CN113200692B - 一种高铁相硅酸盐水泥制品及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高铁相硅酸盐水泥制品及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：将高铁相硅酸盐水泥熟料和水按照1：(0.15‑0.25)的质量比混合后搅拌均匀制成湿料，随后将湿料置于模具中压制成坯体，再将坯体置于碳化养护室内进行加速碳化处理，得到高铁相硅酸盐水泥制品；其中，上述高铁相硅酸盐水泥熟料的矿物组成为：硅酸三钙20‑33％、α‑硅酸二钙3‑8％、γ‑硅酸二钙36‑41％、铝酸三钙1‑3％、铁铝酸四钙18‑35％。本发明通过选择特定组成的水泥熟料制备高铁相硅酸盐水泥制品，经过矿相碳化和水化共同作用形成具有超高强度、耐侵蚀的高铁相硅酸盐水泥制品；本发明的方法简单、原料来源广、生产周期短。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种高铁相硅酸盐水泥制品及其制备方法。
背景技术
水泥是建筑和基础设施建设的主要原材料。水泥行业被认为是世界上二氧化碳排放最高的行业之一，其排放量约占全球工业部门排放总量的25％。目前，矿物掺合料替代水泥使用是减少水泥生产排放和耗能问题的有效手段，但是，在混合水泥中的取代量存在上限且会影响试件早期强度的发展，无法从根本上解决问题，因此，改善水泥生产带来的二氧化碳排放和高耗能问题，发展低能耗和低排放的新型硅酸盐胶凝材料是未来水泥行业发展的方向。
相比于现浇混凝土，构件生产具有生产条件好、产品质量稳定、施工速度快，生产周期短等优点，是未来建筑施工重要的发展方向。然而，传统硅酸盐预制构件存在一些不足，主要表现为预制构件用硅酸盐材料的生产消耗大量能源材料和排放大量二氧化碳；传统养护工艺养护耗能高；预制构件的快速养护缩短周期的方式所带来的内部结构损伤、后期力学性能缩减，裂纹的产生以及耐久性能不足的问题相当严重。近年来，碳化生产新型预制件技术得到了广泛的研究和关注。此种技术，与通常预制构件的生产技术性比较，碳化生产预制构件技术具有更快的反应速率、更高的力学耐久性能，尤其适合作为建筑预制构件的生产工艺，能有效改善传统预制构件制品由于快速养护所带来的结构和性能的劣变。
目前仅少量利用普通硅酸盐水泥混凝土的碳化制品的专利，如已申请的专利《自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥的制备方法》(申请号：CN 102491655)，该发明的自粉化熟料矿渣硅酸盐水泥中自粉化水泥熟料只是外加相，矿渣是主要的胶凝材料。《一种低温煅烧熟料及其制品的二氧化碳矿化制备方法》(申请号：201410661078.8)，其制备的低温熟料制品28天强度仅为76.5MPa,限制了其应用领域。《一种自粉化低钙水泥及其预制品的制备方法》(申请201510718970.X)其主要矿物组成为硅酸一钙、二硅酸三钙、γ-C2S和液相，此水泥熟料不属于硅酸盐体系，同时，体系中只存在碳化相无水化相导致最终构件在尺寸上受局限。还未看到利用硅酸盐水泥作为构件基材来获得具有超高强度水泥混凝土制品的报道，主要原因为通常所用的硅酸盐水泥中所包含的矿物碳化活性较低且会影响其它矿物水化提供基体性能的问题。因此如何制备出具有高碳化活性和高性能的硅酸盐水泥的碳化制品是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种高铁相硅酸盐水泥制品及其制备方法，用以解决现有技术中普通硅酸盐水泥无法制备具有超高强度水泥混凝土碳化制品的技术问题。
本发明的第一方面提供一种高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法，包括以下步骤：
将高铁相硅酸盐水泥熟料和水按照1：(0.15-0.25)的质量比混合后搅拌均匀制成湿料，随后将湿料置于模具中压制成坯体，再将坯体置于碳化养护室内进行加速碳化处理，得到高铁相硅酸盐水泥制品；其中，上述高铁相硅酸盐水泥熟料的矿物组成为：硅酸三钙20-33％、α-硅酸二钙3-8％、γ-硅酸二钙36-41％、铝酸三钙1-3％、铁铝酸四钙18-35％。
本发明的第二方面提供一种高铁相硅酸盐水泥制品，该高铁相硅酸盐水泥制品通过本发明第一方面提供的高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过选择特定组成的水泥熟料制备高铁相硅酸盐水泥制品，经过矿相碳化和水化共同作用形成具有超高强度、耐侵蚀的高铁相硅酸盐水泥制品；本发明的方法简单、原料来源广、生产周期短。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的第一方面提供一种高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法，包括以下步骤：
将高铁相硅酸盐水泥熟料和水按照1：(0.15-0.25)的质量比混合后搅拌均匀制成湿料，随后将湿料置于模具中压制成坯体，再将坯体置于碳化养护室内进行加速碳化处理，得到高铁相硅酸盐水泥制品；其中，上述高铁相硅酸盐水泥熟料的矿物组成为：硅酸三钙20-33％、α-硅酸二钙3-8％、γ-硅酸二钙36-41％、铝酸三钙1-3％、铁铝酸四钙18-35％。优选地，上述高铁相硅酸盐水泥熟料的矿物组成为：硅酸三钙20-25％、α-硅酸二钙3-6％、γ-硅酸二钙38-41％、铝酸三钙1-3％、铁铝酸四钙29-35％。更优选地，上述高铁相硅酸盐水泥熟料的矿物组成为：硅酸三钙20.5％、α-硅酸二钙3.2％、γ-硅酸二钙40.3％、铝酸三钙1.7％、铁铝酸四钙34.3％。
本发明选用的高铁相硅酸盐水泥熟料中，γ-硅酸二钙的含量为36-41％，能够实现熟料的完全自粉化；铁铝酸四钙的含量为18-35％，高铁相能够增加熟料煅烧过程中的液相含量和调整液相的粘度，其高的含量是实现水泥熟料低温制备的关键指标。
本发明的制备方法有效利用了非水硬性矿物γ-硅酸二钙的高碳化活性，提高制品的强度，同时表层形成的碳化致密层可提高混凝土材料的抗侵蚀性能；所含水硬性矿物能够部分水化弥补梯度结构带来的结构缺陷，通过矿相碳化和水化共同作用形成具有超高强度的高铁相硅酸盐水泥制品。
本发明的制备过程中，对高铁相硅酸盐水泥熟料和水的质量比进行了限定。若水泥熟料和水的质量比过高将因体系中水分过少使得熟料中水化相水化不充分，形成较少水化产物，最终构件中梯度结构明显而导致性能劣化；水泥熟料和水的质量比过低，将因过多水分阻滞CO2传输通道，影响最终的碳化效果，而导致性能劣化。
本实施方式中，高铁相硅酸盐水泥熟料通过将石灰石90.13-92.11份、砂岩1.41-8.36份和铁矿石2.47-6.46份依次进行破碎、预均化、配料、加入矿化剂1-2份、粉磨和均化处理，随后输送至悬浮预热器和分解炉中，然后将预热后的生料送入回转窑内，经煅烧和急冷得到。进一步地，矿化剂为CaF2和CaSO4中的一种或两种；煅烧温度为1250-1350℃，煅烧时间为20-25min。
本实施方式中，坯体成型压力20-150MPa，坯体成型时间为5-10min，成型后坯体的厚度≤300mm。本发明将成型后坯体的厚度控制为300mm以下的原因主要为以下两个方面：一是坯体厚度太大会使得碳化效果不好，梯度结构形成影响整体性能。坯体的厚度是由熟料中碳化相和水化相的含量决定的，当水化相较低，碳化相较高时，构件厚度会受限制，较少的水化相水化带来的效果难以抑制梯度结构形成带来的危害，对水泥制品性能产生一定影响；发明人经过大量试验研究发现，当构件厚度小于300mm时，构件厚度对产品的性能影响不大；当构件厚度高于300mm，构件内部碳化深度有限，水化相水化带来的效果难以弥补梯度结构带来的危害，导致性能劣化。二是坯体厚度太大会增加养护成本。
本实施方式中，碳化养护室内的温度为20-40℃，相对湿度75-100％，二氧化碳浓度75-100％，气压为1-5个大气压，碳化养护的时间为5～16h。
本发明的第二方面提供一种高铁相硅酸盐水泥制品，该高铁相硅酸盐水泥制品通过本发明第一方面提供的高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法得到。
为避免赘述，本发明部分原料总结见表1：
表1原料的化学组成
| 原料 | 烧失量 | CaO | <![CDATA[SiO<sub>2</sub>]]> | <![CDATA[Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | <![CDATA[Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>]]> | MgO |
| 石灰石 | 41.40 | 53.21 | 1.02 | 1.20 | 0.09 | 1.02 |
| 砂岩 | 2 | 0.50 | 92.01 | 1.91 | 1.56 | 1.87 |
| 铁矿石 | 10.13 | 7.57 | 9.49 | 4.04 | 43.80 | 3.87 |
实施例1
本实施例提供一种高铁相硅酸盐水泥制品，其通过以下步骤得到：
(1)将石灰石90.13份、铁矿石6.46份，砂岩1.41份依次进行破碎、预均化、配料、加入矿化剂(CaF2 2份)、粉磨和均化后，经预热器和分解炉转入回转窑，在1250℃下煅烧20分钟后急冷处理，得高铁相硅酸盐水泥熟料；
(2)将上述高铁相硅酸盐水泥熟料87份和13份自来水混合后搅拌均匀制成湿料，随后将湿料置于一定形状的模具压制成型坯体，坯体为400×400×20mm的板材，成型压力20MPa，成型时间为5分钟；将坯体置于碳化养护室内进行加速碳化处理，碳化的条件为温度20℃，相对湿度75％，二氧化碳浓度75％，分压为1bar，经过5小时的加速碳化，得到高铁相硅酸盐水泥制品。
实施例2
本实施例提供一种高铁相硅酸盐水泥制品，其通过以下步骤得到：
(1)将石灰石92.11份、铁矿石6.05份、砂岩8.36份依次进行破碎、预均化、配料、加入矿化剂(CaSO4 1份)、粉磨和均化后，经预热器和分解炉转入回转窑，在1280℃下煅烧20分钟后急冷处理，得高铁相硅酸盐水泥熟料；
(2)将上述高铁相硅酸盐水泥熟料85份和15份自来水混合后搅拌均匀制成湿料，随后将湿料置于一定形状的模具压制成型坯体，坯体为400×400×100mm的板材，成型压力70MPa，成型时间为6分钟；将坯体置于碳化养护室内进行加速碳化处理，碳化的条件为温度30℃，相对湿度85％，二氧化碳浓度85％，分压为2bar，经过7小时的加速碳化，得到高铁相硅酸盐水泥制品。
实施例3
本实施例提供一种高铁相硅酸盐水泥制品，其通过以下步骤得到：
(1)将石灰石90.98份、砂岩2.63份、铁矿石4.39份依次进行破碎、预均化、配料、加入矿化剂(CaF2 2份)、粉磨和均化后，经预热器和分解炉转入回转窑，在1300℃下煅烧25分钟后急冷处理，得高铁相硅酸盐水泥熟料；
(2)将上述高铁相硅酸盐水泥熟料83份和17份自来水混合后搅拌均匀制成湿料，随后将湿料置于一定形状的模具压制成型坯体，坯体为400×400×150mm的板材，成型压力100MPa，成型时间为8分钟；将坯体置于碳化养护室内进行加速碳化处理，碳化的条件为温度35℃，相对湿度90％，二氧化碳浓度90％，分压为3bar，经过9小时的加速碳化，得到高铁相硅酸盐水泥制品。
实施例4
本实施例提供一种高铁相硅酸盐水泥制品，其通过以下步骤得到：
(1)将石灰石90.59份、砂岩4.94份、铁矿石2.47份依次进行破碎、预均化、配料、加入矿化剂(CaF2 1份、CaSO4 1份)、粉磨和均化后，经预热器和分解炉转入回转窑，在1350℃下煅烧25分钟后急冷处理，得高铁相硅酸盐水泥熟料；
(2)将上述高铁相硅酸盐水泥熟料80份和20份自来水混合后搅拌均匀制成湿料，随后将湿料置于一定形状的模具压制成型坯体，坯体为400×400×300mm的板材，成型压力150MPa，成型时间为10分钟；将坯体置于碳化养护室内进行加速碳化处理，碳化的条件为温度40℃，相对湿度100％，二氧化碳浓度100％，分压为5bar，经过16小时的加速碳化，得到高铁相硅酸盐水泥制品。
实施例5
实施例5与实施例4的区别仅在于，实施例5中，坯体为400×400×400mm的板材。
对比例1
对比例1与实施例4的区别仅在于，对比例1中的水泥熟料通过以下步骤得到：
将石灰石88.54份、铁矿石2.24份、砂岩7.22份依次进行破碎、预均化、配料、加入矿化剂(CaF2 1份、CaSO4 1份)，粉磨和均化后，经预热器和分解炉转入回转窑，在1350℃下煅烧25分钟后急冷处理，得水泥熟料；
对比例2
对比例2与实施例4的区别仅在于，对比例2中的水泥熟料通过以下步骤得到：
将石灰石91.43份、砂岩3.97份、铁矿石2.60份依次进行破碎、预均化、配料、加入矿化剂(CaF2 1份、CaSO4 1份)、粉磨和均化后，经预热器和分解炉转入回转窑，在1350℃下煅烧25分钟后急冷处理，得水泥熟料；所得水泥熟料颗粒尺寸较大，并未呈完全粉化状态，需进一步进行研磨操作。
对比例3
对比例3与实施例4的区别仅在于，对比例3中的水泥熟料通过以下步骤得到：
将石灰石87.31份、砂岩9.84份、铁矿石0.84份依次进行破碎、预均化、配料、加入矿化剂(CaF2 1份、CaSO4 1份)、粉磨和均化后，经预热器和分解炉转入回转窑，在1350℃下煅烧25分钟后急冷处理，得水泥熟料；
对比例4
对比例4与实施例4的区别仅在于，对比例4中，水泥熟料和水的质量比为1:0.1。
对比例5
对比例5与实施例4的区别仅在于，对比例4中，水泥熟料和水的质量比为1:0.3。
表2实施例1～4和对比例1～3所得水泥熟料组成
试验组
对上述实施例1～5和对比例1～5所得水泥制品进行性能测试，结果见表3。
抗压强度和抗折强度按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》；氯离子扩散系数：JC/T1086-2008《水泥氯离子扩散系数检验方法》；吸水率：ASTM C1585-2013。
表3
通过表2可以看出，本发明实施例1～5所得水泥制品均具有良好的抗压强度、抗折强度和抗侵蚀性能。
与实施例4相比，对比例1的水泥熟料组成中含有较多的碳化相、较少的水化相，限制了板材的厚度，板材过厚导致梯度结构明显，性能出现劣化现象。
与实施例4相比，对比例2的水泥熟料组成中含有较少的碳化相、较多的水化相，碳化相的减少导致碳化产物减少，水化相过量，但水化产物形成量有限，最终导致最终构件梯度结构明显，性能劣化。
与实施例4相比，对比例3的水泥熟料组成中铁相含量较低，导致熟料中形成的水化相(硅酸三钙)太少，碳化处理后的构件梯度结构明显，导致性能劣化。
与实施例4相比，对比例4中加入较少的水，由于体系中水分过少使得熟料中水化相水化不充分，形成较少水化相，最终构件中梯度结构明显。
与实施例4相比，对比例5中加入较多的水，将因过多水分阻滞CO2传输通道，影响最终的碳化效果，而导致性能劣化。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的高铁相硅酸盐水泥熟料烧成温度低且高钙矿相组分占比减少，由于高钙矿相组分降低和能耗需求的降低，水泥熟料生产对于钙源品质的选取以及燃料的选取范围变大，一定程度上缓解了水泥生产在原料和能源需求上的局限性；
本发明生产制备的预制品，具有凝结硬化速度快的特点，在制品厚度小于300mm的条件下，一般16小时内即可达到普通水泥预制品标准养护28天的力学性能，显著缩短生产周期。
本发明所述的高铁相硅酸盐水泥制品尤其适合于生产预制板、管片等，具有强度高、耐侵蚀的特点，可用于建筑表面防护、隧道建设等工程应用，可以显著提升工程的服役寿命，降低成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将高铁相硅酸盐水泥熟料和水按照1：（0.15-0.25）的质量比混合后搅拌均匀制成湿料，随后将湿料置于模具中压制成坯体，再将坯体置于碳化养护室内进行加速碳化处理，得到高铁相硅酸盐水泥制品；其中，
所述高铁相硅酸盐水泥熟料的矿物组成为：硅酸三钙20-33%、α-硅酸二钙3-8%、γ-硅酸二钙36-41%、铝酸三钙1-3%、铁铝酸四钙18-35%；所述高铁相硅酸盐水泥熟料通过将石灰石90.13-92.11份、砂岩1.41-8.36份和铁矿石2.47-6.46份依次进行破碎、预均化、配料、加入矿化剂1-2份、粉磨和均化处理，随后输送至悬浮预热器和分解炉中，然后将预热后的生料送入回转窑内，经煅烧和急冷得到；所述煅烧温度为1250-1350 ℃，所述煅烧时间为20-25min；
所述碳化养护室内的温度为20-40℃，相对湿度75-100％，二氧化碳浓度75-100％，气压为1-5个大气压，碳化养护的时间为5~16h。
2.根据权利要求1所述高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法，其特征在于，所述矿化剂为CaF2和CaSO4中的一种或两种。
3. 根据权利要求1所述高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法，其特征在于，所述坯体成型压力20-150 MPa，坯体成型时间为5-10min。
4.根据权利要求1所述高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法，其特征在于，所述坯体压制成型后的厚度≤300mm。
5.根据权利要求1所述高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法，其特征在于，所述高铁相硅酸盐水泥熟料的矿物组成为：硅酸三钙20-25%、α-硅酸二钙3-6%、γ-硅酸二钙38-41%、铝酸三钙1-3%、铁铝酸四钙29-35%。
6.根据权利要求1所述高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法，其特征在于，所述高铁相硅酸盐水泥熟料的矿物组成为：硅酸三钙20.5%、α-硅酸二钙3.2%、γ-硅酸二钙40.3%、铝酸三钙1.7%、铁铝酸四钙34.3%。
7.一种高铁相硅酸盐水泥制品，所述高铁相硅酸盐水泥制品通过权利要求1~6中任一项所述高铁相硅酸盐水泥制品的制备方法得到。
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