CN106542751A - 一种抗硫酸盐水泥及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用可再生资源贝壳、球土、硬石膏制备低能耗抗硫酸盐水泥的方法。抗硫酸盐水泥配方是质量分数30‑32%贝壳石灰粉，质量分数50‑52%煅烧球土，质量分数18‑20%硬石膏。制备方法是将贝壳煅烧、粉磨制备贝壳石灰粉，球土粉磨、煅烧制备煅烧球土，硬石膏破碎、粉磨制备粉体。优点：利用可再生资源贝壳、球土、硬石膏，生产抗硫酸盐水泥，具有利废、节能、多功能特点的生态型水泥。
Description
技术领域
本发明属于利用废弃物生产建筑材料新技术，具体涉及一种抗硫酸盐水泥的配方和制备方法。
背景技术
抗硫酸盐硅酸盐水泥是以适当成分的生料，烧制部分熔融，所得以硅酸钙为主的特定矿物组成的熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有一定抗硫酸盐侵蚀性能的水硬性胶凝材料。
抗硫酸盐硅酸盐水泥采用燃流技术方法生产，以天然石灰石为原料，制备工艺复杂，熟料煅烧温度高达1450℃、易磨性差，CO2、粉尘排放量大。资源、能源消耗高，与环境不协调。水泥石中的Ca(OH)2、高碱性结晶形态发育良好的C-S-H凝胶 、水化铝酸钙是引起破坏的内在因素。水泥的抗硫酸盐性在很大程度上决定于水泥熟料矿物组成及其相对含量。抗硫酸盐硅酸盐水泥由于具有低C3S和C3A的特点，这种水泥早期强度较低，后期强度递进率高的特点。在实际工程中应用，水泥水化早期水泥石结构不密实，孔隙率高，渗透性大。强烈碳化条件下，钙矾石要进一步转化为碳硫硅钙石，产生膨胀应力。
海产品加工产生大量牡蛎壳、扇贝、贻贝等贝壳，主要成分是CaCO3，可以替代天然石灰石作为生产水泥的原料。其优点表现为：贝壳来自海洋，具有生物陶瓷的微观结构，抗硫酸盐腐蚀。含钙量高，性能稳定，在沿海地区，来源广泛。贝壳煅烧生成CaO，分解温度低，孔隙率大，吸附性好，生物活性高，并能产生杀菌和抑菌效果。
球土主要成分是Al2O3和SiO2 ，和高岭土比较，物美价廉，材质软，粉磨能耗低。煅烧脱水，结构发生变化，具有高火山活性，水化速度快。
天然硬石膏主要由无水硫酸钙（CaSO4）组成。我国硬石膏资源丰富，由于单独水化非常慢，影响其推广应用。但在适宜硫酸盐或碱性活化剂作用下，水化硬化能力增强，凝结时间缩短，强度提高。 由于天然二水石膏资源短缺，价格高，开发利用硬石膏资源是一个解决石膏荒的途径。
现有文献中，贝壳基生态复合白水泥制备及性能研究,建筑材料学报;2012（5）,提供了一种白水泥的配方、制备方法和性能。碳硫硅钙石和钙矾石的稳定性，硅酸盐学报，2016（2）,提供了一种采用化学方法合成出纯的碳硫硅钙石在碳酸钠或氯化钡溶液中的稳定性、热分解稳定性和碳化稳定性均明显高于钙矾石。 更多还原外源性硫酸盐对碳硫硅钙石生成影响研究， 烟台大学学报 2014（2）,提供了一种对水泥净浆的碳硫硅钙石侵蚀而言,硫酸镁溶液明显比硫酸钠和硫酸铝溶液显著。发明专利一种白水泥的生产方法(ZL2011 1 0054811.6) 提供了一种白水泥的配方及其制备方法。
包括上述文献在内的现有技术，存在如下不足：
1、理论上探讨低温硫酸盐环境水泥石形成碳硫硅钙石侵蚀性破坏的环境条件、原理、稳定性和技术途径。
2、试验原料以高能耗的硅酸盐水泥为原料，水泥熟料中C3S、 C3A、C4AF高，水泥的耐蚀性差。C3S在水化时要析出20-25%的Ca(OH)2 是造成侵蚀的一个主要因素。提高抗侵蚀的途径是在水泥中掺入粉煤灰、矿渣、石灰石、外加剂等材料，降低体系中Ca(OH)2。但在工程应用中出现水泥性能发生变化，早期强度低，结构不密实。受到碳酸盐侵蚀，强烈碳化情况下，钙矾石要进一步转化为碳硫硅钙石，降低抗腐蚀性能，结构体破坏。
3、目前没有一个在各种复杂硫酸盐和强烈碳化环境下使用的低能耗、多功能、生态型水泥产品。
发明内容
本发明的目的是生产低能耗抗硫酸盐水泥的方法。 低能耗抗硫酸盐水泥是以贝壳、球土、硬石膏通过复配技术生产的无熟料水泥。贝壳煅烧提供CaO、球土煅烧提供Al2O3和SiO2，硬石膏提供CaSO4。水泥石结构形成是通过[SiO4]和[AlO4]四面体随机分布的三维网络结构，以低碱度、水中稳定存在相、无定型C-S-H凝胶为主要产物。资源、能源消耗低，强度高、硬化快，耐酸碱腐蚀性优良，渗透率低，低膨胀率，耐高温和低导热率，抗菌和抑菌功效。和采用传统方法生产的水泥所不具备的多功能特点。因此低能耗抗硫酸盐水泥是新型胶凝材料，广泛适合在复杂硫酸盐环境下使用。
本发明的方案如下：一种抗硫酸盐水泥，由下述重量配比的原料制成：贝壳石灰粉30-32份；煅烧球土50-52份；硬石膏18-20份。
一种抗硫酸盐水泥，由下述重量配比的原料制成：贝壳石灰粉30份；煅烧球土52份；硬石膏18份。
性能指标：3d 抗压强度24.7 MPa，28d 抗压强度61.6 MPa，14d线膨胀率0.013%。
试件在5℃环境下浸泡质量浓度5%硫酸镁溶液1186d，试件没有破坏。
前面所述的抗硫酸盐水泥的生产方法，
步骤1：贝壳石灰粉的制备。将牡蛎壳、扇贝放到高温炉煅烧，保温，冷却至室温，取出，粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤2：煅烧球土的制备。将球土粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%，高温炉煅烧，保温，冷却至室温，取出；
步骤3：硬石膏粉体制备。将硬石膏破碎、粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤4：将贝壳石灰粉、煅烧球土、硬石膏粉体按重量配比混合均匀即为抗硫酸盐水泥。
前面所述的生产方法，优选的方案在于：步骤1：高温炉煅烧900-940℃（优选的，高温炉煅烧920℃）。
前面所述的生产方法，优选的方案在于：步骤1：保温1.5-2.5h（优选的，保温2h）。
前面所述的生产方法，优选的方案在于：步骤2：高温炉煅烧850-900℃（优选的，高温炉煅烧880℃）。
前面所述的生产方法，优选的方案在于：步骤2：保温1.5-2.5h（优选的，保温2h）。
本发明公开了一种利用可再生资源贝壳、球土、硬石膏制备抗硫酸盐水泥的方法。抗硫酸盐水泥配方是质量分数 30-32%贝壳石灰粉，质量分数 50-52%煅烧球土，质量分数18-20%硬石膏。制备方法是将贝壳煅烧、粉磨制备贝壳石灰粉，球土粉磨、煅烧制备煅烧球土，硬石膏破碎、粉磨制备粉体。优点：利用可再生资源贝壳、球土、硬石膏，生产抗硫酸盐水泥，具有利废、节能、多功能特点的生态型水泥。
附图说明
图1是试件浸泡5%MgSO4溶液外观形态。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的方案。
实施例1一种抗硫酸盐水泥，由下述重量配比的原料制成：贝壳石灰粉32份；煅烧球土50份；硬石膏18份。
所述的抗硫酸盐水泥的生产方法：
步骤1：贝壳石灰粉的制备。将牡蛎壳、扇贝放到高温炉煅烧900-940℃，保温1.5-2.5h，冷却至室温，取出，粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤2：煅烧球土的制备。将球土粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%，高温炉煅烧850-900℃，保温1.5-2.5h，冷却至室温，取出；
步骤3：硬石膏粉体制备。将硬石膏破碎、粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤4：按重量配比将贝壳石灰粉32份、煅烧球土50份、硬石膏粉体18份混合均匀即为抗硫酸盐水泥。
实施例2一种抗硫酸盐水泥，由下述重量配比的原料制成：贝壳石灰粉30份；煅烧球土52份；硬石膏18份。
前面所述的抗硫酸盐水泥的生产方法，
步骤1：贝壳石灰粉的制备。将牡蛎壳、扇贝放到高温炉煅烧900-940℃，保温1.5-2.5h，冷却至室温，取出，粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤2：煅烧球土的制备。将球土粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%，高温炉煅烧850-900℃，保温1.5-2.5h，冷却至室温，取出；
步骤3：硬石膏粉体制备。将硬石膏破碎、粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤4：按重量配比将贝壳石灰粉30份、煅烧球土52份、硬石膏粉体18份混合均匀即为抗硫酸盐水泥。
性能指标：3d 抗压强度24.7 MPa，28d 抗压强度61.6MPa，14d线膨胀率0.013%。
试件在5℃环境下浸泡质量浓度5%硫酸镁溶液1186d，试件没有破坏。
实施例3一种抗硫酸盐水泥，由下述重量配比的原料制成：贝壳石灰粉30份；煅烧球土50份；硬石膏20份。
步骤1：贝壳石灰粉的制备。将牡蛎壳、扇贝放到高温炉煅烧900-940℃，保温1.5-2.5h，冷却至室温，取出，粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤2：煅烧球土的制备。将球土粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%，高温炉煅烧850-900℃，保温1.5-2.5h，冷却至室温，取出；
步骤3：硬石膏粉体制备。将硬石膏破碎、粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤4：按重量配比将贝壳石灰粉30份、煅烧球土50份、硬石膏粉体20份混合均匀即为抗硫酸盐水泥。
实施例4 一种抗硫酸盐水泥，由下述重量配比的原料制成：贝壳石灰粉30份；煅烧球土52份；硬石膏18份。
所述的抗硫酸盐水泥的生产方法：
步骤1：贝壳石灰粉的制备。将牡蛎壳、扇贝放到高温炉煅烧900-940℃，保温1.5-2.5h，冷却至室温，取出，粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
表1 贝壳粉煅烧温度对低能耗抗硫酸盐水泥强度影响
表1说明，贝壳粉煅烧温度1000℃，水泥28d强度53.7MPa，煅烧温度800℃，标准稠度用水量大，水泥强度低。煅烧温度920℃，水泥3d强度24.7MPa，28d强度61.6MPa。
保温时间短，贝壳粉分解形成生石灰不完全。保温时间长，产生过火石灰。最终影响水泥强度。控制粉磨细度，过细会导致早期强度高，后期强度倒缩。细度粗，影响水泥水化和早期强度。因此最佳工艺参数是煅烧温度920℃，保温时间2.0h，贝壳石灰粉磨细度0.08mm方孔筛筛余<3%。
步骤2：煅烧球土的制备。将球土粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%，高温炉煅烧850-900℃，保温1.5-2.5h，冷却至室温，取出；
表2 球土煅烧温度对低能耗抗硫酸盐水泥性能影响
表2说明，煅烧温度低400℃，火山活性低。煅烧温度1000℃，28d强度42.5MPa。煅烧温度880℃，保温2h，低能耗抗硫酸盐水泥14d线膨胀率0.013% ，强度最高。
步骤3：硬石膏粉体制备。将硬石膏破碎、粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
表3硬石膏细度对低能耗抗硫酸盐水泥性能影响
表3说明，细度控制0.08mm方孔筛筛<3%，28d强度高。若粉磨过细，粉磨能耗高，不经济。
实验例：
1原材料：粉煤灰取自清泉热电集团。化学成分见表4。
硬石膏取自枣庄矿业集团。破碎、粉磨制备粉体，细度控制0.08mm方孔筛筛2%。化学成分见表4。
扇贝、牡蛎壳取自烟台水产加工厂。清洁、煅烧、粉磨制备贝壳石灰。细度控制0.08mm方孔筛筛2%。贝壳化学成分见表4。
球土取自信益陶瓷有限公司。粉磨、煅烧制备粉体材料。细度控制0.08mm方孔筛筛2%。球土化学成分见表4。
厦门艾思欧生产中国标准 ISO砂。
42.5R普通硅酸盐水泥取自冀东水泥厂。水泥物理性能见表5。
42.5抗硫酸盐水泥取自海洋水泥厂。水泥物理性能见表5。
2 配合比设计
低能耗抗硫酸盐水泥配比为贝壳石灰粉：煅烧球土：硬石膏=30%：52%：18%。
水泥物理性能见表5。
掺20%粉煤灰的普通硅酸盐水泥配比为42.5R普通硅酸盐水泥：粉煤灰=80%：20%。
水泥物理性能见表5。
3试件制作：胶砂强度配合比是标准砂与水泥的质量比为3：1，水灰比为0.5。试件的尺寸为40×40×160mm。试件成型后放在相对湿度90%，温度（20±1）℃的水泥养护箱中养护24h，脱模后，放入水中养护至龄期进行强度测定。28d后再取出分别放入质量浓度5%MgSO4溶液中浸泡，密封置于（5±1）℃低温箱内，前6个月每2个月换一次溶液，以后每6个月更换一次。至规定龄期进行外观形态观察和性能测试。结果见表6、表7和图1。
表4 原材料的化学成分，%
表5 水泥物理性能指标
表5说明，与42.5抗硫酸盐水泥比，低能耗抗硫酸盐水泥线膨胀率低，凝结时间短，强度高。
表6 试件浸泡5%MgSO4溶液强度指标
表7试件浸泡5%MgSO4溶液外观形态
表6、表7和图1说明，掺20%粉煤灰的普通硅酸盐水泥浸泡5%MgSO4溶液，强度逐渐降低，365d出现脱皮，试件破坏，最终形成灰白色泥浆状物。抗硫酸盐水泥浸泡5%MgSO4溶液，强度逐渐降低，545d表面脱皮，棱角缺损，试件破坏，最终形成灰白色泥浆状物。低能耗抗硫酸盐水泥浸泡5%MgSO4溶液，1186d抗压强度高于28d强度 1.95%。试件完整，具有很强的抗腐蚀性能。
环境温度为（5±1）℃，浸泡5%MgSO4溶液，抗硫酸盐侵蚀性能：低能耗抗硫酸盐水泥 > 抗硫酸盐水泥 > 掺20%粉煤灰的42.5R普通硅酸盐水泥。
Claims (7)
1.一种抗硫酸盐水泥，其特征在于，由下述重量配比的原料制成：贝壳石灰粉30-32份；煅烧球土50-52份；硬石膏18-20份。
2.一种抗硫酸盐水泥，其特征在于，由下述重量配比的原料制成：贝壳石灰粉30份；煅烧球土52份；硬石膏18份。
3.根据权利要求1-2任一所述的抗硫酸盐水泥的生产方法，其特征在于：
步骤1：贝壳石灰粉的制备：将牡蛎壳、扇贝壳放到高温炉煅烧，保温，冷却至室温，取出，粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤2：煅烧球土的制备：将球土粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%，高温炉煅烧，保温，冷却至室温，取出；
步骤3：硬石膏粉体制备：将硬石膏破碎、粉磨至细度0.08mm方孔筛筛余<3%；
步骤4：将贝壳石灰粉、煅烧球土、硬石膏粉体按重量配比混合均匀即为抗硫酸盐水泥。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于：步骤1：高温炉煅烧温度为900-940℃（优选的，温度为920℃）。
5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于：步骤1：保温1.5-2.5h（优选的，保温2h）。
6.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于：步骤2：高温炉煅烧温度为850-900℃（优选的，温度为880℃）。
7.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于：步骤2：保温1.5-2.5h（优选的，保温2h）。
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