CN101386478A - 矿渣硫酸盐水泥及其制备方法 - Google Patents

矿渣硫酸盐水泥及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种矿渣硫酸盐水泥及其制备方法。矿渣硫酸盐水泥，其特征在于它由矿渣、石膏、石灰石和外加剂原料混合而成，各原料所占质量百分数为：矿渣20％～75％，石膏20％～70％，石灰石0.01％～40％，外加剂0.01％～10％。所述的外加剂为：硅酸盐水泥熟料、石灰、钢渣、氢氧化钙、强碱、强碱盐中的任意一种或任意二种以上的混合，任意二种以上混合时为任意配比。本发明可以大量利用工业副产石膏及工业废渣，该方法工艺简单、成本低、能耗少、环保。

Description

矿渣硫酸盐水泥及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种矿渣硫酸盐水泥及其制备方法。
背景技术
石膏是水泥工业的原料，通常作为水泥的缓凝剂使用，在硅酸盐水泥中的掺量一般为5％左右(质量百分比)。石膏资源丰富，特别是工业副产石膏，如磷石膏、脱硫石膏和氟石膏等，目前还得不到有效地利用，这不仅造成资源浪费，还造成环境污染。以磷石膏为例，磷石膏是生产含磷酸基化工产品的副产品。每生产一吨磷酸基化工产品约排出3～5吨的磷石膏，其主要成分为二水硫酸钙。目前，我国每年磷石膏的排放量已达2000多万吨。这些磷石膏被大量废弃，堆放时占用大量土地并造成环境污染。因此，综合利用磷石膏，变废为宝，减少或彻底消除磷石膏对环境的威胁和危害，已成为磷化工企业急需考虑的问题。
矿渣是钢铁厂排出的工业废渣，资源丰富、价格低廉。其主要的化学成分是：二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化锰(MnO)、氧化铁(FeO)等。目前主要用作水泥的混合材，掺量一般在20％～50％(质量百分比)，主要目的是为了降低水泥生产成本。
石灰石是天然矿石，其储存量大，资源分布广，价格低廉，运输方便，是水泥工业的主要原料。
通常认为石膏是气硬性胶凝材料，不具备水硬性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低的矿渣硫酸盐水泥及其制备方法，该方法工艺简单。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：矿渣硫酸盐水泥，其特征在于它由矿渣、石膏、石灰石和外加剂原料混合而成，各原料所占质量百分数为：矿渣20％～75％，石膏20％～70％，石灰石0.01％～40％，外加剂0.01％～10％。
所述的矿渣为：钢铁厂排出的高炉矿渣；其主要的化学成分是：二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化锰(MnO)、氧化铁(FeO)等。
所述的石膏为磷石膏、脱硫石膏、氟石膏、天然的硬石膏或天然的二水石膏，主要成分为硫酸钙(CaSO4)。
所述的石灰石是以碳酸钙(CaCO3)为主要成分的天然矿石。
所述的外加剂为：硅酸盐水泥熟料(主要成分为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙)、石灰(主要成分CaO，包含化工石灰)、钢渣(主要成分是：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等)、氢氧化钙(Ca(OH)2)、强碱、强碱盐中的任意一种或任意二种以上(含二种)的混合，任意二种以上混合时为任意配比。
所述的强碱为含钾离子或钠离子的碱(即KOH、NaOH或含K、Na离子的其它碱)；所述的强碱盐为含钾离子或钠离子的碱盐(即硫酸钠、硫酸钾、碳酸钠、碳酸钾或主要含有K或Na离子的其它强碱盐)。
所述的各原料所占质量百分数最佳为：矿渣30％～50％，石膏30％～55％，石灰石4％～20％，外加剂1％～6％。
上述矿渣硫酸盐水泥的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)按各原料所占质量百分数为：矿渣20％～75％，石膏20％～70％，石灰石0.01％～40％，外加剂0.01％～10％，各原料所占质量百分数之和为100％，选取矿渣、石膏、石灰石和外加剂原料，备用；
2)采用下述三种方法之一制备矿渣硫酸盐水泥：
①将矿渣、石膏、石灰石、外加剂分别粉磨至比表面积大于280m2/kg(最佳400m2/kg～800m2/kg)后再混合均匀，得矿渣硫酸盐水泥；
②将矿渣、石膏、石灰石、外加剂混合，粉磨至比表面积大于280m2/kg(最佳400m2/kg～650m2/kg)后，得矿渣硫酸盐水泥；
③将矿渣单独粉磨至比表面积大于280m2/kg(最佳450m2/kg～550m2/kg)，得矿渣粉；将石膏、石灰石、外加剂混合粉磨至比表面积大于280m2/kg(最佳500m2/kg～800m2/kg)，得混合粉；然后将混合粉与粉磨后的矿渣粉混合均匀，得矿渣硫酸盐水泥。
本发明将矿渣、石膏与石灰石按上述比例混合，并配入上述一定的外加剂后，即具备了水硬性，加水后即可以让矿渣与石灰石和石膏产生化学反应。实验表明，本发明的矿渣、石膏、石灰石和外加剂组成的混合物加水后，在石膏颗粒表面和颗粒之间形成了大量针状的水化硫铝酸钙和无定型的水化硅酸钙矿物，并使其混合物具备了水硬性，产生了较高的强度；在此混合物中，一部分石膏起了骨架的作用(本发明的石膏用量大于现有技术中的石膏用量)，一部分石膏参与了化学反应，形成了一系列新的水化产物。用矿渣、石膏、石灰石和外加剂组成的混合物制成的矿渣硫酸盐水泥，凝结时间正常，安定性合格，保水率高，既有一定的早期强度，又有相当高的后期强度，各项物理力学性能均能符合GB/T 3183-2003砌筑水泥的国家标准。适应于配制建筑工程中的建筑砂浆。
本发明中，加入一定的外加剂，主要作用是促进水化硫铝酸钙的形成，从而提高矿渣硫酸盐水泥的强度。
本发明的有益效果是：所制备的矿渣硫酸盐水泥既有一定的早期强度，又有相当高的后期强度，具有和易性好、使用方便等特点。主要原料是石膏和矿渣，不需要煅烧(能耗少)，工艺简单、成本低，不仅可以避免排放大量二氧化碳；还可大量使用工业废渣，如磷石膏和高炉矿渣等，特别是石膏可大量使用，变废为宝，降低成本，有益于节能降耗和环境保护，并显著降低建筑物的造价。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：
将矿渣、磷石膏、石灰石和外加剂分别粉磨，检测其比表面积；得知矿渣比表面积为424m2/kg；磷石膏比表面积为281m2/kg；石灰石比表面积为726m2/kg；外加剂比表面积为379m2/kg。然后按表1的配比混合均匀，制备成矿渣硫酸盐水泥。最后按GB/T 3183-2003砌筑水泥的国家标准进行检验，结果如表1所示，可见各配比的物理力学性能均符合GB/T3183-2003砌筑水泥的技术要求。
所述的矿渣为高炉矿渣；磷石膏为生产含磷酸基化工产品的副产品，主要成分为二水石膏(CaSO4·2H2O)；石灰石是以碳酸钙(CaCO3)为主要成分的天然矿石；外加剂为以硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料(即表1中的熟料)。
表1.分别粉磨制备的矿渣硫酸盐水泥的配比及其性能
Figure A200810197319D00051
实施例2：
选取矿渣、磷石膏、石灰石和外加剂原料，备用；所述的矿渣为高炉矿渣，磷石膏为生产含磷酸基化工产品的副产品，主要成分为二水石膏(CaSO4·2H2O)。石灰石是以碳酸钙(CaCO3)为主要成分的天然矿石。所用的外加剂是天然石灰石经煅烧而得到的以氧化钙(CaO)为主要成分的石灰(即表2中的石灰)。
按各原料所占质量百分数为：矿渣38％，磷石膏45％，石灰石15％，石灰2％，混合粉磨至不同的比表面积，制成矿渣硫酸盐水泥。按GB/T 3183-2003砌筑水泥的国家标准进行检验，结果如表2所示，可见所有物理力学性能均符合GB/T 3183-2003砌筑水泥的技术要求。
表2.混合粉磨制备的矿渣硫酸盐水泥的产品性能
Figure A200810197319D00061
实施例3：
选取矿渣、磷石膏、石灰石和外加剂原料，备用；所述的矿渣为高炉矿渣，磷石膏为生产含磷酸基化工产品的副产品，主要成分为二水石膏(CaSO4·2H2O)。石灰石是以碳酸钙(CaCO3)为主要成分的天然矿石。外加剂为以硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料(即表3中的熟料)。
按各原料所占质量百分数为：矿渣34％，磷石膏45％，石灰石15％，熟料6％。将矿渣单独粉磨至比表面积424m2/kg，得矿渣粉，备用；磷石膏、石灰石和熟料混合粉磨至比表面积630m2/kg，得混合粉，备用；然后将混合粉与粉磨后的矿渣粉混合均匀，制备成矿渣硫酸盐水泥。按GB/T 3183-2003砌筑水泥的国家标准进行检验，结果如表3所示，可见所有物理力学性能均符合GB/T 3183-2003砌筑水泥的技术要求。
表3.部分混合粉磨制备的矿渣硫酸盐水泥的产品性能
Figure A200810197319D00062
实施例4：
将各种物料按表4的配比混合，粉磨至比表面积大于281m2/kg后，制备成矿渣硫酸盐水泥，然后按GB/T 3183-2003砌筑水泥的国家标准进行检验，结果如表5所示，可见各试样的各项物理力学性能均符合GB/T 3183-2003砌筑水泥的技术要求。
所述的矿渣为高炉矿渣；脱硫石膏为电厂燃煤烟气中脱硫产生的石膏，主要成分为二水石膏(CaSO4·2H2O)；氟石膏是用硫酸处理制取氢氟酸后残存的渣子再用石灰中和过量的硫酸所得的废渣，主要成分为二水石膏(CaSO4·2H2O)；硬石膏是天然矿石，主要成分为无水石膏(CaSO4)；二水石膏是天然矿石，主要成分为二水石膏(CaSO4·2H2O)；钢渣是钢铁厂排放的工业废渣，主要成分是：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等；氢氧化钙是石灰加水后产生的熟石灰，主要成分为氢氧化钙(Ca(OH)2)；氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)、硫酸钠(Na2SO4)、硫酸钾(K2SO4)为市售的化工产品；石灰石是以碳酸钙(CaCO3)为主要成分的天然矿石。
表4.矿渣硫酸盐水泥的配比，质量百分数(％)
 
编号 矿渣 脱硫石膏 氟石膏 硬石膏 二水石膏 钢渣 氢氧化钙 氢氧化钠 氢氧化钾 硫酸钠 硫酸钾 石灰石
D1 43 45 6 6
D2 47 45 2 6
D3 48 45 1 6
D4 48 45 1 6
D5 48 45 1 6
D6 48 45 1 6
D7 42 45 6 1 6
表5.矿渣硫酸盐水泥的性能
Figure A200810197319D00071
本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明；在此不一一列举实施例。

Claims (7)

1.矿渣硫酸盐水泥，其特征在于它由矿渣、石膏、石灰石和外加剂原料混合而成，各原料所占质量百分数为：矿渣20％～75％，石膏20％～70％，石灰石0.01％～40％，外加剂0.01％～10％。
2.根据权利要求1所述的矿渣硫酸盐水泥，其特征在于：所述的矿渣为高炉矿渣。
3.根据权利要求1所述的矿渣硫酸盐水泥，其特征在于：所述的石膏为磷石膏、脱硫石膏、氟石膏、天然的硬石膏或天然的二水石膏。
4.根据权利要求1所述的矿渣硫酸盐水泥，其特征在于：所述的外加剂为：硅酸盐水泥熟料、石灰、钢渣、氢氧化钙、强碱、强碱盐中的任意一种或任意二种以上的混合，任意二种以上混合时为任意配比。
5.根据权利要求4所述的矿渣硫酸盐水泥，其特征在于：所述的强碱为含钾离子或钠离子的碱；所述的强碱盐为含钾离子或钠离子的碱盐。
6.根据权利要求1所述的矿渣硫酸盐水泥，其特征在于：所述的各原料所占质量百分数为：矿渣30％～50％，石膏30％～55％，石灰石4％～20％，外加剂1％～6％。
7.如权利要求1所述的矿渣硫酸盐水泥的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1)按各原料所占质量百分数为：矿渣20％～75％，石膏20％～70％，石灰石0.01％～40％，外加剂0.01％～10％，各原料所占质量百分数之和为100％，选取矿渣、石膏、石灰石和外加剂原料，备用；
2)采用下述三种方法之一制备矿渣硫酸盐水泥：
①将矿渣、石膏、石灰石、外加剂分别粉磨至比表面积大于280m2/kg后再混合均匀，得矿渣硫酸盐水泥；
②将矿渣、石膏、石灰石、外加剂混合，粉磨至比表面积大于280m2/kg后，得矿渣硫酸盐水泥；
③将矿渣单独粉磨至比表面积大于280m2/kg，得矿渣粉；将石膏、石灰石、外加剂混合粉磨至比表面积大于280m2/kg，得混合粉；然后将混合粉与粉磨后的矿渣粉混合均匀，得矿渣硫酸盐水泥。
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