CN117401913A - 适于碳化养护的高强低钙水泥及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥材料技术领域,尤其是涉及一种适于碳化养护的高强低钙水泥及其制备方法,通过利用高硅铁尾矿粉和石灰石作为生料煅烧制备低钙熟料,再通过碳化增强材料的协同碳化及调控作用,提高低钙水泥碳化程度,快速生成适当比例的方解石、纤维状文石及高聚合硅胶,协调碳化产物间内应力发展的同时细化水泥石浆体微结构,进而提高低钙水泥的力学性能,本发明高强低钙水泥不仅在熟料煅烧过程中放出较少的二氧化碳,还在碳化硬化的过程中实现二氧化碳的矿化封存。
Description
技术领域
本发明涉及水泥材料技术领域,尤其是涉及一种适于碳化养护的高强低钙水泥及其制备方法。
背景技术
使用低钙水泥是二氧化碳封存的有效途径,不仅可以在碳酸盐煅烧阶段通过减少碳酸盐的消耗量来降低碳排,还可以在制品生产阶段通过水泥的碳化硬化进一步封存二氧化碳,在得到性能优异制品的同时实现二氧化碳减排与封存,是实现双碳目标的有力途径,具有较大的应用潜力。
铜尾矿具有排放高、储量大的特点,造成严重的环境污染与资源浪费。
用铜尾矿煅烧水泥熟料是铜尾矿消纳的常见途径。
研究表明,在同率值下铜尾矿具有一定的矿化作用,使熟料具有较好的易烧性,此外铜尾矿中的金属离子可以进入目标硅酸盐矿物的晶格中,提高硅酸盐矿物活性,进而提水泥力学性能。
可见,利用铜尾矿制备水泥熟料,不仅有利于铜尾矿消解,也利于水泥性能的发展。
低钙水泥的主要成分为γ-硅酸二钙、二硅酸三钙和硅酸一钙,具有低水化活性,高碳化活性的特点。
碳化过程是一个二氧化碳从外向内渗透的过程,随着碳化反应的进行,硅酸盐矿物逐步生成碳酸钙与硅胶,反应伴随有一定的体积膨胀。
在碳化过程中,随着浆体结构逐渐致密,二氧化碳扩散通道逐渐变小,其扩散速率下降。
内外碳化程度的差别使得固碳水泥制品内外应力不均匀引起开裂,进而影响到固碳水泥力学性能,影响固碳水泥制品服役。
低钙水泥自身具有较好的力学性能,但是二氧化碳扩散不均匀使得内外碳化程度差异大,进而使浆体产生微裂纹造成力学性能发展受限甚至倒缩。
因此,急需开发一种提高低钙水泥力学性能的方法,满足市场需要。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题,本发明提供一种适于碳化养护的高强低钙水泥及其制备方法,通过利用高硅铁尾矿粉和石灰石作为生料煅烧制备低钙熟料,再通过碳化增强材料的协同碳化及调控作用,提高低钙水泥碳化程度,快速生成适当比例的方解石、纤维状文石及高聚合硅胶,协调碳化产物间内应力发展的同时细化水泥石浆体微结构,进而提高低钙水泥的力学性能,本发明高强低钙水泥不仅在熟料煅烧过程中放出较少的二氧化碳,还在碳化硬化的过程中实现二氧化碳的矿化封存,具有显著的经济和环境效益。
具体的,本发明适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,包括如下步骤:
1)按重量份称取高硅铜尾矿粉30-50份,石灰石粉50-70份,混合均匀,得生料,
2)将生料在1150-1250℃条件下煅烧1.5-2.5h,得熟料,添加助磨剂进行粉磨,得低钙熟料微粉,
3)用硅烷偶联剂对中空聚丙烯纤维进行浸渍后烘干,然后置于二氧化碳浓度大于95%的碳化箱中吸收二氧化碳至饱和吸附量,得改性纤维,
4)按重量份称取矿粉3-5份,硅灰2-5份,氢氧化钙1-3份,氢氧化镁0.5-2份,纳米碳酸钙0.5-1份,改性纤维1-3份,混合均匀,得碳化增强材料,
5)按重量份称取低钙熟料微粉80-85份,碳化增强材料15-20份,混合均匀,即得。
优选的,步骤1)高硅铜尾矿粉中SiO2含量>69%。
优选的,步骤2)助磨剂为三乙醇胺、二乙醇胺、三异丙醇胺、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的至少一种。
优选的,步骤2)助磨剂掺量为生料质量的0.02-0.04%。
优选的,步骤2)粉磨时间为10-30min。
优选的,步骤2)低钙熟料微粉比表面积为400-500m2/kg。
优选的,步骤3)吸收二氧化碳时间为1.5-3h。
优选的,步骤4)矿粉为S95级、S105级的至少一种。
优选的,步骤4)氢氧化钙比表面积为500-600m2/kg,氢氧化镁比表面积为400-450m2/kg。
本发明还涉及适于碳化养护的高强低钙水泥,具体的,由上述制备方法制备得到。
本发明具有以下技术优势:
1.本发明低钙水泥熟料是由石灰石与铜尾矿烧结而成,铜尾矿中的金属离子具有矿化作用,在同钙硅比下可以降低熟料的烧成温度,提高熟料的易烧性,并且,铜尾矿中金属离子在熟料煅烧过程中可以取代Ca2+进入晶格内部,在矿物中引入缺陷,提高低钙水泥熟料活性;
2.本发明低钙水泥熟料的主要成分为γ-硅酸二钙、二硅酸三钙和硅酸一钙,这三种矿物具有水化活性低,碳化活性高的特点,在粉磨过程中,在熟料中加入助磨剂,在粉磨的过程中提高熟料表面能,对熟料进行研磨激活,进一步提高低钙碳化熟料的碳化活性;
3.本发明碳化增强材料添加的硅灰含有活性SiO2,在碳化过程中可以增加高聚合硅胶的含量,增加碳化基体粘接力,从而提高硬化浆体强度;氢氧化钙快速溶解提高了超早期Ca2+浓度,同时可以弥补碳化过程中pH较低的缺陷,同时其所提供的碱性环境也可以促进硅灰中活性SiO2碳化,生成高聚合硅胶,氢氧化镁兼具了氢氧化物碱性的特征,同时在基体中引入Mg2+,促进纤维状文石型碳酸钙的生成,可以提高硬化浆体的韧性,此外,矿粉和硅灰的比表面积较大,会产生微集料作用填充于低钙水泥孔隙中,使结构更加致密;
4.本发明中空聚丙烯纤维不仅具有聚丙烯纤维强度高、弹性好、耐磨、耐腐蚀以及质轻的优点,在经过硅烷偶联剂处理之后,可以在纤维与碳化浆体粘接界面形成强力较高的化学键,大大增加粘接强度。
中空聚丙烯纤维还具有较高的比表面积,经过硅烷偶联剂处理之后可以更多的吸附二氧化碳。
聚丙烯纤维在吸附CO2后加入低钙水泥中,部分吸收的CO2在低钙水泥基材料中解吸,与溶液中的Ca2+反应生成碳酸钙,打破CO2碳化由内而外渗透的局限性,从内部释放CO2,实现从内到外,从外到内双向碳化,进一步提高碳化程度,同时使得碳化产物内外均匀化,使得碳化试样强度进一步提高;
5.本发明纳米碳酸钙作为晶种成核剂,通过为低钙水泥碳化产物提供成核位点,可以提高碳化产物的形成速度,加快碳化反应进程,提高低钙水泥超早期强度;
6.本发明高强低钙水泥,熟料具有煅烧温度低,烧结过程简单的优点,低钙水泥配料简单、成本低的同时具有超高力学性能。高强低钙水泥不仅提高铜尾矿消纳率,还实现了二氧化碳的矿化封存。
具体实施方式
为表征本发明技术效果,按统一配比制备低钙熟料微粉,调整碳化增强材料从而制备不同种高强低钙水泥,并制备净浆试件后进行碳化试验后测试抗压强度。
具体的,高强低钙水泥制备工艺为:1)按重量份称取高硅铜尾矿粉68份、石灰石粉32份,混合均匀,得生料,2)将生料在1225℃条件下煅烧2h,得熟料,添加0.03份三乙醇胺进行粉磨15min,得低钙熟料微粉,3)用硅烷偶联剂对中空聚丙烯纤维进行浸渍后烘干,然后置于二氧化碳浓度大于95%的碳化箱中吸收二氧化碳至饱和吸附量,得改性纤维,4)按重量份称取增强组分混合均匀,得碳化增强材料,5)按重量份称取低钙熟料微粉82份,碳化增强材料18份,混合均匀,即得。
按水灰比0.2将高强低钙水泥和水拌合均匀,采用压制成型的方式将试样成型为直径20mm,高20mm的圆柱体,在湿度为55%,温度25℃,CO2浓度为90%的条件下碳化24h,然后在万能试验机上进行强度测试。
实施例1
碳化增强材料组成为:S95矿粉4.5份,硅灰3份,氢氧化钙1份,氢氧化镁0.8份,纳米碳酸钙0.8份,改性纤维2份。
经检测,碳化试样强度为124.6MPa。
实施例2
碳化增强材料组成为:S95矿粉4份,硅灰5份,氢氧化钙2份,氢氧化镁1.7份,纳米碳酸钙1份,改性纤维3份。
经检测,碳化试样强度为149.2MPa。
实施例3
碳化增强材料组成为:S95矿粉3.5份,硅灰4份,氢氧化钙3份,氢氧化镁2份,纳米碳酸钙1份,改性纤维3份。
经检测,碳化试样强度为136.8MPa。
对比例1
碳化增强材料组成为:S95矿粉8份,一级粉煤灰9份。
经检测,碳化试样强度为89.5MPa。
对比例2
碳化增强材料组成为:矿粉4份,硅灰5份,氢氧化钙3.7份,纳米碳酸钙1份,改性纤维3份。
经检测,碳化试样强度为102.6MPa。
对比例3
碳化增强材料组成为:矿粉4份,硅灰5份,氢氧化钙2份,氢氧化镁2.7份,改性纤维3份。
经检测,碳化试样强度为93.7MPa。
对比例4
碳化增强材料组成为:矿粉4份,硅灰5份,硅酸钠3.7份,纳米碳酸钙1份,改性纤维3份。
经检测,碳化试样强度为105.2MPa。
对比例5
碳化增强材料组成为:矿粉6份,硅灰6份,氢氧化钙2份,氢氧化镁1.7份,纳米碳酸钙1份。
经检测,碳化试样强度为103.9MPa。
对比例6
该对比例中不进行步骤3),而是改用钢纤维,碳化增强材料组成为:矿粉4份,硅灰5份,氢氧化钙2份,氢氧化镁1.7份,纳米碳酸钙1份,钢纤维3份。
经检测,碳化试样强度为105.7MPa。
最后应说明的是:以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)按重量份称取高硅铜尾矿粉30-50份,石灰石粉50-70份,混合均匀,得生料,
2)将生料在1150-1250℃条件下煅烧1.5-2.5h,得熟料,添加助磨剂进行粉磨,得低钙熟料微粉,
3)用硅烷偶联剂对中空聚丙烯纤维进行浸渍后烘干,然后置于二氧化碳浓度大于95%的碳化箱中吸收二氧化碳至饱和吸附量,得改性纤维,
4)按重量份称取矿粉3-5份,硅灰2-5份,氢氧化钙1-3份,氢氧化镁0.5-2份,纳米碳酸钙0.5-1份,改性纤维1-3份,混合均匀,得碳化增强材料,
5)按重量份称取低钙熟料微粉80-85份,碳化增强材料15-20份,混合均匀,即得。
2.根据权利要求1所述适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,其特征在于,步骤1)高硅铜尾矿粉中SiO2含量>69%。
3.根据权利要求1所述适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,其特征在于,步骤2)助磨剂为三乙醇胺、二乙醇胺、三异丙醇胺、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、丙三醇、六偏磷酸钠和三聚磷酸钠中的至少一种。
4.根据权利要求1所述适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,其特征在于,步骤2)助磨剂掺量为生料质量的0.02-0.04%。
5.根据权利要求1所述适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,其特征在于,步骤2)粉磨时间为10-30min。
6.根据权利要求1所述适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,其特征在于,步骤2)低钙熟料微粉比表面积为400-500m2/kg。
7.根据权利要求1所述适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,其特征在于,步骤3)吸收二氧化碳时间为1.5-3h。
8.根据权利要求1所述适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,其特征在于,步骤4)矿粉为S95级、S105级的至少一种。
9.根据权利要求1所述适于碳化养护的高强低钙水泥的制备方法,其特征在于,步骤4)氢氧化钙比表面积为500-600m2/kg,氢氧化镁比表面积为400-450m2/kg。
10.一种适于碳化养护的高强低钙水泥,其特征在于,由权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到。
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