CN105645794A - 一种大掺量工业废渣硅酸盐水泥制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种大掺量工业废渣硅酸盐水泥的制备方法，属于硅酸盐水泥的制备方法。在保证水泥强度等级不降低的基础上，以粉煤灰、矿渣等工业废渣为主要原料等量替代水泥熟料，同时达到水泥的其它性能指标均满足国家普通硅酸盐水泥的各项标准，从而达到降低水泥生产成本的目的。按照本制备方法，经一定处理后的工业废渣可以以70％-80％的质量比等量替代水泥熟料，生产PC52.5，PC42.5硅酸盐水泥，和普通硅酸盐水泥相比，每吨水泥成本可节省30％以上。利用该方法生产的水泥各龄期强度等同或高于原硅酸盐水泥强度等级，并具有水化热低，早期强度高、后期强度增进率大，能耗低，变废为宝，所配制的混凝土抗化学侵蚀能力强等各项优点。

Description

一种大掺量工业废渣硅酸盐水泥制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型低污染低能耗硅酸盐水泥的制备方法，特别是一种大掺量工业废渣硅酸盐水泥的制备方法。
背景技术
我国钢铁、电力、化工等行业年平均排放的固态工业废弃物已达10多亿吨，具体有:粉煤灰2亿吨、矿渣近1亿吨、钢渣0.2亿吨、煤矸石2亿多吨、废弃混凝土及建筑垃圾10多亿吨、城市污泥0.5亿吨、工业尾矿2.6亿吨，目前我国固体废弃物综合利用率不到40％，已累积固体废弃物达70亿吨，占地约7万Km2，造成极大的环境污染与土地资源浪费。在上述工业废弃物中，除了矿渣得到很好利用外，总量多达数亿吨的粉煤灰、钢渣、煤矸石、废弃混凝土及建筑垃圾有效利用率很低。与此同时，由于水泥普遍的生产和使用导致资源和能源的消耗猛增，其粉尘与气体的排放对自然环境造成的污染也日益严重。
两型社会的建设迫切需要实现对这些工业废弃物进行深加工、充分发挥其潜在活性，使之成为水泥和水泥基材料中能够调节性能的辅助性胶凝材料，大掺量替代水泥，以减少水泥工业生产过程中的资源消耗与污染排放，为改善人类居住环境做出重要贡献。因此，将这些工业废渣作为水泥混合材，实现大掺量混合材水泥生产是解决上述问题的最有效途径。
为了充分发挥工业废渣作为水泥中辅助胶凝材料的胶凝性能及其协同效应，就要充分利用粉煤灰等工业废渣在水泥中的三大效应，即火山灰效应、形貌效应、填充效应。但目前现有研究利用三大效应提高水泥中工业废渣掺量普遍出现的难点问题是：当采用大掺量工业废渣时(工业废渣掺量达到20％以上)，水泥强度明显降低，且工业废渣掺量越大，水泥强度下降越多，无法制得高强度等级水泥。
专利号为CN02132606.1的专利采取的大掺量粉煤灰复合水泥生产方法需要将粉煤灰磨成超细粉，且水泥熟料掺量为45％-55％，不仅对水泥的需求较大，还提高了生产成本。专利号CN200610114203.9的专利提出一种可将粉煤灰掺量达到40％的高掺量水泥制备方法，但该专利生产工艺较为复杂，其原料中的石膏需要在700-900℃煅烧，同时还需将减水剂和激发剂加工成粉末状方可使用。专利申请号CN201410819526.2提出采用纳米材料制备大掺量粉煤灰水泥，但其专利中所采用的纳米材料SnO2成本较高，且由于纳米材料过于细小容易产生颗粒团聚现象，常规手段难以与其他材料混合均匀，不利于大规模工业化生产。专利号CN201310477026.0提出采用纳米勃姆石制备大掺量粉煤灰水泥，但其生产方法中所采用的纳米材料需要采用超声分散，早期3天抗压强度也仅有15MPa左右，距我国普通硅酸盐PO42.5水泥3天抗压强度要求大于等于22MPa相差较远。这主要是因为工业废渣作为辅助性胶凝材料活性远低于水泥，二次水化火山灰效应仅发生工业废渣表面，反应程度较低，同时在大规模工业化生产条件下，水泥颗粒级配良好，颗粒间空间有限，仅能密实填充少量的磨细后的工业废渣，而粉煤灰等工业废渣磨细后往往孔隙增多，需水性增大，不再具有减水的形貌效应。
发明内容
本发明的目的是要提供一种大掺量工业废渣硅酸盐水泥制备方法，解决工业废渣的堆放和再利用问题，同时降低水泥产业对环境的污染和对能源的消耗，保证原水泥强度等级不降低的目的。
本发明的目的是这样实现的：制备方法是在普通硅酸盐水泥生产技术的基础上，将水泥熟料颗粒磨细后，将水泥熟料+5％二水石膏粉磨超细制得超细水泥，利用较细的水泥熟料颗粒密实填充在混合材颗粒间隙中，使胶凝体系整体在水化之前达到最紧密堆积状态，加速胶凝体系整体水化反应过程并提高水化产物的密实程度，提高胶凝材料整体强度，然后将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％-80％的超细水泥，大掺量工业废渣作为水泥混合材使用，混合均匀后即得该种水泥，该水泥其强度等级等同或高于原硅酸盐水泥强度等级；
制备过程包括：两磨一混，即磨制超细水泥、磨制活性工业废渣和混料工艺，具体方法过程如下：
(1)磨制超细水泥：利用球磨机将普通水泥熟料+5％二水石膏磨细制备而成，其基本要求是粒径分布区间X10≤0.8μm，X50≤2μm，X90≤6μm，Xav≤3μm；其中X10为材料颗粒群的粒径分布为10％时的粒径，即小于此粒径的颗粒体积占总体积的10％，X50和X90与X10同理；Xav为颗粒的平均粒径；
(2)活化工业废渣制备：按照粉煤灰：20-60％、矿渣：30-70％、元明粉：2-3％和高强石膏(α-CaSO4·0.5H2O)：4-8％混合磨细制备化学活化的工业废渣，其粉磨细度要求是比表面积350-450m2/kg，0.08mm筛余量不大于3％；
(3)混料工艺：将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％-80％的超细水泥，混合均匀即得该种水泥；当工业废渣取代率为70％时，即70％工业废渣+30％水泥熟料混合均匀后，可制的PC52.5水泥，当工业废渣取代率为80％时，即80％工业废渣+20％水泥熟料混合均匀后，可制的PC42.5水泥，且其它各项性能指标均满足国家GB175-2007通用硅酸盐水泥标准。
所述的二水石膏为天然二水石膏或脱硫石膏；所述的粉煤灰为以煤为燃料的火力发电厂排放的Ⅲ级及以下低品位粉煤灰；所述的矿渣为高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的粒化高炉矿渣；所述的元明粉为工业级的无水硫酸钠；所述的高强石膏为α-CaSO4.1/2H2O，系α型半水石膏。
有益效果：由于采用了上述技术方案，该制备方法分析了水泥熟料-工业废渣胶凝体系的粒径分布区间和颗粒堆积状况，采用粉体工程中的最紧密堆积理论，将水泥熟料颗粒磨细后，利用较细的水泥熟料颗粒密实填充在混合材颗粒间隙中，使胶凝体系整体在水化之前达到最紧密堆积状态，加速胶凝体系整体水化反应过程并提高水化产物的密实程度，最终提高胶凝材料整体强度，从而满足了大掺量工业废渣作为水泥混合材使用，且保证水泥强度等级不降低这一要求；工业废渣掺量可达70％-80％。
优点：
1)水泥熟料取代率高，同时水泥强度不降低：工业废渣作为水泥混合材取代70％水泥熟料时，可制得PC52.5水泥，当取代80％水泥熟料时，可制得PC42.5水泥。而其他硅酸盐水泥，如普通硅酸盐水泥，混合材掺量为5％-20％，复合硅酸盐水泥，混合材掺量为20％-50％。当混合材含量继续提高，水泥强度急剧下降。
2)材料制备工艺简单：水泥熟料仅需磨至一定细度标准即可，工业废渣按一定比例称量，同时加入一定量化学激发剂，磨至一定细度标准即可，无需特殊工艺，仅需对现有水泥生产磨制工艺进行调整即可。
3)生产工艺简单易行：将制备好的水泥熟料和工业废渣按按一定比例混合均匀后，即可得到水泥成品，通过控制水泥熟料和工业废渣的比例可配置不同强度等级的水泥，其生产工艺简单、方便，有利于工业化生产和推广应用。
4)原材料成本低廉：该水泥中主要原料为工业废渣、粉煤灰和矿渣，同时无需高温煅烧，其成本较水泥熟料生产低廉许多。
5)良好的施工性能及耐久性能：利用该方法生产的水泥各龄期强度等同或高于同等级普通硅酸盐水泥，并具有水化热低(可配制大体积混凝土)，早期强度高、后期强度增进率大等各项优良的施工性能，同时所配制的混凝土等水泥基材料具有抗渗、抗硫酸盐侵蚀、抗化学侵蚀能力强等各项优良的耐久性能。
6)显著的经济效益、环境效益和社会效益：利用工业废渣大量替代水泥熟料，能够减缓水泥工业中对粘土和石灰石泥等不可再生资源的过快消耗，将工业废渣变废为宝，逐步消除工业废渣带来的种种环境污染问题。本发明的所制得的大掺量工业废渣硅酸盐水泥成本低廉，经计算，每吨水泥造价可降低20％-30％。2014年我国水泥产量24.76亿吨，而与此同时粉煤灰产量约5.5亿吨，矿渣产量约1.2亿吨，如果每年有2～3亿吨的工业废渣用于替代水泥熟料生成硅酸盐水泥，其所产生的经济效益、环境效益和社会效益将无法估量。
优点：采用粉体工程中的最紧密堆积理论，将水泥熟料颗粒磨细后，利用较细的水泥熟料颗粒密实填充在混合材颗粒间隙中，使胶凝体系整体在水化之前达到最紧密堆积状态，加速胶凝体系整体水化反应过程并提高水化产物的密实程度，最终提高胶凝材料整体强度，从而满足了大掺量工业废渣作为水泥混合材使用(工业废渣掺量可达70％-80％)且保证原水泥强度等级不降低这一要求。利用工业废渣大量替代水泥熟料，能够减缓水泥工业中对粘土和石灰石泥等不可再生资源的过快消耗，将工业废渣变废为宝，提高工业废渣利用率，逐步消除工业废渣带来的种种环境污染问题，不仅保护了生态环境，同时具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。
具体实施方式
制备方法是在普通硅酸盐水泥生产技术的基础上，将水泥熟料颗粒磨细后，将水泥熟料+5％二水石膏粉磨超细制得超细水泥，利用较细的水泥熟料颗粒密实填充在混合材颗粒间隙中，使胶凝体系整体在水化之前达到最紧密堆积状态，加速胶凝体系整体水化反应过程并提高水化产物的密实程度，提高胶凝材料整体强度，然后将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％-80％的超细水泥，大掺量工业废渣作为水泥混合材使用，混合均匀后即得该种水泥，该水泥其强度等级等同或高于原硅酸盐水泥强度等级。
制备过程包括：两磨一混，即磨制超细水泥、磨制活性工业废渣和混料工艺，具体方法过程如下：
(1)磨制超细水泥：利用球磨机将普通水泥熟料+5％二水石膏磨细制备而成，其基本要求是粒径分布区间X10≤0.8μm，X50≤2μm，X90≤6μm，Xav≤3μm；其中X10为材料颗粒群的粒径分布为10％时的粒径，即小于此粒径的颗粒体积占总体积的10％，X50和X90与X10同理；Xav为颗粒的平均粒径；
(2)活化工业废渣制备：按照粉煤灰：20-60％、矿渣：30-70％、元明粉：2-3％和高强石膏(α-CaSO4·0.5H2O)：4-8％混合磨细制备化学活化的工业废渣，其粉磨细度要求是比表面积350-450m2/kg，0.08mm筛余量不大于3％；
(3)混料工艺：将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％-80％的超细水泥，混合均匀即得该种水泥；当工业废渣取代率为70％时，即70％工业废渣+30％水泥熟料混合均匀后，可制的PC52.5水泥，当工业废渣取代率为80％时，即80％工业废渣+20％水泥熟料混合均匀后，可制的PC42.5水泥，且其它各项性能指标均满足国家GB175-2007通用硅酸盐水泥标准。
所述的二水石膏为天然二水石膏或脱硫石膏；所述的粉煤灰为以煤为燃料的火力发电厂排放的Ⅲ级及以下低品位粉煤灰；所述的矿渣为高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的粒化高炉矿渣；所述的元明粉为工业级的无水硫酸钠；所述的高强石膏为α-CaSO4.1/2H2O，系α型半水石膏。
实施例1：选用中国建材联合集团徐州淮海分公司生产的水泥熟料+5％的天然二水石膏粉磨超细制得超细水泥，然后将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％-80％的超细水泥，混合均匀后即得。
制备过程包括：两磨一混，即磨制超细水泥、磨制活性工业废渣和混料工艺，具体方法过程如下：
(1)磨制超细水泥：利用行星式球磨机将硅酸盐水泥熟料+5％二水石膏粉磨50分钟制得超细水泥，测其粒径分布区间为X10＝0.6μm，X50＝1.5μm，X90＝4.8μm，Xav＝2.3μm。
(2)活化工业废渣制备：按照粉煤灰：60％、矿渣：30％、元明粉：3％和高强石膏：7％的质量比，利用行星式球磨机混合磨细30分钟制得化学活化的工业废渣，测其比表面积440m2/kg，0.08mm筛余量2.2％。
(3)混料工艺：分别将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％和80％的超细水泥，混合均匀即得产品，测其物理力学性能如表1所示。
所述的二水石膏为天然二水石膏或脱硫石膏；所述的粉煤灰为以煤为燃料的火力发电厂排放的Ⅲ级及以下低品位粉煤灰；所述的矿渣为高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的粒化高炉矿渣；所述的元明粉为工业级的无水硫酸钠；所述的高强石膏为α-CaSO4.1/2H2O，系α型半水石膏。
表1大掺量工业废渣硅酸盐水泥的物理力学性能
实施例2：选用中国建材联合集团徐州淮海分公司生产的水泥熟料+5％的天然二水石膏粉磨超细制得超细水泥，然后将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％-80％的超细水泥，混合均匀后即得。
制备过程包括：两磨一混，即磨制超细水泥、磨制活性工业废渣和混料工艺，具体方法过程如下：
(1)磨制超细水泥：利用行星式球磨机将硅酸盐水泥熟料+5％二水石膏粉磨50分钟制得超细水泥，测其粒径分布区间为X10＝0.6μm，X50＝1.5μm，X90＝4.8μm，Xav＝2.3μm。
(2)活化工业废渣制备：按照粉煤灰：40％、矿渣：50％、元明粉：3％和高强石膏：7％的质量比，利用行星式球磨机混合磨细30分钟制得化学活化的工业废渣，测其比表面积420m2/kg，0.08mm筛余量1.9％。
(3)混料工艺：分别将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％和80％的超细水泥，混合均匀即得产品，测其物理力学性能如表2所示。
所述的二水石膏为天然二水石膏或脱硫石膏；所述的粉煤灰为以煤为燃料的火力发电厂排放的Ⅲ级及以下低品位粉煤灰；所述的矿渣为高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的粒化高炉矿渣；所述的元明粉为工业级的无水硫酸钠；所述的高强石膏为α-CaSO4.1/2H2O，系α型半水石膏。
表2大掺量工业废渣硅酸盐水泥的物理力学性能
实施例3：选用中国建材联合集团徐州淮海分公司生产的水泥熟料+5％的天然二水石膏粉磨超细制得超细水泥，然后将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％-80％的超细水泥，混合均匀后即得。
制备过程包括：两磨一混，即磨制超细水泥、磨制活性工业废渣和混料工艺，具体方法过程如下：
(1)磨制超细水泥：利用行星式球磨机将硅酸盐水泥熟料+5％二水石膏粉磨50分钟制得超细水泥，测其粒径分布区间为X10＝0.6μm，X50＝1.5μm，X90＝4.8μm，Xav＝2.3μm。
(2)活化工业废渣制备：按照粉煤灰：20％、矿渣：70％、元明粉：3％和高强石膏：7％的质量比，利用行星式球磨机混合磨细30分钟制得化学活化的工业废渣，测其比表面积435m2/kg，0.08mm筛余量1.8％。
(3)混料工艺：分别将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％和80％的超细水泥，混合均匀即得产品，测其物理力学性能如表3所示。
所述的二水石膏为天然二水石膏或脱硫石膏；所述的粉煤灰为以煤为燃料的火力发电厂排放的Ⅲ级及以下低品位粉煤灰；所述的矿渣为高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的粒化高炉矿渣；所述的元明粉为工业级的无水硫酸钠；所述的高强石膏为α-CaSO4.1/2H2O，系α型半水石膏。
表3大掺量工业废渣硅酸盐水泥的物理力学性能

Claims (2)

1.一种大掺量工业废渣硅酸盐水泥的制备方法，其特征是：制备方法是在普通硅酸盐水泥生产技术的基础上，将水泥熟料颗粒磨细后，将水泥熟料+5％二水石膏粉磨超细制得超细水泥，利用较细的水泥熟料颗粒密实填充在混合材颗粒间隙中，使胶凝体系整体在水化之前达到最紧密堆积状态，加速胶凝体系整体水化反应过程并提高水化产物的密实程度，提高胶凝材料整体强度，然后将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％-80％的超细水泥，大掺量工业废渣作为水泥混合材使用，混合均匀后即得该种水泥，该水泥其强度等级等同或高于原硅酸盐水泥强度等级；
制备过程包括：两磨一混，即磨制超细水泥、磨制活性工业废渣和混料工艺，具体方法过程如下：
(1)磨制超细水泥：利用球磨机将普通水泥熟料+5％二水石膏磨细制备而成，其基本要求是粒径分布区间X10≤0.8μm，X50≤2μm，X90≤6μm，Xav≤3μm；其中X10为材料颗粒群的粒径分布为10％时的粒径，即小于此粒径的颗粒体积占总体积的10％，X50和X90与X10同理；Xav为颗粒的平均粒径；
(2)活化工业废渣制备：按照粉煤灰：20-60％、矿渣：30-70％、元明粉：3％和高强石膏：6％混合磨细制备化学活化的工业废渣，其粉磨细度要求是比表面积350-450m2/kg，0.08mm筛余量不大于3％；
(3)混料工艺：将化学活化的工业废渣作为混合材等量取代70％-80％的超细水泥，混合均匀即得该种水泥。当工业废渣取代率为70％时，即70％工业废渣+30％水泥熟料混合均匀后，可制的PC52.5水泥，当当工业废渣取代率为80％时，即80％工业废渣+20％水泥熟料混合均匀后，可制的PC42.5水泥，且其它各项性能指标均满足国家GB175-2007通用硅酸盐水泥标准。
2.根据权利要求1所述的一种大掺量工业废渣硅酸盐水泥的制备方法，其特征是：所述的二水石膏为天然二水石膏或脱硫石膏；所述的粉煤灰为以煤为燃料的火力发电厂排放的Ⅲ级及以下低品位粉煤灰；所述的矿渣为高炉冶炼生铁时，所得以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后的粒化高炉矿渣；所述的元明粉为工业级的无水硫酸钠；所述的高强石膏为α-CaSO4.1/2H2O，系α型半水石膏。
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