CN101423355A - 利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂 - Google Patents

利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂 Download PDF

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Abstract

一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，由组分A、B组成。组分A原料包括三部分，即粉煤灰等含铝成分的一种或多种组合；磷石膏、氟石膏等含有硫酸钙的一种或多种组合；生或熟石灰、电石渣等的一种或多种组合。组分B包括磷石膏、氟石膏等含有硫酸钙的一种或多种组合。其制法包括生料配制、水化反应、煅烧脱水和混合粉磨四个步骤。所述方法配制的膨胀剂原料来源广、低能耗、价格低廉，试验证明该膨胀剂的膨胀性能良好，可变废为宝，具有重要的环保意义。

Description

利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂
(一)技术领域：
本发明涉及一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，属于无机非金属材料及环境保护技术领域。
(二)背景技术：
混凝土的开裂一直是混凝土工程应用中难以解决的问题。普通硅酸盐水泥混凝土，因其材料特性很容易出现裂缝，导致钢筋锈蚀、渗漏等，从而降低结构物的耐久性，影响整体工作性能。为了弥补普通硅酸盐水泥混凝土的这一缺陷，目前最常用且被有关专家认为最有效的方法是：在混凝土中加入膨胀剂，引入适当的膨胀组分使混凝土在硬化过程中产生适度膨胀达到补偿收缩，以消除或减少混凝土的干缩开裂。不仅如此，还可以通过调整膨胀剂的配方，适当加大膨胀能，将其应用于自应力混凝土结构。
膨胀剂有许多品种，如中岩CSA、U型膨胀剂、中岩ZY、FEA、日本Denka等，大多数品种以钙矾石为膨胀源，属于硫铝酸钙类膨胀剂，它们由于采用高品位的矿物原料、生产工艺技术复杂和高温煅烧难度较大等原因，生产成本普遍较高。因此，在不降低产品质量的前提下，高附加值地利用工业废渣研制低成本的混凝土膨胀剂，无疑具有广阔的工程应用和市场前景。
利用固体废弃物，如高钙粉煤灰、工业废石膏、钢渣等，减少生产混凝土膨胀剂所需的资源和能源消耗，不仅是发展混凝土膨胀剂的一个重要途径，也是发展循环经济和构建节约型社会的根本。
(三)发明内容：
本发明的目的就是利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，以解决水泥或混凝土的干缩开裂问题，以达到补偿水泥或混凝土收缩的目的。
该硫铝酸钙类膨胀剂是由以下两种组分混合而成，组分A的生料包括可解析出铝离子的工业废弃物、可溶性的氧化钙化合物、可溶性的硫酸盐化合物，经水化、煅烧后形成组分A，组分A含铝相中钙离子、铝离子和硫酸根离子的摩尔比为Ca2+：Al3+：SO4 2-＝3：2：0-1；组分B提供生成钙矾石所需的硫酸盐。下面详细介绍本发明的技术方案。
1、本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，它包括两种组分：组分A和组分B。其中，组分A占总质量的50％-70％，组分B占总质量的25％-55％。
(1)组分A由三种成分即下列成分一、二、三构成：
①成分一：占组分A生料总质量的30-50％，其为可解析出铝离子的工业废弃物，即粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、赤泥渣等含硅铝酸盐成分的工业废渣中的一种或多种组合，也可以是含硅铝酸盐成分的天然材料，即含活性氧化铝、铝酸盐的工业废渣或天然材料；
②成分二：占组分A生料总质量的0-25％，为磷石膏、氟石膏、脱硫石膏等含有硫酸钙的工业废渣中的一种或多种组合，或天然石膏；
③成分三：占组分A生料总质量的40-60％，其为可溶性的氧化钙化合物：可为生石灰、熟石灰、电石渣中的一种或多种组合；
(2)组分B为可溶性的硫酸盐化合物：即磷石膏、氟石膏、脱硫石膏等含有硫酸钙的工业废渣中的一种或多种组合，或天然石膏，磨细至比表面积为200-500m2/kg。
2、本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，其制造方法包含生料配制、水化反应、煅烧脱水和混合粉磨四个步骤；其中将组分A中的三种成分于常温下按一定比例加水混合，而后进行蒸汽养护并定期研磨，以水为介质，原料水化生成水化硅酸钙(CSH)、水化铝酸钙(C3AH6)、低硫型水化硫铝酸钙(AFm)几种水化产物的组合，再经煅烧脱水形成水化物脱水相，这成为硫铝酸钙类膨胀剂的组分A。添加组分B，二者按适当比例混合后制成硫铝酸钙类膨胀剂；硫铝酸钙类膨胀剂掺加到水泥或混凝土中，以水为介质发生化学反应生成膨胀性的物质—钙矾石，产生膨胀，达到补偿水泥或混凝土收缩的目的。
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂的制造方法，依序按照以下步骤进行：
(1)生料配制：将组分A中的三种原材料成分按前述比例在常温下称量，按水固质量比5～10：1在原料中加入水后拌合均匀；
(2)水化反应：将拌合均匀后的三种原料成分放入养护箱经过4小时～10天的50-100℃蒸汽养护，养护期间可以通过利用球磨机定时研磨等辅助手段提高原料水化反应速率，水化产物包括水化硅酸钙(CSH)、水化铝酸钙(C3AH6)、低硫型水化硫铝酸钙(AFm)几种水化产物的组合；
(3)煅烧脱水：把水化后的产物烘干、粗磨后，在400-900℃的高温下煅烧0.5-1小时，将煅烧后的产物磨细至比表面积200-500m2/kg，得到组分A；
(4)混合粉磨：将组分B的原料烘干、磨细至比表面积200-500m2/kg，得到组分B；将质量比为50％-70％组分A和25％-55％组分B均匀混合，便得到用于水泥或混凝土的膨胀剂。
其中，在步骤(1)中所述的按水固质量比为7：1。
3、本发明的优点
本发明制备的硫铝酸钙类膨胀剂，其优点和达到的功效是：它制造成本低、膨胀率高、强度损失少及与水泥和其他外加剂适应能力强。由于它大量使用可解析出铝离子废弃物、工业废石膏、电石渣等工业废渣，原料来源广，生产能耗低，因而可降低成本，节省费用，生产不受地域性限制，生产工艺简单易行，具有较高的经济效益和环保意义。
(四)具体实施方式：
下面以具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，由组分A和组分B组成，组分A的质量占53.4％，组分B的质量占46.6％。组分A包括成分一：粉煤灰，占组分A的质量比为40％；成分二：磷石膏，占组分A的质量比为20％；成分三：生石灰，占组分A的质量比为40％。组分B为磷石膏。
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂的制造方法，依序按照以下步骤进行：
(1)生料配制：将组分A中的三种原材料成分按所述比例要求在常温下称量，按水固质量比5：1在原料中加入水后拌合均匀；
(2)水化反应：将拌合均匀后的三种原料成分放入养护箱经过5天的80℃蒸汽养护，养护期间可以通过利用球磨机定时研磨以提高原料水化反应速率，水化产物包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、低硫型水化硫铝酸钙几种水化产物的组合；
(3)煅烧脱水：把原料水化后的产物烘干、粗磨后，在450℃的高温下煅烧0.5小时，将煅烧后的产物磨细至比表面积300m2/kg，得到组分A；
(4)混合粉磨：将组分B的原料烘干、磨细至比表面积300m2/kg，得到组分B；将组分A和组分B均匀混合，便得到用于水泥或混凝土的膨胀剂。
所制备的混凝土硫铝酸钙类膨胀剂产品按照混凝土膨胀剂标准JC476-2001作限制膨胀率试验，水中7d膨胀率>0.04％，水中28d膨胀率可超过0.05％，但小于0.07％。
实施例2
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，由组分A和组分B组成，组分A的质量占70％，组分B的质量占30％。组分A包括成分一：赤泥，占组分A的质量比为67％；成分二：磷石膏，占组分A的质量比为16％；成分三：生石灰，占组分A的质量比为17％。组分B为磷石膏。
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂的制造方法，依序按照以下步骤进行：
(1)生料配制：将组分A中的三种原材料成分按所述比例要求在常温下称量，按水固质量比10：1在原料中加入水后拌合均匀；
(2)水化反应：将拌合均匀后的三种原料成分放入养护箱经过5天的90℃蒸汽养护，养护期间可以通过利用球磨机定时研磨以提高原料水化反应速率，水化产物包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、低硫型水化硫铝酸钙几种水化产物的组合；
(3)煅烧脱水：把原料水化后的产物烘干、粗磨后，在500℃的高温下煅烧0.5小时，将煅烧后的产物磨细至比表面积200m2/kg，得到组分A；
(4)混合粉磨：将组分B的原料烘干、磨细至比表面积200m2/kg，得到组分B；将组分A和组分B均匀混合，便得到用于水泥或混凝土的膨胀剂。
实施例3
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，由组分A和组分B组成，组分A的质量占63％，组分B的质量占37％。组分A包括成分一：钢渣，占组分A的质量比为56％；成分二：磷石膏，占组分A的质量比为26％；成分三：生石灰，占组分A的质量比为18％。组分B为磷石膏。
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂的制造方法，依序按照以下步骤进行：
(1)生料配制：将组分A中的三种原材料成分按所述比例要求在常温下称量，按水固质量比7：1在原料中加入水后拌合均匀；
(2)水化反应：将拌合均匀后的三种原料成分放入养护箱经过7天的90℃蒸汽养护，养护期间可以通过利用球磨机定时研磨以提高原料水化反应速率，水化产物包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、低硫型水化硫铝酸钙几种水化产物的组合；
(3)煅烧脱水：把原料水化后的产物烘干、粗磨后，在500℃的高温下煅烧40min，将煅烧后的产物磨细至比表面积400m2/kg，得到组分A；
(4)混合粉磨：将组分B的原料烘干、磨细至比表面积400m2/kg，得到组分B；将组分A和组分B均匀混合，便得到用于水泥或混凝土的膨胀剂。
实施例4
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，由组分A和组分B组成，组分A的质量占63％，组分B的质量占37％。组分A包括成分一：赤泥渣，占组分A的质量比为50％；成分二：脱硫石膏，占组分A的质量比为25％；成分三：生石灰，占组分A的质量比为25％。组分B为脱硫石膏。
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂的制造方法，依序按照以下步骤进行：
(1)生料配制：将组分A中的三种原材料成分按所述比例要求在常温下称量，按水固质量比5：1在原料中加入水后拌合均匀；
(2)水化反应：将拌合均匀后的三种原料成分放入养护箱经过2天的95℃蒸汽养护，水化产物包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、低硫型水化硫铝酸钙几种水化产物的组合；
(3)煅烧脱水：把原料水化后的产物烘干、粗磨后，在600℃的高温下煅烧1小时，将煅烧后的产物磨细至比表面积500m2/kg，得到组分A；
(4)混合粉磨：将组分B的原料烘干、磨细至比表面积500m2/kg，得到组分B；将组分A和组分B均匀混合，便得到用于水泥或混凝土的膨胀剂。
实施例5
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，由组分A和组分B组成，组分A的质量占70％，组分B的质量占30％。组分A包括成分一：煤矸石，占组分A的质量比为42％；成分二：氟石膏，占组分A的质量比为16％；成分三：电石渣，占组分A的质量比为42％。组分B为氟石膏。
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂的制造方法，依序按照以下步骤进行：
(1)生料配制：将组分A中的三种原材料成分按所述比例要求在常温下称量，按水固质量比10：1在原料中加入水后拌合均匀；
(2)水化反应：将拌合均匀后的三种原料成分放入养护箱经过1天的100℃蒸汽养护，水化产物包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、低硫型水化硫铝酸钙几种水化产物的组合；
(3)煅烧脱水：把原料水化后的产物烘干、粗磨后，在300℃的高温下煅烧1小时，将煅烧后的产物磨细至比表面积500m2/kg，得到组分A；
(4)混合粉磨：将组分B的原料烘干、磨细至比表面积500m2/kg，得到组分B；将组分A和组分B均匀混合，便得到用于水泥或混凝土的膨胀剂。
实施例6
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，由组分A和组分B组成，组分A的质量占65％，组分B的质量占35％。组分A包括成分一：粉煤灰和钢渣，分别占组分A的质量比为20％和37％；成分二：磷石膏，占组分A的质量比为26％；成分三：生石灰，占组分A的质量比为17％。组分B为磷石膏。
本发明一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂的制造方法，依序按照以下步骤进行：
(1)生料配制：将组分A中的三种原材料成分按所述比例要求在常温下称量，按水固质量比10：1在原料中加入水后拌合均匀；
(2)水化反应：将拌合均匀后的三种原料成分放入养护箱经过10天的80℃蒸汽养护，养护期间可以通过利用球磨机定时研磨以提高原料水化反应速率，水化产物包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、低硫型水化硫铝酸钙几种水化产物的组合；
(3)煅烧脱水：把原料水化后的产物烘干、粗磨后，在850℃的高温下煅烧0.5小时，将煅烧后的产物磨细至比表面积200m2/kg，得到组分A；
(4)混合粉磨：将组分B的原料烘干、磨细至比表面积200m2/kg，得到组分B；将组分A和组分B均匀混合，便得到用于水泥或混凝土的膨胀剂。
本发明以含铝的废弃物、可溶性的氧化钙、可溶性的硫酸盐化合物为原料，基于脱水相技术制备出具有潜在膨胀性的膨胀剂，适用于添加入水泥及混凝土中使用。由于原料大部来源于工业废渣，处理过程的温度范围控制在900℃以下，可有效降低成本，而且通过控制水化物的组成、煅烧脱水温度和膨胀剂的掺量可以扩大本产品的应用空间，经试验验证确实能达到本发明的目的。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单修饰，皆应在本发明专利涵盖范围之列。

Claims (2)

1、一种利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂，其特征在于：它是由组分A和组分B组成，其中，组分A占总质量的50％-70％，组分B占总质量的25％-55％；
所述组分A是由下列成分一、二、三构成：
①成分一：占组分A生料总质量的30-50％，其为可解析出铝离子的工业废弃物，即粉煤灰、矿渣、钢渣、煤矸石、赤泥渣这些含硅铝酸盐成分的工业废渣中的一种或多种组合，也可以是含硅铝酸盐成分的天然材料，即含活性氧化铝、铝酸盐的工业废渣或天然材料；
②成分二：占组分A生料总质量的0-25％，其为磷石膏、氟石膏、脱硫石膏这些含有硫酸钙的工业废渣中的一种或多种组合，或天然石膏；
③成分三：占组分A生料总质量的40-60％，其为可溶性的氧化钙化合物：为生石灰、熟石灰、电石渣中的一种或多种组合；
所述组分B为可溶性的硫酸盐化合物：即磷石膏、氟石膏、脱硫石膏中含有硫酸钙的工业废渣中的一种或多种组合，或天然石膏，磨细至比表面积为200-500m2/kg。2、根据权利要求1所述的利用工业废渣制备用于水泥或混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂的制造方法，其特征在于：它是依序按照以下步骤进行：
(1)生料配制：将组分A中的三种原材料成分按所述比例要求在常温下称量，按水固质量比5～10：1在原料中加入水后拌合均匀；
(2)水化反应：将拌合均匀后的三种原料成分放入养护箱经过4小时～10天的50-100℃蒸汽养护，养护期间可以通过利用球磨机定时研磨之辅助手段以提高原料水化反应速率，水化产物包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、低硫型水化硫铝酸钙几种水化产物的组合；
(3)煅烧脱水：把原料水化后的产物烘干、粗磨后，在400-900℃的高温下煅烧0.5-1小时，将煅烧后的产物磨细至比表面积200-500m2/kg，得到组分A；
(4)混合粉磨：将组分B的原料烘干、磨细至比表面积200-500m2/kg，得到组分B；将质量比为50％-70％组分A和25％-55％组分B均匀混合，便得到用于水泥或混凝土的膨胀剂。
3.根据权利要求2所述的利用工业废渣制备用于水泥或混凝土硫铝酸钙类膨胀剂的方法，其特征在于：在步骤(1)中所述的按水固质量比为7∶1。
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