CN101948255B

CN101948255B - 一种低熟料用量、高折压比复合水泥的制备方法

Info

Publication number: CN101948255B
Application number: CN2010102651812A
Authority: CN
Inventors: 余其俊; 张同生; 韦江雄; 张平平
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: CN101948255A

Abstract

本发明公开一种低熟料用量、高折压比复合水泥的制备方法，其将以下三个粒度区间的粉体颗粒：＜8μm粒度区间的颗粒由该粒径范围的高活性辅助胶凝材料构成，8～24μm粒度区间的颗粒由该粒径范围的水泥熟料颗粒构成，24～80μm粒度区间的颗粒由该粒径范围的低活性辅助胶凝材料或惰性填料构成，各区间所占体积分数分别为25～40％、25～30％和30～45％；混合均匀后制得熟料体积分数为25～30％的复合水泥，其28天抗压强度达35～50MPa，抗折强度达10～12MPa，折压比在1/3～1/4之间，具有较低的水化热和良好的抗开裂能力，可应用于具有抗裂性能要求的土木建筑工程。

Description

一种低熟料用量、高折压比复合水泥的制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合水泥的制备方法，尤其涉及一种低熟料用量、高折压比复合水泥的制备方法。

背景技术

水泥混凝土是目前用量最大、用途最广的人造建筑材料。硅酸盐水泥生产需要消耗大量自然资源和能源，与资源、环境的不协调性矛盾日益恶化。2009年我国水泥产量达16.5亿吨，占世界水泥总产量的55％，消耗石灰石14.6亿吨、粘土2.4亿吨、电能约1820亿kW·h、标准煤1.9亿多吨，排放CO₂ 10多亿吨、SO_x 48多万吨、NO_x190多万吨。1996到2009年水泥工业向大气层排放CO₂累积达170亿吨，对环境影响之大，将无法估量！

随着我国工业生产规模空前扩张，伴生了数量庞大的工业废渣。据国家统计局数据，2009年我国工业废渣排放总量为19.6亿吨，综合利用率为62.1％，堆存总量达120.0亿吨，给生态环境带来巨大压力。以冶金、能源、采矿、化工等部门的废渣排放量最多，主要废渣有：钢渣、矿渣、煤灰、炉渣、煤矸石、尾矿、赤泥及各种工业石膏。其中粉煤灰、炉渣、冶金渣等多种废渣含有胶凝矿物(C₂S、C₃S等)或CaO-SiO₂-Al₂O₃-MgO体系玻璃态物质，在适当条件下可获得较好的胶凝性，可作为水泥、混凝土的辅助性胶凝材料。如何大量、有效地利用这些废渣是水泥工业和冶金等工业能否实现节能减排的关键，是实现低碳经济与可持续发展的有效举措。

生产复合水泥是工业废渣大宗量、高效利用的主要途径之一。虽然大多数用于生产复合水泥的辅助性胶凝材料具有一定活性(胶凝活性、潜在胶凝活性或火山灰活性)，但其活性远低于水泥熟料活性，甚至潜在活性得不到发挥，导致复合水泥的性能较差。目前，复合水泥仅能生产32.5水泥和砌筑水泥等低强度水泥，限制了其应用范围和掺量。同时，辅助性胶凝材料在复合水泥中掺量较低(矿渣掺量在35％左右，粉煤灰掺量在15％左右，钢渣掺量一般低于10％)，无法达到大宗量利用工业废渣生产复合水泥的目的。

由于复合水泥的生产主要采用混合磨细的方式，由于各辅助性胶凝材料易磨性不同，导致复合水泥颗粒级配较差。一方面复合水泥原始堆积不密实，导致需水量较大、浆体结构不密实；另一方面高活性胶凝组分(熟料、矿渣)颗粒较粗，其活性未完全发挥，造成了高活性胶凝组分的浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种低熟料用量、高折压比复合水泥的制备方法。本发明可大幅度提高复合水泥中辅助性胶凝材料掺量，改善水泥浆体的整体性能。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

一种低熟料用量、高折压比复合水泥的制备方法，该方法将复合水泥颗粒分为三个粒度区间：＜8μm、8～24μm和24～80μm，所述各区间颗粒体积分数分别为25～40％、25～30％和30～45％；其中，＜8μm粒度区间的颗粒由该粒径范围的高活性辅助胶凝材料构成，8～24μm粒度区间的颗粒由该粒径范围的水泥熟料颗粒构成，24～80μm粒度区间的颗粒由该粒径范围的低活性辅助胶凝材料或惰性填料构成；将上述三个粒度区间的粉体颗粒混合均匀，制得一种熟料体积分数为25～30％的复合水泥，其28天抗压强度35～50MPa，抗折强度10～12MPa，折压比为1/3～1/4。

上述的制备方法中，所述＜8μm、8～24μm和24～80μm三个粒度区间的平均粒径分别为：3～5μm、14～18μm和40～50μm。

上述的制备方法中，所述高活性辅助胶凝材料为矿渣、硅灰或高钙粉煤灰；所述水泥熟料颗粒为强度等级42.5以上的硅酸盐水泥熟料颗粒；所述低活性辅助胶凝材料为低钙粉煤灰、炉渣或钢渣，所述惰性填料为尾矿、煤矸石或石灰石。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

1)采用本发明配制的复合水泥具有需水量低、浆体初始孔隙率低等特点。

2)通过调整各胶凝组分所处的粒度区间，消除了细颗粒水化过快引起的需水量增加、工作性能下降等问题。

3)可最大限度地发挥水泥熟料和各辅助性胶凝材料的活性，水泥熟料28天水化程度超过85％。

4)大幅度提高了复合水泥性能和辅助性胶凝材料掺量。水泥熟料掺量25～35％、辅助性胶凝材料掺量65～75％时，可稳定生产42.5强度等级的复合水泥。

5)采用本发明制备的复合水泥具有较高的折压比(0.23～0.28)，并具有较低的水化热和良好的抗开裂能力，可应用在具有抗裂性能要求的大坝、水利、公路、桥梁等土木建筑工程。

因此，本发明对提高水泥熟料水化效率，减少水泥熟料用量，提高辅助性胶凝材料掺量，降低水泥、混凝土材料的温度应力和提高水泥基材料的抗开裂性能都具有重要的意义。

附图说明

图1为“区间窄分布，整体宽分布”颗粒级配模型示意图-频率分布；

图2为“区间窄分布，整体宽分布”颗粒级配模型示意图-累积分布；

图3为各粒度区间的颗粒分布图-频率分布；

图4为各粒度区间的颗粒分布图-累积分布；

图5为符合“区间窄分布，整体宽分布”模型的复合水泥颗粒分布图-频率分布；

图6为符合“区间窄分布，整体宽分布”模型的复合水泥颗粒分布图-累积分布。

具体实施方式

本发明一种低水泥熟料用量、高折压比复合水泥的配制方法，所述方法包括：采用“区间窄分布，整体宽分布”颗粒级配模型，并按照胶凝组分活性安排其所处的粒径区间。

所述“区间窄分布，整体宽分布”颗粒级配模型概述为：

(1)将复合水泥颗粒分为三个区间，即＜8μm、8～24μm、24～80μm。

(2)“区间窄分布”。每个粒度区间要求颗粒分布尽量的窄，保证颗粒粒径均一和较快的水化速度，控制各区间特征粒径分别为3～5μm、14～18μm和40～50μm，以便颗粒逐级填充，并消除颗粒堆积过程中的“松动效应”和“墙壁效应”。

(3)“整体宽分布”。复合水泥整体颗粒分布要尽量的宽，调整各区间颗粒含量(体积分数)为：

＜8μm 25～40％

8～24μm 25～30％

24～80μm 30～45％。

使复合水泥整体颗粒达到最紧密堆积，降低复合水泥浆体初始孔隙率。“区间窄分布，整体宽分布”颗粒分布示意图见图1和图2。

所述按照胶凝组分活性安排其所处的粒径区间概述为：

(1)将矿渣、硅灰、高钙粉煤灰等高活性辅助性胶凝材料置于细颗粒区间(＜8μm)，既提高了辅助性胶凝材料的水化活性，又避免了细颗粒水化过快引起的需水量增加、工作性能下降等问题。

(2)将硅酸盐水泥熟料(42.5强度等级以上)置于8～24μm区间，该区间水泥熟料颗粒的水化速度适中，28天水化程度可达85％以上，对复合水泥性能起主要贡献。

(3)将低钙粉煤灰、炉渣、钢渣等冶炼渣或尾矿、煤矸石、石灰石等惰性混合材置于粗颗粒区间(24～80μm)，该区间颗粒主要起填充作用，仅需表面水化，与水化产物牢固粘接。

以下结合实施例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明不局限于下述实施例，任何在本发明的启示下得出的与本发明相同或相近似的产品，均在保护范围之内。

(1)制备符合“区间窄分布”的各种胶凝组分。实施例1～4中涉及的各粒度区间颗粒分布如图3、图4所示，其颗粒分布参数见表1。

表1中：D₁₀为累积含量为10％时颗粒粒径；D₅₀为累积含量为50％时颗粒粒径；D₉₀为累积含量为90％时颗粒粒径。

表1各粒度区间的颗粒分布参数

(2)根据复合水泥各区间含量和胶凝材料种类，制备符合“区间窄分布，整体宽分布”模型的复合水泥，并用V型混料机将复合水泥混合均匀。

(3)采用GB/T 1346--2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测定复合水泥的标准稠度需水量，并测定标准稠度水泥浆体的密度，按下式计算水泥浆体的初始堆积密度。

ρ_wet为复合水泥浆体密度，ρ_w与ρ_C分别为水和复合水泥的密度。

(4)采用GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测定复合水泥的3d、28d抗压抗折强度。

实施例1

目前，市售硅酸盐水泥(P.II)和普通硅酸盐水泥(P.O)的混合材掺量及性能见表2。硅酸盐水泥及普通硅酸盐浆体的堆积密度为50％左右，其28天折压比在0.2左右。

表2硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥的配比及性能

根据本发明的方法，将上述符合“区间窄分布”的各胶凝组分，按照表3中各区间含量和胶凝材料种类，制备的复合水泥颗粒分布如图5、图6所示。由于颗粒分级机分级效率有限，各区间存在一定程度的重叠，制备的具有“区间窄分布，整体宽分布”颗粒特征的复合水泥与理想分布有一定差距，但其需水量较低、初始堆积密度较高，符合42.5强度等级复合水泥的要求(见表3)。

表3具有“区间窄分布，整体宽分布”颗粒特征的复合水泥的配比及性能

实施例2

将上述符合“区间窄分布”的各胶凝组分，按照表4中各区间含量和胶凝材料种类，制备的复合水泥性能见表4。

表4具有“区间窄分布，整体宽分布”颗粒特征的复合水泥的配比及性能

实施例3

将上述符合“区间窄分布”的各胶凝组分，按照表5中各区间含量和胶凝材料种类，制备的复合水泥性能见表5。

表5具有“区间窄分布，整体宽分布”颗粒特征的复合水泥的配比及性能

实施例4

将上述符合“区间窄分布”的各胶凝组分，按照表6中各区间含量和胶凝材料种类，制备的复合水泥性能见表6。

表6具有“区间窄分布，整体宽分布”颗粒特征的复合水泥的配比及性能

实施例5

将上述符合“区间窄分布”的各胶凝组分，按照表7中各区间含量和胶凝材料种类，制备的复合水泥性能见表7。

表7具有“区间窄分布，整体宽分布”颗粒特征的复合水泥的配比及性能

实施例6

将上述符合“区间窄分布”的各胶凝组分，按照表8中各区间含量和胶凝材料种类，制备的复合水泥性能见表8。

表8具有“区间窄分布，整体宽分布”颗粒特征的复合水泥的配比及性能

上述六个实施例表明，本发明可稳定生产42.5强度等级的复合水泥，且制备的复合水泥具有较高的折压比(0.238以上)、较低的水化热和良好的抗开裂能力，可应用在具有抗裂性能要求的大坝、水利、公路、桥梁等土木建筑工程。

本发明对提高水泥熟料水化效率，减少水泥熟料用量，降低水泥、混凝土材料的温度应力和提高水泥基材料的抗开裂性能，对水泥、冶金等工业实现节能减排、社会可持续发展具有重大意义。

Claims

1.一种低熟料用量、高折压比复合水泥的制备方法，其特征在于：

将复合水泥颗粒分为三个粒度区间：＜8μm、8～24μm和24～80μm，所述各区间颗粒体积分数分别为25～40％、25～30％和30～45％；其中，＜8μm粒度区间的颗粒由该粒径范围的高活性辅助胶凝材料构成，8～24μm粒度区间的颗粒由该粒径范围的水泥熟料颗粒构成，24～80μm粒度区间的颗粒由该粒径范围的低活性辅助胶凝材料或惰性填料构成；将上述三个粒度区间的粉体颗粒混合均匀，制得所述复合水泥；所制得的复合水泥中熟料体积分数为25～30％，复合水泥28天抗压强度35～50MPa，抗折强度10～12MPa，折压比为1/3～1/4；所述高活性辅助胶凝材料为矿渣、硅灰或高钙粉煤灰；所述水泥熟料颗粒为强度等级42.5以上的硅酸盐水泥熟料颗粒；所述低活性辅助胶凝材料为低钙粉煤灰、炉渣或钢渣，所述惰性填料为尾矿、煤矸石或石灰石。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述＜8μm、8～24μm和24～80μm三个粒度区间的平均粒径分别为：3～5μm、14～18μm和40～50μm。