CN116161883B - 一种利用工业固废低温合成的高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用工业固废低温合成的高阿利特‑贝利特‑硫铝酸钙胶凝材料及方法，以石灰石、砂岩、粉煤灰、铜渣、磷渣和石膏作为原材料进行生料配料，经低温煅烧制备得到高阿利特‑贝利特‑硫铝酸钙胶凝材料。本发明生料中，铜渣和磷渣等工业固体废弃物作为原材料进行生料配料，而不是作为矿化剂外掺。本发明首次铜渣和磷渣等工业固体废弃物作为原材料进行生料配料，采用低温煅烧工艺制备得到高阿利特‑贝利特‑硫铝酸钙胶凝材料，一方面可实现工业固废的资源化利用；另一方面，可避免因掺萤石矿化剂对工艺设备的破坏性影响。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种利用工业固废低温合成的高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料及方法。
背景技术
硫铝酸钙(C4A3$)矿物是一种水化活性较高的胶凝物相，具有水化早期强度高、水化微膨胀等特点，因此通常被用于改善硅酸盐水泥的性能或作为膨胀剂用于混凝土材料中。用于改善硅酸盐水泥性能的技术方案有两种，一种是通过物理复合；另一种是通过高温化学反应直接在硅酸盐熟料制备过程中引入的，形成了一种阿利特-硫铝酸钙体系胶凝材料。但是，由于阿利特和硫铝酸钙在热力学上共存温度范围狭窄，因此在制备过程中通常加入矿化剂，如萤石(ZL86103649，ZL03152992.5)；或者改变硅酸盐水泥熟料的生产工艺，如二次热处理或调控冷却过程(ZL200910212645.0)、气相沉积(ZL201510033679.9)等。在现代新型干法生产工艺中，在高温环境下，作为矿化剂的萤石会挥发，务必会腐蚀耐火材料和筒体，不利于回转窑的长期运行。而若改变现有硅酸盐水泥熟料生产工艺，则会增加企业成本。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种利用工业固废合成的高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料及其方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种利用工业固废低温合成高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的方法，以石灰石、砂岩、粉煤灰、铜渣、磷渣和石膏作为原材料进行生料配料，经低温煅烧制备得到高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料。本发明生料中，铜渣和磷渣等工业固体废弃物作为原材料进行生料配料，而不是作为矿化剂外掺。
本发明工艺中，铜渣和磷渣通过降低液相的形成温度实现阿利特的低温形成。相比于萤石矿化剂，铜渣和磷渣对环境污染小，因为在煅烧过程中不会挥发。而萤石中的CaF2在高温下会挥发，一方面会侵蚀窑体；另一方面也会污染环境。
进一步地，本发明生料配方包括如下重量百分比的组分：
石灰石70-75％，
砂岩6-8％，
粉煤灰5-9.5％，
铜渣0.5-4％，
磷渣0.5-4％，
石膏9-10％。
优选地，本发明生料配方包括如下重量百分比的组分：
石灰石70.5-73.5％，
砂岩6.8-7.7％，
粉煤灰5.0-9.1％，
铜渣0.6-3.5％，
磷渣0.6-3.2％，
石膏9.7％。
进一步地，本发明利用工业固废低温合成高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的方法，具体包括如下步骤：
(1)将各原料分别粉磨过筛，然后混合均匀，得到生料粉；
(2)在步骤(1)生料粉中加入少量水，压制成块，然后烘干水分得到生料块；
(3)将步骤(2)生料块置于高温炉中，随炉升温至900℃时保温30min，然后继续升温至1300℃保温30min；
(4)取出步骤(3)煅烧所得熟料，经急冷，即得。
优选地，步骤(1)中，各原料经粉磨后，过80um方孔筛筛余低于10％。
优选地，步骤(1)中，各原料混合后，于混料机上混合至少12h。
优选地，步骤(2)中，水的添加量为生料粉质量的5-10％。
优选地，步骤(3)中，随炉升温的速率为5-10℃/min。
优选地，步骤(3)中，随炉升温至900℃时保温30min，然后继续升温至1300℃保温30min。
更进一步地，本发明还要求保护上述制备方法制备得到的高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料。
所述的高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料物相组成包括：
C3S 52.5-57.5wt％，
C2S 22.4-26.5wt％，
C4A3$ 1.4-4.5wt％，
C4AF 4.0-10.5wt％，
C3A 0-4.3wt％，
CaSO4 1.1-2.1wt％。
有益效果：
本发明首次铜渣和磷渣等工业固体废弃物作为原材料进行生料配料，采用低温煅烧工艺制备得到高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料，一方面可实现工业固废的资源化利用；另一方面，可避免因掺萤石矿化剂对工艺设备的破坏性影响。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是各实施例制备的高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料XRD图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
本发明采用石灰石、砂岩、粉煤灰、铜渣，磷渣等和石膏等作为原材料，其化学组成见表1。工业原材料通过低温煅烧制备高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料。
表1原料化学分析
| 原材料 | LOSS | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | K2O | Na2O | P2O5 | CuO | SO3 |
| 石灰石 | 43.10 | 0.78 | 0.08 | 0.10 | 55.60 | 0.22 | - | - | - | - | 0.02- |
| 砂岩 | 2.84 | 79.77 | 7.04 | 4.16 | 4.11 | 0.52 | 0.48 | 0.08 | - | - | 0.37 |
| 粉煤灰 | 2.72 | 49.86 | 31.84 | 4.45 | 5.41 | 0.98 | 0.98 | 0.85 | - | - | - |
| 铜渣 | - | 26.48 | 9.01 | 38.77 | 11.89 | 2.25 | 0.61 | 0.23 | - | 0.25 | - |
| 磷渣 | - | 39.32 | 4.14 | 0.86 | 48.16 | 1.93 | 0.59 | 0.17 | 1.65 | - | - |
| 石膏 | 20.11 | 16.06 | 5.84 | 1.56 | 24.29 | 2.94 | 1.08 | 0.57 | - | - | 26.51 |
实施例1
利用实验球磨机对各原材料进行粉磨，细度达到0.08mm方孔筛其筛余＜10％。称取重量百分比为：70.95％石灰石，7.66％砂岩，5.09％粉煤灰，3.5％铜渣，3.10％磷渣，9.70％石膏。将称取的各原材料进行混合，混合时间12h，制备生料粉；在生料粉中加入重量百分比为10％的水，混合均匀，然后压制成片，最后置于烘箱中烘干。将烘干后的生料块，以10℃/min升温速率升至900℃保温30min后，再升温到1300℃保温30min。然后快速取出并用电风扇使其急冷至室温，即得高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料，产物XRD图如图1所示，其物相组成见表2。
实施例2
利用实验球磨机对各原材料进行粉磨，细度达到0.08mm方孔筛筛余＜10％。称取重量百分比为：71.67％石灰石，7.39％砂岩，6.61％粉煤灰，2.41％铜渣，2.22％磷渣，9.70％石膏。将称取的各原材料进行混合，混合时间12h，制备生料粉；在生料粉中加入重量百分比为10％的水，混合均匀，然后压制成片，最后置于烘箱中烘干。将烘干后的生料块，以10℃/min升温速率升至900℃保温30min后，再升温到1300℃保温30min。然后快速取出并用电风扇使其急冷至室温，即得高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料，产物XRD图如图1所示，其物相组成见表2。
实施例3
利用实验球磨机对各原材料进行粉磨，细度达到0.08mm方孔筛筛余＜10％。称取重量百分比为：72.42％石灰石，7.28％砂岩，7.66％粉煤灰，1.63％铜渣，1.31％磷渣，9.70％石膏。将称取的各原材料进行混合，混合时间12h，制备生料粉；在生料粉中加入重量百分比为10％的水，混合均匀，然后压制成片，最后置于烘箱中烘干。将烘干后的生料块，以10℃/min升温速率升至900℃保温30min后，再升温到1300℃保温30min。然后快速取出并用电风扇使其急冷至室温，即得高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料，产物XRD图如图1所示，其物相组成见表2。
实施例4
利用实验球磨机对各原材料进行粉磨，细度达到0.08mm方孔筛其筛余＜10％。称取重量百分比为：72.74％石灰石，7.04％砂岩，8.45％粉煤灰，1.07％铜渣，1.00％磷渣，9.70％石膏。将称取的各原材料进行混合，混合时间12h，制备生料粉；在生料粉中加入重量百分比为10％的水，混合均匀，然后压制成片，最后置于烘箱中烘干。将烘干后的生料块，以10℃/min升温速率升至900℃保温30min后，再升温到1300℃保温30min。然后快速取出并用电风扇使其急冷至室温，即得高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料，产物XRD图如图1所示，其物相组成见表2。
实施例5
利用实验球磨机对各原材料进行粉磨，细度达到0.08mm方孔筛其筛余＜10％。称取重量百分比为：73.05％石灰石，6.89％砂岩，9.04％粉煤灰，0.63％铜渣，0.69％磷渣，9.70％石膏。将称取的各原材料进行混合，混合时间12h，制备生料粉；在生料粉中加入重量百分比为10％的水，混合均匀，然后压制成片，最后置于烘箱中烘干。将烘干后的生料块，以10℃/min升温速率升至900℃保温30min后，再升温到1300℃保温30min。然后快速取出并用电风扇使其急冷至室温，即得高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料，产物XRD图如图1所示，其物相组成见表2。
表2给出了实施例1～5制备的阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料的物相组成。从表2可以看出，本发明通过利用工业废渣铜渣和磷渣，一方面实现了低温下C3S的大量形成，比通用熟料烧成温度降低了约150℃左右；另一方面实现了高C3S含量和少量C4A3$的亚稳共存，为改善通用熟料早期力学性能提供了一条新的技术方案。
表2
| C3S | C2S | C3A | C4AF | C4A3$ | CaSO4 | CaO | |
| 实施例1 | 55.0 | 26.3 | - | 10.5 | 1.4 | 1.8 | 0.2 |
| 实施例2 | 52.5 | 25.7 | 2.5 | 4.0 | 4.5 | 2.1 | 1.5 |
| 实施例3 | 54.6 | 23.5 | 3.4 | 4.8 | 3.9 | 2.0 | 2.1 |
| 实施例4 | 55.7 | 26.5 | 2.9 | 5.9 | 2.6 | 1.6 | 1.7 |
| 实施列5 | 57.5 | 22.4 | 4.3 | 4.5 | 3.1 | 1.1 | 1.3 |
本发明提供了一种利用工业固废低温合成的高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料及方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种利用工业固废低温合成高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的方法，其特征在于，以石灰石、砂岩、粉煤灰、铜渣、磷渣和石膏作为原材料进行生料配料，经低温煅烧制备得到高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料；
所使用的生料包括如下重量百分比的组分：
石灰石70-75%，
砂岩6-8%，
粉煤灰5-9.5%，
铜渣0.5-4%，
磷渣0.5-4%，
石膏9-10%；
所述的低温煅烧是在高温炉中，随炉升温至900℃时保温30min，然后继续升温至1300℃保温30min；
所制备的高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的物相组成包括：
C3S 52.5-57.5 wt%，
C2S 22.4-26.5 wt %，
C4A3$ 1.4-4.5 wt %，
C4AF 4.0-10.5 wt %，
C3A 0-4.3 wt %，
CaSO4 1.1-2.1 wt %。
2.根据权利要求1所述的利用工业固废低温合成高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的方法，其特征在于，生料包括如下重量百分比的组分：
石灰石70.5-73.5%，
砂岩6.8-7.7%，
粉煤灰5.0-9.1%，
铜渣0.6-3.5%，
磷渣0.6-3.2%，
石膏9.7%。
3.根据权利要求1所述的利用工业固废低温合成高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
（1）将各原料分别粉磨过筛，然后混合均匀，得到生料粉；
（2）在步骤（1）生料粉中加入少量水，压制成块，然后烘干水分得到生料块；
（3）将步骤（2）生料块置于高温炉中，随炉升温至900℃时保温30min，然后继续升温至1300℃保温30min；
（4）取出步骤（3）煅烧所得熟料，经急冷，即得。
4.根据权利要求3所述的利用工业固废低温合成高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的方法，其特征在于，步骤（1）中，各原料经粉磨后，过80 μm 方孔筛筛余低于10%。
5.根据权利要求3所述的利用工业固废低温合成高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的方法，其特征在于，步骤（1）中，各原料混合后，于混料机上混合至少12h。
6.根据权利要求3所述的利用工业固废低温合成高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的方法，其特征在于，步骤（2）中，水的添加量为生料粉质量的5-10%。
7.根据权利要求3所述的利用工业固废低温合成高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料的方法，其特征在于，步骤（3）中，随炉升温的速率为5-10℃/min。
8.权利要求3～7中任意一项制备方法制备得到的高阿利特-贝利特-硫铝酸钙胶凝材料，其特征在于，所述高阿利特-贝利特-硫铝酸钙体系胶凝材料的物相组成包括：
C3S 52.5-57.5 wt%，
C2S 22.4-26.5 wt %，
C4A3$ 1.4-4.5 wt %，
C4AF 4.0-10.5 wt %，
C3A 0-4.3 wt %，
CaSO4 1.1-2.1 wt %。
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2023
- 2023-03-07 CN CN202310211475.4A patent/CN116161883B/zh active Active
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