该专利将其标为C11A7·CaF2/C12A7。但从其特征峰的衍射强度来看,该熟料含有C3S,但含量很少,达不到该专利所要求的20%-36%。其原因可能是该专利的矿物组成是通过XRD定量计算获得,而该方法直至现在也没被广泛认可。同时,另从附图2中也可看到,上下两层对于C3S和C2S的标识存在矛盾的现象。
2、其实施例的矿物组成超过100%
根据该专利的说明书,共有6个实施例。由于该专利只给出了粉煤灰的化学成分,铝矾土、石灰石、石膏的化学成分没有给出,但也可粗略计算其矿物组成的总合。以实施例1为例,其粉煤灰的配比为23.91%,粉煤灰中的Fe2O3含量为3.71%,由此带入的Fe2O3为0.89%,可形成的C2F为1.51%;粉煤灰中的TiO2含量为1.66%,由此带入的TiO2含量为0.397%,可形成的钛酸钙为0.67%。即使其他原材料所带入的Fe2O3忽略不计,实施例1的矿物总合为:1.51+0.67+60.30+18.56+8.06+12.85+0.23=102.18,也超出100%的合量。另可验证其矿物组成存在偏差。
该发明在技术实施上,对如下问题考虑不足:
3、C3S的形成环境
根据该专利说明书的介绍:在锻烧时,各组分主要通过固相反应时形成部分高温液相量固熔莫来石形成C4A3 ,C3S、C2S或C11A7·CaF2/C12A7等新矿物,莫来石呈微晶态,粒径小,固熔反应速度快。即该专利熟料主要是固相反应。
而根据硅酸盐水泥熟料的研究,C3S是在液相中形成,固相无法形成。虽然萤石矿化剂能降低液相的粘度,促进C3S的形成,但前提是有一定量的液相条件为基础。而在硫铝酸盐水泥熟料体系中,一般只将铁相视为液相。虽该专利没有给出熟料的化学组成,但可从X-射线图谱中可见该熟料很少有铁相。此为该专利熟料中C3S含量很少的原因之一。
4、形成C3S的氧化钙量不足
要使C2S吸收CaO形成C3S,必须有足量的氧化钙量,使这一吸收具有足够的动力。而该专利以MG为保证形成C3S的条件,其计算公式为MG=[CaO+1.40MgO-0.70Fe2O3-0.55Al2O3]/(1.87SiO2)。对于该公式,该专利的解释为:1.00wt%MgO相当于1.40wt%CaO,0.70wt%CaO被1.00wt%Fe2O3吸收形成C2F;0.55wt%CaO被1.00wt%Al2O3吸收形成C4A3 ;1.87wt%SiO2与1.00wt%CaO形成C2S。式中,MG=1时,表示CaO恰被C2S吸收转化为C3S;MG>1时,表示此时有足量的CaO使C2S转化,进而形成C3S。
对于该公式以及解释,该专利存在两个错误:首先其将MgO看做可以代替CaO的材料,参与形成矿物,而实际上MgO不参与形成矿物的反应,仅是少部分固溶于矿物中、大部分作为液相存在,因此此公式夸大了氧化钙的量。第二,当MG=1时,应是CaO恰被SiO2完全吸收转化为C2S,而不是CaO恰被C2S吸收转化为C3S,此为该专利的致命缺陷,并于MG>1时的解释相矛盾。而该专利的设定条件为MG=0.9-1.1,实施例中为1.05。0.05-0.1的CaO富裕量不足以促进C2S吸收CaO形成C3S。
5、12%-16%的C11A7·CaF2/C12A7的形成占用了大量的CaO
根据该专利的说明书,该专利的熟料含有12%-16%的C11A7·CaF2/C12A。而在该专利的矿物设计中,并没有考虑C11A7·CaF2/C12A7的形成所占用的CaO。按照说明书的介绍,该专利所发明的熟料中有12%-16%的C11A7·CaF2/C12A7,需要的CaO量约为6.12%,这将大大降低MG的值,使生料中的CaO量严重不足。
由于以上的原因,导致该专利无法实施,可能是其2010年4月20日终止专利权的直接原因。
发明内容
本发明的目的在于研究一种C3S型硫铝酸盐水泥熟料及其制备方法,以实现在低温、高SO3含量条件下C3S与C4A3 的共存,制备出C3S型硫铝酸盐水泥熟料,用于新型硫铝酸盐水泥的生产。利用本发明制备的C3S型硫铝酸盐水泥熟料具有较高的碱度,能够促进C4A3 的水化,使制成的水泥具有较高的早期强度;同时由于C3S的活性远高于C2S,在提供一定的早期强度的同时,提供后期强度的支持。
为达到上述目的,本发明所提供的新型硫铝酸盐水泥熟料主要采用石灰石、铝矾土(或高铝工业废渣等)、石膏配料,并采用以下技术方案获得C3S型硫铝酸盐水泥熟料:
1、采用高碱度系数进行配料,以保证有足够的CaO被C2S吸收生成C3S。传统的硫铝酸盐水泥熟料的碱度系数在0.9-1.0之间,以实现熟料中的CaO除了满足生成C4A3 、C4AF和C2S之外,很少有或没有游离的CaO存在。而本发明的C3S型硫铝酸盐水泥的碱度系数在1.2-1.5之间,以实现熟料中的CaO除了满足生成C4A3 、C4AF之外,还有足够的CaO能被C2S吸收,转化为C3S。
2、采用高铁配料,为C3S的形成提供液相条件。C3S是通过液相形成,因此熟料中要有一定的液相量。本发明以铁相C4AF作为熟料的主要液相,其适宜含量在5%-25%之间。必要时,在配料时采用铁质矫正料。
3、采用以CaF2为主的CaF2+ZnO复合矿化剂、与生料中的SO3形成多元复合矿化剂,以降低熟料烧成时液相出现的温度和液相的粘度,促进C3S在低温生成,并在高SO3含量条件下促进C2S吸收CaO转化为C3S。
在CaF2和SO3矿化剂存在的情况下,在不同温度段会生成不同的过渡矿物,以促进C3S的形成:
在900℃—950℃时,发生如下反应:9CaO+SiO+SO3+CaF2→3C2S·3CaSO4·CaF2
在1035℃—1100℃时,发生如下反应:3C2S·3CaSO4·CaF2→3C2S+3CaSO4+CaF2
温度达到1080℃时,发生如下反应:4C2S+3CaO+CaF2→C11S4·CaF2
温度达到1180℃时,发生如下反应:C11S4·CaF2→3C3S+C2S+CaF2,开始形成C3S.
矿化剂ZnO的作用为促进CaO的吸收,减少C4A3 的分解。
采用上述技术方案,本发明所制备的某一C3S型硫铝酸盐水泥熟料样品的X-射线图谱见附图。附图所示本熟料样品的X-射线衍射图中明显可见C3S的衍射峰(d=3.03、2.78、2.61、2.18)、特征峰(d=3.034、2θ=29.45°),证明C3S矿物的存在,成为一种C3S、C2S、C4A3 共存的新型硫铝酸盐水泥熟料。
本发明所述C3S型硫铝酸盐水泥熟料的化学组成为:
其中碱度系数控制在1.2-1.5,铝硫比控制在3.5-4.0,所述C3S型硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成按以下公式计算:
C3S=4.07CaO-7.60 SiO2-3.81 Fe2O3-2.98 Al2O3-2.86f-SO3-0.289T-4.07f-CaO (1)
C2S=2.87SiO2-0.754C3S (2)
C4AF=3.04Fe2O3 (3)
C4A3 =1.99(Al2O3-0.64Fe2O3) (4)
所述熟料的矿物组成为5%-40%的C3S、35%-65%的C4A3 、0%-15%的C2S、5%-25%的C4AF。
本发明所述的一种C3S型硫铝酸盐水泥熟料的制备方法为:利用现有的C2S型硫铝酸盐水泥熟料的生产线的生产工艺生产,不同的是烧成温度。本发明所述熟料的烧成温度为1220℃~1320℃,最佳烧成温度为1250℃-1270℃,比C2S型硫铝酸盐水泥熟料的烧成温度降低了30℃-50℃,烧成后出窑、急速冷却制成。
上面所有公式中的符号C、F、T、S、A、f-SO3、f-CaO分别为熟料中CaO、SO3、Fe2O3、TiO、SiO2、Al2O3、游离三氧化硫和游离氧化钙的质量百分数。
附图说明
附图为本发明所述熟料样品的X-射线图谱
具体实施方式
实施例1
熟料化学组成:CaO49.5%,SiO28.78%,Al2O327.95%,Fe2O33.07%,SO37.21%,f-CaO3.2%,f-SO30.419%
碱度系数cm:1.304,铝硫比:3.6
CaF2用量:0.9%,ZnO用量:0.2%
烧成温度:1270℃
计算矿物组成为C3S24.63%,C2S6.53%,C4AF9.33%,C4A3 51.84%
用该新型熟料制备水泥的参数和性能见下表。该水泥具有快凝、快硬、早强、高强的特点,特别是具有良好的后期强度增进。
实施例2
熟料化学组成:CaO48.55%,SiO2 8.58%,Al2O3 28.08%,Fe2O3 2.94%,SO3 7.33%,f-CaO1.8%,f-SO3 0.483%
碱度系数cm:1.29,铝硫比:3.57
CaF2用量:0.8%,ZnO用量:0.1%
烧成温度:1270℃
计算矿物组成为C3S27.94%,C2S3.46%,C4AF9.33%,C4A3 52.27%
用该新型熟料制备水泥的参数和性能见下表。该水泥具有速凝、早强的特点,以及良好的后期强度增进。
实施例3
熟料化学组成:CaO50.8%,SiO2 9.96%,Al2O3 22.74%,Fe2O3 5.41%,SO3 5.19%,f-CaO1.5%,f-SO3 0.152%
碱度系数cm:1.402,铝硫比:3.71
CaF2用量:0.5%,ZnO用量:0.1%
烧成温度:1270℃
计算矿物组成为C3S35.46%,C2S1.74%,C4AF16.45%,C4A3 38.46%
用该新型熟料制备水泥的参数和性能见下表.虽然该熟料的C4A3 含量仅有38.46%,但制成水泥仍表现出快硬早强的特点,以及良好的后期强度增进。
实施例4
熟料化学组成:CaO51.3%,SiO2 10.5%,Al2O3 25.95%,Fe2O3 2.07%,SO3 7.0%,f-CaO0.5%,f-SO3 0.544%
碱度系数cm:1.301,铝硫比:3.52
CaF2用量:1.0%,ZnO用量:0.05%
烧成温度:1270℃
计算矿物组成为C3S39.27%,C2S0.41%,C4AF6.29%,C4A3 49.13%
用该新型熟料制备水泥的参数和性能见下表.
Claims (2)
1.一种C3S型硫铝酸盐水泥熟料,其特征在于:所述熟料的化学组成为:
其中碱度系数控制在1.2-1.5,铝硫比控制在3.5-4.0,所述C3S型硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成为5%-40%的C3S、35%-65%的0%-15%的C2S、5%-25%的C4AF,所述C3S型硫铝酸盐水泥熟料的矿物组成按以下公式计算:
C3S=4.07CaO-7.60SiO2-3.81Fe2O3-2.98Al2O3-2.86f-SO3-0.289T-4.07f-CaO (1)
C2S=2.87SiO2-0.754C3S (2)
C4AF=3.04Fe2O3 (3)
。
2.一种制备权利要求1所述C3S型硫铝酸盐水泥熟料的方法,该方法是利用现有的C2S型硫铝酸盐水泥熟料的生产工艺生产,其特征在于:烧成温度为1220℃~1320℃,最佳烧成温度为1250℃-1270℃。
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