CN107651872B - 一种水泥早强剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水泥早强剂及制备方法，属于水泥外加剂制备技术领域。本发明将粘土或工业固体废弃物、硫酸混合均匀并造球，加水，自然熟化24h以上，然后在温度为350～550℃条件下高温处理2～8h，磨粉即得水泥早强剂，其中以质量百分数计，粘土或工业固体废弃物中SiO2的含量大于55％、Al2O3的含量小于30％。本发明的水泥早强剂具有原料来源广、制备工艺简单，可用工业固废作原料，成本低、早强效果好等特点。

Description

一种水泥早强剂及制备方法
技术领域
本发明涉及一种水泥早强剂及制备方法，属于水泥外加剂制备技术领域。
背景技术
早强剂是水泥及水泥制品的外加剂之一，能提高水泥及水泥基制品的早期强度，并且对后期强度无显著影响的外加剂。其作用机理是通过加速水泥水化速度，提供水泥胶结组份，从而促进水泥及制品早期强度，既具有早强功能，又具有一定减水增强功能。到目前为止，人们已先后开发除氯盐和硫酸盐以外的多种早强型外加剂，如亚硝酸盐，铬酸盐等，以及有机物早强剂，如三乙醇胺、甲酸钙、尿素等，但大多存在制备工艺复杂、成本高、环境适应性差等问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种水泥早强剂及制备方法，通过促进水泥水化反应和固化胶结物提高水泥及制品早期强度，达到缩短工期目的。
一种水泥早强剂的制备方法：将粘土或工业固体废弃物、硫酸混合均匀并造球，加水，自然熟化24h以上，然后在温度为350～550℃条件下高温处理2～8h，磨粉即得水泥早强剂，其中以质量百分数计，粘土或工业固体废弃物中SiO2的含量大于55％、Al2O3的含量小于30％；
所述粘土为高岭土、膨润土、伊利石黏土的一种或多种；
所述工业固废弃物为煤矸石、铝土矿选尾矿或赤泥；
所述粘土或工业固体废弃物与硫酸的质量比为100:(5～20)；
所述硫酸为市售浓硫酸；
本发明的另一目的是提供所述水泥早强剂的制备方法所制备的水泥早强剂。
水泥是通过水泥矿物中C3S、C2S、C3A和铁相固溶体即C3AF的水化反应物而产生强度，其早期强度主要取决于硅酸三钙的水化，而后期强度则由硅酸二钙提供，亦即说明水泥制品强度主要取决于水化硅酸钙产物。本发明制备的早强剂其主要成分为活性氧化硅、铝、铁、钙、碱金属等硫酸盐组成，当其掺入水泥后，在水泥水化形成的碱性体系中，一方面活性氧化硅与氢氧化钙反应形成水合硅酸钙，为水泥制品提供强度的同时促进水化反应的进行；另一方面，铝、铁硫酸盐固水解而释放出铝、铁胶体，可填充水泥制品的微孔，增加水泥制品致密性，并有利于钙矾石的形成，从而提高早期强度；其次，早强剂中的硫酸盐同时还可促进水泥水化反应的进行，亦能提高水泥及其水泥制品早期强度。
本发明的有益效果：
(1)本发明方法的工艺简单，绿色环保，原料来源方便，并可用工业废弃物如煤矸石、铝土矿选尾矿、赤泥作原料，有利于进一步提高这类工业固废的资源化利用率；
(2)与现有水泥早强剂相比，本发明制备的早强剂通过强化水泥水化过程、提高水泥制品致密性来提高水泥早期强度，增强效果明显；
(3)本发明制备的早强剂不含氯离子，水泥制品不泛霜。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
对比例：水泥标准胶砂试件制备：购置市售水泥，采用水泥标准胶砂试验制备水泥试件，作为对比参照基准，结果如表1所示：
表1市购325#、425#水泥标准胶砂实验结果表
Figure BDA0001380046260000021
从表1中可知，水泥标准胶砂试件采用325#水泥时，初凝时间为155min，终凝时间为360min；3天的平均抗折强度为2.56MPa，平均抗压强度为11.56MPa；28天的平均抗折强度为3.67MPa，平均抗压强度为33.42MPa；
水泥标准胶砂试件采用425#水泥时，初凝时间为145min，终凝时间为340min；3天的平均抗折强度为3.67MPa，平均抗压强度为17.20MPa；28天的平均抗折强度为6.62MPa，平均抗压强度为43.12MPa。
实施例1：本实施例中采用煤矸石作为工业废弃物，其灰份组成及灼失量如表2所示，
表2实施例煤矸石灰份化学组成表
Figure BDA0001380046260000022
Figure BDA0001380046260000031
水泥早强剂的制备方法：工业固体废弃物(煤矸石)经破碎、干燥、磨粉、过筛等处理后加入硫酸，混合均匀并造球，加水，自然熟化28h，然后在温度为450℃条件下高温处理4h，磨粉即得水泥早强剂，其中以质量百分数计，工业固体废弃物(煤矸石)中SiO2的含量为57.1％、Al2O3的含量小于23.67％，工业固体废弃物(煤矸石)与硫酸的质量比为100:10，水的添加量为工业固体废弃物(煤矸石)质量的16.7％；
水泥早强剂比表面积为482m2/kg，pH值为4.6，用本实施例1.5％(水泥质量)的早强剂等量替换对比例中相应标号水泥，按标准胶砂实验制备和养护试件，结果如表3所示，
表3以煤矸石为原料制备的早强剂胶砂实验结果表
Figure BDA0001380046260000032
从表3可知，添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用325#水泥时，初凝时间为140min，终凝时间为335min；3天的平均抗折强度为3.03MPa，与对比例中采用325#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比18.32％，平均抗压强度为11.56MPa，增比20.13％；28天的平均抗折强度为4.11MPa，增比12.03％，平均抗压强度为34.94MPa，增比4.56％；
添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用425#水泥时，初凝时间为125min，终凝时间为310min；3天的平均抗折强度为4.25MPa，与对比例中采用425#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比15.78％，平均抗压强度为20.22MPa，增比17.56％；28天的平均抗折强度为7.54MPa，增比13.15％，平均抗压强度为45.50MPa，增比5.52％。
实施例2：本实施例中采用膨润土作为粘土，干燥后其成分及灼失量如表4所示，
表4实施例粘土干燥基化学组成表
干燥基组成 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TFe CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O 灼失
含量(％) 76.85 15.62 1.20 1.35 0.25 0.52 1.91 4.35
水泥早强剂的制备方法：粘土(膨润土)经干燥、磨粉、过筛等处理后加入硫酸，混合均匀并造球，加水，自然熟化48h，然后在温度为350℃条件下高温处理8h，磨粉即得水泥早强剂，其中以质量百分数计，粘土(膨润土)中SiO2的含量为76.85％、Al2O3的含量为15.62％，粘土(膨润土)与硫酸的质量比为100:5，水的添加量为粘土(膨润土)质量的21.0％；
水泥早强剂比表面积为608m2/kg，pH值为5.2，用本实施例3.0％(水泥质量)的早强剂等量替换对比例中相应标号水泥，按标准胶砂实验制备和养护试件，结果如表5所示，
表5以粘土为原料制备的早强剂胶砂实验结果表
Figure BDA0001380046260000041
从表5可知，添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用325#水泥时，初凝时间为135min，终凝时间为300min；3天的平均抗折强度为3.20MPa，与对比例中采用325#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比25.15％，平均抗压强度为14.46MPa，增比25.12％；28天的平均抗折强度为4.52MPa，增比23.50％，平均抗压强度为40.65MPa，增比21.62％；
添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用425#水泥时，初凝时间为115min，终凝时间为275min；3天的平均抗折强度为4.54MPa，与对比例中采用425#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比23.65％，平均抗压强度为21.02MPa，增比22.21％；28天的平均抗折强度为7.92MPa，增比19.65％，平均抗压强度为50.16MPa，增比16.32％。
实施例3：本实施例中采用赤泥作为工业固废弃物，干燥后其成分及灼失量如表6所示，
表6实施例干燥基赤泥化学组成表
干燥基组成 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TFe CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O 灼失
含量(％) 55.62 28.35 3.25 0.78 0.23 0.42 2.02 3.65
水泥早强剂的制备方法：工业固废弃物(赤泥)经干燥、磨粉、过筛等处理后加入硫酸，混合均匀并造球，加水，自然熟化36h，然后在温度为550℃条件下高温处理2h，磨粉即得水泥早强剂，其中以质量百分数计，工业固废弃物(赤泥)中SiO2的含量为55.62％、Al2O3的含量为28.35％，工业固废弃物(赤泥)与硫酸的质量比为100:20，水的添加量为工业固废弃物(赤泥)质量的15.2％；
水泥早强剂比表面积为580m2/kg，pH值为5.6，用本实施例2.5％(水泥质量)的早强剂等量替换对比例中相应标号水泥，按标准胶砂实验制备和养护试件，结果如表7所示，
表7以赤泥为原料制备的早强剂胶砂实验结果表
Figure BDA0001380046260000051
从表7可知，添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用325#水泥时，初凝时间为130min，终凝时间为310min；3天的平均抗折强度为2.88MPa，与对比例中采用325#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比12.35％，平均抗压强度为13.09MPa，增比13.24％；28天的平均抗折强度为4.16MPa，增比13.26％，平均抗压强度为37.60MPa，增比12.52％；
添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用425#水泥时，初凝时间为110min，终凝时间为280min；3天的平均抗折强度为4.12MPa，与对比例中采用425#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比12.20％，平均抗压强度为19.57MPa，增比13.78％；28天的平均抗折强度为7.58MPa，增比14.52％，平均抗压强度为49.27MPa，增比14.26％。
实施例4：本实施例中采用铝土矿选尾矿作为工业固废弃物，干燥后其成分及灼失量如表8所示，
表8实施例铝土矿选尾矿化学组成表
干燥基组成 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TFe CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O 灼失
含量(％) 58.50 29.45 4.25 1.78 0.23 0.32 0.85 3.65
水泥早强剂的制备方法：工业固废弃物(铝土矿选尾矿)经干燥、磨粉、过筛等处理后加入硫酸，混合均匀并造球，加水，自然熟化48h，然后在温度为500℃条件下高温处理4h，磨粉即得水泥早强剂，其中以质量百分数计，工业固废弃物(铝土矿选尾矿)中SiO2的含量为58.50％、Al2O3的含量为29.45％，工业固废弃物(铝土矿选尾矿)与硫酸的质量比为100:15，水的添加量为工业固废弃物(铝土矿选尾矿)质量的16％；
水泥早强剂比表面积为565m2/kg，pH值为5.2，用本实施例1.5％(水泥质量)的早强剂等量替换对比例中相应标号水泥，按标准胶砂实验制备和养护试件，结果如表9所示，
表9以铝土矿选尾矿为原料制备的早强剂胶砂实验结果表
Figure BDA0001380046260000061
从表9可知，添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用325#水泥时，初凝时间为130min，终凝时间为310min；3天的平均抗折强度为2.94MPa，与对比例中采用325#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比14.84％，平均抗压强度为13.15MPa，增比13.75％；28天的平均抗折强度为4.18MPa，增比13.90％，平均抗压强度为38.24MPa，增比14.42％；
添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用425#水泥时，初凝时间为110min，终凝时间为280min；3天的平均抗折强度为4.22MPa，与对比例中采用425#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比14.99％，平均抗压强度为19.32MPa，增比12.32％；28天的平均抗折强度为7.45MPa，增比12.54％，平均抗压强度为49.68MPa，增比15.21％。
实施例5：本实施例中采用高岭土作为粘土，干燥后其成分及灼失量如表10所示，
表10实施例高岭土干燥基化学组成表
干燥基组成 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TFe CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O 灼失
含量(％) 67.23 18.20 3.45 4.36 1.20 0.45 0.42 3.65
水泥早强剂的制备方法：粘土(高岭土)经干燥、磨粉、过筛等处理后加入硫酸，混合均匀并造球，加水，自然熟化48h，然后在温度为550℃条件下高温处理4h，磨粉即得水泥早强剂，其中以质量百分数计，粘土(高岭土)中SiO2的含量为67.23％、Al2O3的含量为18.20％，粘土(高岭土)与硫酸的质量比为100:7，水的添加量为粘土(高岭土)质量的21.0％；
水泥早强剂比表面积为653m2/kg，pH值为5.4，用本实施例2.0％(水泥质量)的早强剂等量替换对比例中相应标号水泥，按标准胶砂实验制备和养护试件，结果如表11所示，
表11
Figure BDA0001380046260000071
从表11可知，添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用325#水泥时，初凝时间为135min，终凝时间为355min；3天的平均抗折强度为3.96MPa，与对比例中采用325#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比11.2％，平均抗压强度为12.99MPa，增比12.35％；28天的平均抗折强度为4.00MPa，增比9.00％，平均抗压强度为36.29MPa，增比8.58％；
添加本实施例的早强剂，水泥标准胶砂试件采用425#水泥时，初凝时间为125min，终凝时间为305min；3天的平均抗折强度为4.02MPa，与对比例中采用425#水泥制备的水泥标准胶砂试件增比9.45％，平均抗压强度为18.74MPa，增比9.21％；28天的平均抗折强度为7.17MPa，增比8.26％，平均抗压强度为45.82MPa，增比6.25％。

Claims (5)

1.一种水泥早强剂的制备方法，其特征在于：将粘土或工业固体废弃物、硫酸混合均匀并造球，加水，自然熟化24h以上，然后在温度为350~550℃条件下高温处理2~8h，磨粉即得水泥早强剂，其中以质量百分数计，粘土或工业固体废弃物中SiO2的含量大于55%、Al2O3的含量小于30%。
2.根据权利要求1所述水泥早强剂的制备方法，其特征在于：粘土为高岭土、膨润土、伊利石黏土的一种或多种。
3.根据权利要求1所述水泥早强剂的制备方法，其特征在于：工业固体 废弃物为煤矸石、铝土矿选尾矿或赤泥。
4.根据权利要求1所述水泥早强剂的制备方法，其特征在于：粘土或工业固体废弃物与硫酸的质量比为100:(5~20)。
5.权利要求1~4任一项所述水泥早强剂的制备方法所制备的水泥早强剂。
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