CN102515601B - 一种矿物材料火山灰活性改性方法及改性装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种矿物材料火山灰活性改性方法及改性装置，该装置由进气、进料、流化床、减压、成品收集、改性剂容器、雾化器、喷头、收尘器等设备以及连接各设备之间的气管、水管、料管、加热管等组成。具体步骤为：雾化改性剂与矿物材料在流化床容器中充分混合，并通过加热管的热处理使改性剂微粒与矿物颗粒紧密结合，能够使改性剂起到最有效地激发矿物材料水化活性的作用。该方法的特点是改性剂与矿物材料的混合效率较高和对矿物材料的水化活性激发效果较好。

Description

一种矿物材料火山灰活性改性方法及改性装置

技术领域

本发明涉及一种矿物材料火山灰活性改性方法及改性装置。

背景技术

矿粉、粉煤灰等具有火山灰活性的矿物材料已经在混凝土中得到广泛应用，其作用不仅通过利用工业废渣而实现节能环保，更重要的是通过这些材料的应用，使得混凝土的性能得到显著改善。矿物材料与水泥水化产物氢氧化钙的反应称为火山灰反应，其反应能力被称之为矿物材料的火山灰活性或水化活性。由于一些矿物材料如粉煤灰的火山灰活性较低，采用其替代水泥制备的混凝土强度、尤其是早期强度降低，从而限制了其在混凝土中的掺量。

火山灰反应消耗了水泥的水化产物氢氧化钙，于是减少了氢氧化钙大块晶体与其他水泥水化产物的微观不良界面；同时，火山灰反应形成了低钙硅比的C-S-H凝胶产物，比水泥水化所形成的高钙硅比C-S-H凝胶产物结构更加稳定；另外，矿物材料替代水泥能够大幅度降低水泥的水化热，对大体积混凝土控制水化温升、减少混凝土结构内外温差应力引起的收缩开裂具有明显效果。所以，火山灰反应能够改善水泥石的微观结构，对水泥混凝土的耐久性有利。提高矿物材料的火山灰活性，就能够在满足强度要求的前提下增加其替代水泥的比例，在提高工业废渣利用率和降低生产成本的同时，可以进一步提高混凝土的质量，具有显著的实用价值和环保意义。

传统提高火山灰活性的方法可分为物理方法和化学方法，物理方法主要通过机械磨细使矿物颗粒的比表面积增加，从而增加反应面积和反应几率，但当材料磨细到一定细度时，继续提高细度所需的加工能耗将激增，所以，其活性提高水平受到限制。化学方法主要采用氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、氯化钙、无水硫酸钠、硅酸钠（水玻璃）、硝酸钠、三乙醇胺等材料对其进行“碱”激发和“氯盐、硫酸盐、硅酸盐、硝酸盐”等激发作用，其原理是激发矿物材料中结构较稳定的硅-氧化学键断裂，促进其与水泥的水化产物氢氧化钙发生反应。一般做法是将这些激发（也称改性）材料与矿物材料进行混合搅拌或混磨，有些则在混凝土生产中直接将激发材料溶入拌合水中或直接随砂、石、粉料加入搅拌机中。由于激发材料用量较低，一般小于矿物材料质量的1%，所以采用干混或混磨方法较难使之与矿物材料充分混合，受激发材料溶解度的限制，将其溶入拌合水中的方法也难以达到有效的激发材料用量，并且，易溶于水的碱激发材料会对水泥的凝结时间产生不利影响。

本发明方法采用流化床工艺，能够实现激发材料与矿物材料最有效的混合，可将雾化的激发材料微粒粘附或“种植”于矿物颗粒表面，从而实现对矿物材料火山灰活性的最优的效激发作用，并且生产能耗较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿物材料火山灰活性改性方法及改性装置。

本发明提出的矿物材料火山灰活性改性方法，具体步骤如下：

（1）将干燥的粉体矿物材料装在进料仓2中；

（2）将改性剂水溶液装进改性剂容器6中，开启雾化器7，使改性剂经雾化处理后通过水管11和喷头12进入流化床容器3中；

（3）打开气瓶1阀门，使气瓶1中的气体通过气管9进入流化床容器3中；

（4）打开进料仓2的阀门，使粉体矿物材料进入流化床容器3中，调节进料仓2阀门和气瓶1阀门，使粉料矿物材料在流化床容器3中呈现悬浮状态；

（5）悬浮的粉体矿物材料在流化床容器3中与雾化的改性剂充分混合后，通过加热管10进入减压筒4中，粉料由于气压下降而下落入收集容器5中，少量特别细小的粉体颗粒通过出气管13向上排出，经收尘器8收集后通过料管14进入收集容器5中；

（6）收集容器5中得到的即为经过改性的矿物材料。

本发明中，所述改性剂可以是氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、氯化钙、无水硫酸钠、硝酸钠或三乙醇胺等中至少一种。

本发明提出的矿物材料火山灰活性改性装置，由气瓶1、进料仓2、流化床容器3、减压筒4、收集容器5、改性剂容器6、雾化器7和收尘器8组成，其中：气瓶1通过气管9接于流化床容器3下部一侧，流化床容器3顶部设有进料仓2，改性剂容器6连接雾化器7，雾化器7通过水管11连接位于流化床容器3顶部的喷头12，流化床容器3上部一侧通过加热管10连接减压筒4上部一侧，减压筒4顶部通过出气管13连接收尘器8，收尘器8底部通过料管14连接收集容器5，减压筒4底部出口连接收集容器5进口。

本发明中，所述气瓶1采用空气压缩机或其他气体发生器，所使用的气体是空气或者是氮气。

本发明的有益效果： 

采用本发明方法与传统将改性、激发材料直接与矿物材料混合的方法相比：在相同改性、激发材料用量条件下，采用本发明方法得到的改性矿物材料火山灰活性显著提高；或在相同的火山灰活性提高幅度条件下，采用本发明方法所需要的改性、激发材料用量显著降低，可消除过多的改性、激发材料对水泥、混凝土其他性能的不利影响。

附图说明

图1是本发明采用的结构示意图。

图中标号：1为气瓶，2为进料仓，3为流化床容器，4为减压筒，5为收集容器，6为改性剂容器，7为雾化器，8为收尘器，9为连接气瓶与流化床容器的气管，10为连接流化床容器与减压筒的加热管，11为连接改性剂容器与流化床容器的水管，12为接在水管出口的喷头、13为减压筒的出气管，14为连接收尘器与收集容器的料管。

图中箭头，虚线箭头表示气流方向，实线箭头表示粉料运动方向，弧线箭头表示粉料在流化床中的旋转方向。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明，但不限于本发明的内容。

实施例1，步骤如下：

（1）将一种电厂II级粉煤灰材料装在进料仓2中；

（2）将质量浓度为16%的氢氧化钙改性剂的水溶液装进加热容器6中，开启雾化器7，使氢氧化钙水溶液经雾化处理后通过水管11和喷头12进入流化床容器3中；

（3）打开氮气瓶阀门，使氮气通过气管9进入流化床容器3中；

（4）打开进料仓2的阀门，使粉煤灰进入流化床容器3中，调节进料仓阀门和氮气瓶阀门，使粉煤灰在流化床容器3中呈现悬浮状态；

（5）悬浮的粉煤灰在流化床容器3中与含有氢氧化钙雾化微粒充分混合后，通过加热管10进入减压筒4中，粉煤灰由于气压下降而下落入收集容器5中，少量特别细小的粉煤灰颗粒通过出气管13向上排出，经收尘器8收集后通过料管14进入收集容器5中；

（6）收集容器5中得到的即为经过改性的粉煤灰，记为A。

通过控制粉煤灰进料和改性剂喷雾速度，使改性剂占粉煤灰的质量比例为1%，可以换算出改性粉煤灰A中含有的氢氧化钙固体含量为0.16%。

采用纯水泥、并分别采用改性粉煤灰A与未改性粉煤灰（记为A0）各替代30%的水泥，按照GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（附录D）做胶砂强度的对比试验。根据上述在改性矿粉中含有0.16%的氢氧化钙，计算出本试验中135克改性粉煤灰中含有0.216克氢氧化钙，于是在采用未改性粉煤灰的一组材料配合比中，向拌合水（225克）中溶入0.216克氢氧化钙（或加入0.168克生石灰，与水反应可生成0.216克氢氧化钙）作为激发材料，并将该组作为传统“增钙”激发手段。

采用粉煤灰的胶砂试块28天强度与纯水泥胶砂试块28天强度之比、并乘以100所得数值称为该种粉煤灰的活性指数。试验材料配合比和28天活性指数结果如表1所示。

表1  粉煤灰胶砂试验配合比及28天活性指数

从表1看出，采用本发明制备的改性粉煤灰与传统改性粉煤灰的原材料（包括激发材料）用量完全一致，但采用本发明制备的改性粉煤灰活性指数（71，编号1）比传统改性粉煤灰的活性指数（65，编号2）提高约10%，显示出该方法的有益效果。

实施例2，步骤如下：

（1）将一种S95级矿粉装在进料仓2中；

（2）将质量浓度为20%的氢氧化钠水溶液装进改性剂容器6中，开启雾化器7，使氢氧化钠溶液经过雾化处理后通过水管11和喷头12进入流化床容器3中；

（3）打开空气压缩机出气阀门，使空气通过气管9进入流化床容器3中；

（4）打开进料仓2的阀门，使矿粉进入流化床容器3中，调节进料仓阀门和空气压缩机出气阀门，使矿粉在流化床容器3中呈现悬浮状态；

（5）悬浮的矿粉在流化床容器3中与雾化氢氧化钠溶液微粒充分混合后，通过加热管10进入减压筒4中，矿粉由于气压下降而下落入收集容器5中，少量特别细小的矿粉颗粒通过出气管13向上排出，经收尘器8收集后通过料管14进入收集容器5中；

（6）收集容器5中得到的即为经过改性的矿粉，记为B。

通过控制矿粉进料和改性剂喷雾速度，使改性剂占矿粉的质量比例为0.5%，可以换算出改性矿粉B中含有的氢氧化钠固体含量为0.1%。

采用纯水泥、并分别采用改性矿粉B与未改性矿粉（记B0）各替代50%的水泥，按照GB18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（附录A）做胶砂强度的对比试验。根据上述在改性矿粉中含有0.1%的氢氧化钠，计算出本试验中135克改性矿粉中含有0.135克氢氧化钠，于是在采用未改性矿粉的一组材料配合比中、向拌合水（225克）中溶入0.135克氢氧化钠作为碱激发材料，并将该组作为传统碱激发手段。

采用矿粉的胶砂试块强度与纯水泥胶砂试块强度之比、并乘以100所得数值称为该种矿粉的活性指数。试验材料配合比和7天、28天活性指数结果如表2所示。

表2  矿粉胶砂试验配合比及7天、28天活性指数

 从表2看出，采用本发明制备的改矿粉与传统改性矿粉的原材料（包括激发材料）用量完全一致，但采用本发明制备的改性矿粉7天、28天活性指数（分别为85、103，编号3）比传统改性矿粉的7天、28天活性指数（分别为77、97，编号4）提高约10%，显示出该方法的有益效果。

Claims (3)

1.一种矿物材料火山灰活性改性方法，其特征在于所述改性方法采用改性装置实现，所述改性装置由气瓶(1)、进料仓(2)、流化床容器(3)、减压筒(4)、收集容器(5)、改性剂容器(6)、雾化器(7)和收尘器(8)组成，其中：气瓶(1)通过气管(9)接于流化床容器(3)下部一侧，流化床容器(3)顶部设有进料仓(2)，改性剂容器(6)连接雾化器(7)，雾化器(7)通过水管(11)连接位于流化床容器(3)顶部的喷头(12)，流化床容器(3)上部一侧通过加热管(10)连接减压筒(4)上部一侧，减压筒(4)顶部通过出气管(13)连接收尘器(8)，收尘器(8)底部通过料管(14)连接收集容器(5)，减压筒(4)底部出口连接收集容器(5)进口；具体步骤如下：

（1）、将干燥的粉体矿物材料装在进料仓（2）中；

（2）、将改性剂水溶液装进改性剂容器(6)中，开启雾化器(7)，使改性剂经雾化处理后通过水管(11)和喷头(12)进入流化床容器(3)中；

（3）、打开气瓶阀门，使气瓶中的气体通过气管(9)进入流化床容器(3)中；

（4）、打开进料仓(2) 的阀门，使粉体矿物材料进入流化床容器(3)中，调节进料仓阀门和气瓶阀门，使粉料矿物材料在流化床容器(3)中呈现悬浮状态；

（5）、悬浮的粉体矿物材料在流化床容器(3)中与经过雾化的改性剂充分混合后，通过加热管(10)进入减压筒(4)中，粉料由于气压下降而下落入收集容器(5)中，少量特别细小的粉体颗粒通过出气管(13)向上排出，经收尘器(8)收集后通过料管(14)进入收集容器(5)中；

（6）、收集容器(5)中得到的即为经过改性的矿物材料；

其中：所使用的改性剂是氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、氯化钙、无水硫酸钠、硝酸钠或三乙醇胺中至少一种。

2.一种如权利要求1所述的矿物材料火山灰活性改性方法采用的改性装置，其特征在于所述改性装置由气瓶(1)、进料仓(2)、流化床容器(3)、减压筒(4)、收集容器(5)、改性剂容器(6)、雾化器(7)和收尘器(8)组成，其中：气瓶(1)通过气管(9)接于流化床容器(3)下部一侧，流化床容器(3)顶部设有进料仓(2)，改性剂容器(6)连接雾化器(7)，雾化器(7)通过水管(11)连接位于流化床容器(3)顶部的喷头(12)，流化床容器(3)上部一侧通过加热管(10)连接减压筒(4)上部一侧，减压筒(4)顶部通过出气管(13)连接收尘器(8)，收尘器(8)底部通过料管(14)连接收集容器(5)，减压筒(4)底部出口连接收集容器(5)进口。

3.根据权利要求2所述的矿物材料火山灰活性改性装置，其特征在于所述气瓶(1)采用空气压缩机或其他气体发生器替代，所使用的气体是空气或者是氮气。

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