CN115321897A - 一种早期强度高的低碳胶凝材料及其加工方法 - Google Patents

一种早期强度高的低碳胶凝材料及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种早期强度高的低碳胶凝材料及其加工方法，属于胶凝材料技术领域。本发明将铅冶炼水粗渣微粉与钙基固废、镁基固废、硅酸盐水泥、矿渣微粉和水按一定比例制成低碳胶凝材料浆体，最后将所述低碳胶凝材料浆体置于模具中凝固成型，并对其进行微波养护、蒸汽氧护、固化处理，从而获得一种强度高的低碳胶凝材料。本发明的低碳胶凝材料具有成本低且实现了固废的资源化利用。本发明制备的低碳胶凝材料的制备周期短且抗压强度可达到46.6MPa，可大替代水泥用于装配式建筑预制构件、道路建设等工程领域，具有良好的经济和环境效益，助力双碳目标的实现。

Description

一种早期强度高的低碳胶凝材料及其加工方法
技术领域
本发明属于胶凝材料技术领域，具体涉及一种早期强度高的低碳胶凝材料及其加工方法。
背景技术
水泥是应用最为广泛的胶凝材料，2021年我国水泥产量为23.63亿吨，居世界第一。但水泥也是高污染、高能耗、高排放的行业，其制备工艺“两磨一烧”不但会消耗大量的钙质、硅质、铝质以及铁质等矿产资源，同时会消耗大量能量，排出大量二氧化碳气体以及其他废气、废水等。据统计，每生产一吨水泥熟料会消耗1.6-1.7吨生料，消耗105-115kg标准煤，排放1吨左右的CO2温室气体，同时产生大量的氮氧化物、二氧化硫和粉尘。针对上述问题，急需生产出可替代水泥的无熟料或者少熟料低碳胶凝材料。
于此同时，铅冶炼企业的快速发展，每年会产生数百万吨的工业副产品-铅冶炼水淬废渣。据统计，铅冶炼***每生产1吨铅排放0.71吨铅冶炼水淬废渣，铅冶炼废渣呈现出产量大、增量大、堆存量大、资源化利用低的特点。铅冶炼废渣露天存放量大，不仅占用大量的土地，污染破坏生态环境，造成水源重金属污染、造成矿区土壤重金属污染、造成矿区大气污染，还可能引发各种地质灾害，存在安全隐患，给环境造成了巨大的危害。虽然铅冶炼工业为人类社会的发展和文明进步做出了巨大贡献，但其造成的环境污染，严重影响人类的健康和生存。因此亟需解决铅冶炼水淬渣堆积的严峻问题，最大限度地利用废渣资源。
研究发现，铅冶炼水淬渣是一种由高温熔融、水淬急冷形成的具有潜在活性的玻璃态粒状物料，将其磨细混合，通过添加碱性固废激发剂(钙基固废、镁基固废、矿渣微粉)，可以激发其潜在的水化胶凝性能，不仅可以提高铅冶炼渣的利用率，减少环境污染，而且可以获得一种替代普通硅酸盐水泥的低碳胶凝材料，具有良好的经济、社会和环境效益。
目前利用多种固废加工成的胶凝材料虽然具有成本低的优势，但是这类低碳胶凝材料和传统的水泥相比，仍旧存在水化速率慢、强度发展周期长，早期强度低的问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种早期强度高的低碳胶凝材料以及加工方法。本发明的低碳胶凝材料是利用铅冶炼水淬渣以及多种固废为原料制备而成，通过调整加工方法，使得所制备的低碳胶凝材料具有水化速度快、早期强度高且成本低的特点。
本发明所述早期强度高的低碳胶凝材料
早期强度高的低碳胶凝材料，其特征在于，包括以下质量百分数的组分：
铅冶炼水淬渣微粉41.99％～45.16％，钙基固废18.00％～19.35％，镁基固废3.00％～3.23％，硅酸盐水泥19.35～25.01％，矿渣微粉12.00～12.90％，以上组分质量百分数之和为100％。
优选地，所述铅冶炼水淬渣微粉是由有色铅锌冶炼水淬废渣激粉碎成比表面积≥350m2/kg的微粉。
优选地，所述钙基固废为化灰渣微粉，其中CaO含量为45wt％～55wt％，比表面积≥300m2/kg；
所述镁基固废为盐湖水氯镁石，比表面积≥200m2/kg；
所述硅酸盐水泥的28天强度≥42.5MPa，比表面积≥330m2/kg；
所述矿渣微粉为炼铁产生的高炉矿渣微粉，比表面积≥300m2/kg，所述矿渣微粉的7d强度活性指数≥55％，28d强度活性指数≥75％，玻璃体含量≥85％。
本发明还提供了所述早期强度高的低碳胶凝材料的加工方法，具体步骤如下：
(1)将铅冶炼水淬渣在105℃～110℃干燥，磨细，过筛，得到比表面积≥350m2/kg的铅冶炼水淬渣微粉；
(2)将步骤(1)制得的铅冶炼水淬渣微粉与钙基固废、镁基固废、硅酸盐水泥、矿渣微粉和水混合，搅拌5～7min制得胶凝材料浆体；
(3)将制备得到的胶凝材料浆体置于模具中，经振实、抹平处理后成型；
(4)将装有浆体的模具放入微波养护槽中，进行微波养护，养护温度为 60℃～120℃，微波频率为2000MHZ，，养护时间为1～3.5h；
(5)将微波养护后的模具放入养护箱内进行蒸汽养护，养护温度为 40℃～80℃，养护20.5～23h后脱模，得到早期强度高的低碳胶凝材料。
优选地，所述模具为聚醚醚酮(PEEK)三联模具。
优选地，步骤(4)在微波加热过程中需向模具内补水以保持模具内相对湿度达到95％以上。
优选地，步骤(4)的微波养护温度为100℃，养护时间为2.5h。
优选地，步骤(5)所述的蒸汽养护温度为80℃，养护时间为21.5h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过调整原料组成，充分激发了铅冶炼水淬渣微粉中玻璃体活性，使得铅冶炼水淬渣与固废进行反应，产生纤维状结构，从而提高了其他固废与铅冶炼水淬渣颗粒之间的作用力，使得所制备的低碳胶凝材料结构更紧密，致密性优良；
(2)本发明所述低碳胶凝材料的加工方法是先进行微波养护，然后再进行蒸汽养护。其中微波对物体加热的作用深度深，可实现多固废低碳胶凝材料内外部同步升温，避免养护过程中试件内外温度差过高引起应力差异而造成微结构破坏，在实现快速固化的同时，能够确保试件具有达标以上的强度。随后通过蒸汽养护进一步加速水化反应速率，加深水化反应程度，从而形成更多的水溶性无定形物质，提高铅冶炼水淬渣基多固废低碳胶凝材料的早期强度，缩短养护周期，降低能耗和污染。同时，实现铅锌冶炼废渣的大规模资源化利用，有效解决铅冶炼水淬渣对环境的污染问题，具有良好的环境和经济效益。
(3)本发明所制备的低碳胶凝材料抗压强度可达到46.6MPa，可用于装配式预制构件，道路建设等工程领域，可显著减少水泥用量，极大减少二氧化碳排放、降低成本，同时促进固体废弃物的资源化利用，具有良好的环境和经济效益，便于大规模推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明低碳胶凝材料强度的工艺流程图；
图2为本发明实施例1中制备得到的低碳胶凝材料的XRD衍射图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。
另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
一种早期强度高的低碳胶凝材料加工方法，具体步骤如下：
(1)按质量重量称取铅冶炼水淬渣微粉125.97g、化灰渣54g、水氯镁石9g、水泥75.03g、矿渣微粉36g(即炼铁产生的高炉矿渣微粉)；另外称取水63.9g；
(2)在净浆搅拌锅中加入上述铅冶炼水淬渣微粉，化灰渣，水氯镁石硅酸盐水泥，矿渣微粉及水，充分搅拌5min，使其混合均匀，得到胶凝材料浆体；
(3)将步骤(2)制备得到的低碳胶凝材料浆体倒入25mm×25mm×25mm 的聚醚醚酮(PEEK)三联模具内，充分插捣，在振实台上振实60s、表面抹平；
(4)试样放入微波养护槽中，正中心的试样***导热棒用来监测温度，利用程序设定养护温度及升温制度，在60℃温度下微波养护1h，微波加热过程中需向模具内补水以保持模具内相对湿度达到95％以上，微波频率为2000MHZ；
(5)将微波养护后的试样放入养护箱内进行蒸汽养护，设置养护温度为 80℃，在养护箱内养护23h后脱模，得到早期强度高的低碳胶凝材料。
对实施例1制备的低碳胶凝材料样品，经过微波养护和蒸汽养护之后，试样 1天水化产物XRD图见图2，从图2中可以看出，由实施例1所制备的低碳胶凝材料样品的1天水化产物里面，矿物相主要为方解石、水氯钙石、羟钙石等，还有未参加反应的铁辉石。这说明本发明的加工方法能够促进铅冶炼水淬渣潜在水化活性的释放，发生了水化反应，形成了对产物强度有较大贡献的水化凝胶，较好的实现了所制备的胶凝材料力学性能的提升。
实施例2～4以及对比例1-4
实施例2～4同实施例1，区别在于，步骤(4)中的微波养护时间不同；对比例1～4同实施例1，区别在于，步骤(4)(5)中的养护方式不同，具体如表 1所示：
表1养护方式对比表
Figure BDA0003567447180000051
随后按(GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》)标准测试实施例1-4以及对比例1-4试块的抗压强度。结果见表2。
表2不同养护龄期抗压强度
Figure BDA0003567447180000052
Figure BDA0003567447180000061
由表2数据可以看出，本发明通过调整多固废组分，充分激发了铅锌渣的胶凝活性，生成硅-铝-钙凝胶的空间三维网状结构，使得低碳胶凝材料整体结构致密，产生一定的强度。
同时，本发明采用微波+蒸汽养护方式进行养护，试件的抗压强度提升显著。养护1天时，实施例1-4中采用微波+养护复合养护的方式进行试件养护，其抗压强度明显高于对比例中仅采用蒸汽养护进行养护的试件，对比例中标准养护的试件1天的抗压抗压强度是最低的。80℃蒸汽养护3天的试件抗压强度才和实施例中2-4养护1天的强度持平；标准养护7天的试件强度依然达不到实施例 1-4中养护1天的抗压强度。这说明，采用微波+蒸汽的养护方式，可以实现多固废低碳胶凝材料内外部同步升温，避免养护过程中试件内外温度差过高引起应力差异而造成微结构破坏，在实现快速固化的同时提高铅冶炼水淬渣基多固废低碳胶凝材料的早期强度，缩短养护周期，降低能耗和污染。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种早期强度高的低碳胶凝材料，其特征在于，包括以下质量百分数的组分：
铅冶炼水淬渣微粉41.99％～45.16％，钙基固废18.00％～19.35％，镁基固废3.00％～3.23％，硅酸盐水泥19.35～25.01％，矿渣微粉12.00～12.90％，以上组分质量百分数之和为100％。
2.根据权利要求1所述早期强度高的低碳胶凝材料，其特征在于，所述铅冶炼水淬渣微粉是由有色铅锌冶炼水淬废渣激粉碎成比表面积≥350m2/kg的微粉。
3.根据权利要求1所述早期强度高的低碳胶凝材料，其特征在于，所述钙基固废为化灰渣微粉，其中CaO含量为45wt％～55wt％，比表面积≥300m2/kg；
所述镁基固废为盐湖水氯镁石，比表面积≥200m2/kg；
所述硅酸盐水泥的28天强度≥42.5MPa，比表面积≥330m2/kg；
所述矿渣微粉为炼铁产生的高炉矿渣微粉，比表面积≥300m2/kg，玻璃体含量≥85wt％。
4.根据权利要求1～3任意一项所述早期强度高的低碳胶凝材料的加工方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将铅冶炼水淬渣在105℃～110℃干燥，磨细，过筛，得到比表面积≥350m2/kg的铅冶炼水淬渣微粉；
(2)将步骤(1)制得的铅冶炼水淬渣微粉与钙基固废、镁基固废、硅酸盐水泥、矿渣微粉和水混合，搅拌5～7min制得胶凝材料浆体；
(3)将制备得到的胶凝材料浆体置于模具中，经振实、抹平处理后成型；
(4)将装有浆体的模具放入微波养护槽中，进行微波养护，养护温度为60℃～120℃，微波频率为2000MHZ，养护时间为1～3.5h；
(5)将微波养护后的模具放入养护箱内进行蒸汽养护，养护温度为40℃～80℃，养护20.5～23h后脱模，得到早期强度高的低碳胶凝材料。
5.根据权利要求4所述的早期强度高的低碳胶凝材料的加工方法，其特征在于，所述模具为聚醚醚酮(PEEK)三联模具。
6.根据权利要求4所述的早期强度高的低碳胶凝材料的加工方法，其特征在于，步骤(4)在微波加热过程中需向模具内补水以保持模具内相对湿度达到95％以上。
7.根据权利要求4所述的早期强度高的低碳胶凝材料的加工方法，其特征在于，步骤(4)的微波养护温度为100℃，养护时间为2.5h。
8.根据权利要求4所述的早期强度高的低碳胶凝材料的加工方法，其特征在于，步骤(5)所述的蒸汽养护温度为80℃，养护时间为21.5h。
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