CN108455885B - 一种复合硅酸盐水泥及其制备方法与应用 - Google Patents

一种复合硅酸盐水泥及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种复合硅酸盐水泥及其制备方法与应用。所述的复合硅酸盐水泥，由如下按质量份计的原料组分制备得到：硅酸盐水泥熟料50～60份；粉煤灰20～40份；偏高岭土10～20份；污泥焚烧飞灰5～10份；激发剂1～3份；石膏2～4份。本发明提供的复合硅酸盐水泥含有粉煤灰、偏高岭土、污泥焚烧飞灰等多种具有火山灰活性的原料，具有较好的凝胶活性，粉煤灰、偏高岭土以及污泥焚烧飞灰中的SiO2与Al2O3能和水泥水化产物中的Ca(OH)2反应，产生水化硫铝酸钙及C‑S‑H凝胶，可降低水泥石中Ca(OH)2含量，使其抗硫酸盐腐蚀能力增强，同时可以大幅度降低水泥水化热以及水化放热温升。

Description

一种复合硅酸盐水泥及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种复合硅酸盐水泥及其制备方法与应用。
背景技术
水泥是一种由具有不同化学特性的矿物成分组成的随机分布的复合材料体系。普通硅酸盐水泥中主要有四种主要矿物成分：硅酸三钙3CaO·SiO2、硅酸二钙2CaO·SiO2、铁铝酸四钙4CaO·A12O3·Fe2O3和铝酸三钙3CaO·Al2O3。各矿物成分在与水混合后又会各自发生不同的化学反应，生成具有不同化学特点的水化产物。水化过程是一个非常复杂的多相化学反应过程，该过程与环境条件和各反应物的特性有关。水泥的水化过程会产生热量的释放并引起稠度变化、硬度变化、体积变化等现象，由最初的悬浮体经塑性体最终转化为坚固的硬化体。
随着我国经济的发展，水泥产业规模不断扩大，我国水泥总产量已连续二十多年居世界第一位。新型干法水泥生产线在行业中的比重越来越大，水泥生产的能力迅速增加，水泥企业竞争也日益激烈。如何降低生产成本，提高市场占有率，稳定提高经济效益已成为水泥企业的核心问题。
随着我国经济的高速增长，工业生产规模空前扩张，在满足大量生产资料需求的同时，产生了数量惊人的工业废渣。钢渣、铜渣、矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、磷石膏是冶金、火力发电厂和化工行业的废渣，价格低廉而且资源丰富，大量的工业废渣堆积不仅浪费了资源，还占用土地，污染土地资源，影响生态平衡。这些工业废渣若能在水泥生产中使用，可以减少水泥企业对资源的消耗，降低环境污染，大大降低水泥生产成本，无疑会对建材行业的发展起到巨大的推动作用，给企业和社会带来可观的经济效益和社会效益。
目前，虽然国内外学者在利用工业废渣生产水泥的研究中取得了一定成果，但这些方法仍存在较多不足。
发明内容
为了克服现有技术的不足与缺点，本发明的首要目的在于提供一种复合硅酸盐水泥。
本发明的另一目的在于提供上述复合硅酸盐水泥的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述复合硅酸盐水泥的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种复合硅酸盐水泥，由如下按质量份计的原料组分制备得到：
Figure BDA0001530183340000021
所述的复合硅酸盐水泥，优选由如下按质量份计的原料组分制备得到：
Figure BDA0001530183340000022
所述的激发剂优选为碳酸钠、氢氧化钠和硅酸钠的混合物；
所述的碳酸钠、氢氧化钠和硅酸钠的质量比优选为2:5:(2～5)；
所述的石膏优选为二水石膏、脱硫石膏和磷石膏中的至少一种；
所述的磷石膏为脱水后的磷石膏；
所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，包含如下步骤：
(1)将复合硅酸盐水泥的原料组分粉煤灰、偏高岭土、污泥焚烧飞灰和激发剂混合，高温煅烧，冷却，粉碎，粉磨，得到混合料；
(2)将复合硅酸盐水泥的剩余原料组分(硅酸盐水泥熟料、石膏)和步骤(1)制得的混合料混合，得到复合硅酸盐水泥；
步骤(1)中所述的粉煤灰、偏高岭土和污泥焚烧飞灰的粒径优选为不超过50μm；
步骤(1)中所述的高温煅烧的条件优选为700～900℃煅烧1～4h；
步骤(1)中所述的高温煅烧的条件进一步优选为780℃煅烧2h；
步骤(1)中所述的混合料的细度优选为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积优选不小于350m2/kg；
所述的混合料的比表面积进一步优选不小于400m2/kg；
步骤(2)中所述的硅酸盐水泥熟料和石膏的细度优选为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积优选不小于400m2/kg；
所述的复合硅酸盐水泥在建筑材料技术领域中的应用；
本发明的原理：
本发明将粉煤灰、偏高岭土作为水泥混合材，并添加污泥焚烧飞灰和激发剂。其中，污泥焚烧飞灰经过高温形成，SiO2和Al2O3与粉煤灰类似，具有较高的火山灰活性，同时污泥焚烧飞灰中CaSO4和CaO含量较高，CaO能激发粉煤灰和偏高岭土中的活性SiO2和Al2O3，可以与粉煤灰和偏高岭土中的活性SiO2、Al2O3发生反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶，而CaSO4溶解后可进一步与C-A-H反应生成钙矾石，增加体系的强度。第二，复合激发剂的添加可促进辅助性胶凝材料水化，尤其是可以破坏粉煤灰玻璃体网络结构，较好激发其火山灰活性，且复合激发剂的添加，可以提高水泥的早期强度，克服粉煤灰等混合材添加导致早期强度差这一问题。第三，粉煤灰、偏高岭土以及污泥焚烧飞灰中的SiO2与Al2O3能和水泥水化产物中的Ca(OH)2反应，产生水化硫铝酸钙及C-S-H凝胶，以便降低水泥石中Ca(OH)2含量，使其抗硫酸盐腐蚀能力增强。第四，粉煤灰、偏高岭土以及污泥焚烧飞灰可以大幅度降低水泥水化热以及水化放热温升。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明提供的复合硅酸盐水泥含有粉煤灰、偏高岭土、污泥焚烧飞灰等多种具有火山灰活性的原料，具有较好的凝胶活性。
(2)本发明提供的复合硅酸盐水泥中添加了适量的污泥焚烧飞灰，在利用其火山灰活性的基础上，同时利用其组分CaO激发粉煤灰和偏高岭土中的活性SiO2和Al2O3，与粉煤灰和偏高岭土中的活性SiO2、Al2O3发生反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶；利用其组分CaSO4溶解后进一步与C-A-H反应生成钙矾石，增加体系的强度。
(3)本发明采用复合激发剂以及高温煅烧的方式对粉煤灰、偏高岭土、污泥焚烧飞灰进行改性，极大激发煤灰、偏高岭土、污泥焚烧飞灰的活性。
(4)煤灰、偏高岭土以及污泥焚烧飞灰中的SiO2与Al2O3能和水泥水化产物中的Ca(OH)2反应，产生水化硫铝酸钙及C-S-H凝胶，以便降低水泥石中Ca(OH)2含量，使其抗硫酸盐腐蚀能力增强。
(5)粉煤灰、偏高岭土以及污泥焚烧飞灰可以大幅度降低水泥水化热以及水化放热温升。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种复合硅酸盐水泥，由如下按质量份计的原料组分制备得到：
Figure BDA0001530183340000041
所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，包含如下步骤：
(1)将复合硅酸盐水泥的原料组分粉煤灰、偏高岭土、污泥焚烧飞灰和激发剂(碳酸钠、氢氧化钠和硅酸钠，质量比为2:5:4)混合，780℃高温煅烧2h，冷却，送入粉碎机粉碎后，经过球磨机粉磨，得到混合料；其中，粉煤灰、偏高岭土和污泥焚烧飞灰的粒径均为不超过50μm，混合料的细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥450m2/kg；
(2)将复合硅酸盐水泥的剩余原料组分硅酸盐水泥熟料(细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥400m2/kg)、石膏(细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥400m2/kg)和步骤(1)制得的混合料混合，得到复合硅酸盐水泥。
实施例2
一种复合硅酸盐水泥，由如下按质量份计的原料组分制备得到：
Figure BDA0001530183340000042
Figure BDA0001530183340000051
所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，包含如下步骤：
(1)将复合硅酸盐水泥的原料组分粉煤灰、偏高岭土、污泥焚烧飞灰和激发剂(碳酸钠、氢氧化钠和硅酸钠，质量比为2:5:2)混合，700℃高温煅烧4h，冷却，送入粉碎机粉碎后，经过球磨机粉磨，得到混合料；其中，粉煤灰、偏高岭土和污泥焚烧飞灰的粒径均为不超过50μm，混合料的细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥350m2/kg；
(2)将复合硅酸盐水泥的剩余原料组分硅酸盐水泥熟料(细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥400m2/kg)、石膏(细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥400m2/kg)和步骤(1)制得的混合料混合，得到复合硅酸盐水泥。
实施例3
一种复合硅酸盐水泥，由如下按质量份计的原料组分制备得到：
Figure BDA0001530183340000052
所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，包含如下步骤：
(1)将复合硅酸盐水泥的原料组分粉煤灰、偏高岭土、污泥焚烧飞灰和激发剂(碳酸钠、氢氧化钠和硅酸钠，质量比为2:5:5)混合，900℃高温煅烧1h，冷却，送入粉碎机粉碎后，经过球磨机粉磨，得到混合料；其中，粉煤灰、偏高岭土和污泥焚烧飞灰的粒径均为不超过50μm，混合料的细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥400m2/kg；
(2)将复合硅酸盐水泥的剩余原料组分硅酸盐水泥熟料(细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥400m2/kg)、石膏(细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥400m2/kg)和步骤(1)制得的混合料混合，得到复合硅酸盐水泥。
对比实施例
一种复合硅酸盐水泥，由如下按质量份计的原料组分制备得到：
Figure BDA0001530183340000061
所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，包含如下步骤：
(1)将复合硅酸盐水泥的原料组分粉煤灰和偏高岭土送入粉碎机粉碎后，经过球磨机粉磨，得到混合料；其中，粉煤灰和偏高岭土的粒径均为不超过50μm，混合料的细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥450m2/kg；
(2)将复合硅酸盐水泥的剩余原料组分硅酸盐水泥熟料(细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥400m2/kg)、石膏(细度为0.08mm方孔筛筛余2％以下，比表面积≥400m2/kg)和步骤(1)制得的混合料混合，得到复合硅酸盐水泥。
效果实施例
(1)实施例1～3以及对比实施例中的粉煤灰购自某火力发电厂，污泥焚烧飞灰购自垃圾掺烧污泥发电厂；粉煤灰和污泥焚烧飞灰主要化学成分如表1和表2所示。
表1粉煤灰的主要化学成分
成分 SiO<sub>2</sub> AL<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO Fe MgO
含量(％) 50.33 28.41 5.3 1.89 1.05
表2污泥焚烧飞灰的主要化学成分
成分 SiO<sub>2</sub> AL<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> K<sub>2</sub>O
含量(％) 23.75 10.22 15.3 2.05 12.23 3.89
(2)检测实施例1～3以及对比实施例制得的复合硅酸盐水泥的抗压强度和抗折强度结果如表3所示。
表3实施例1～3以及对比实施例制得的复合硅酸盐水泥的抗压强度和抗折强度
Figure BDA0001530183340000062
Figure BDA0001530183340000071
(3)将实施例1～3以及对比实施例制得的复合硅酸盐水泥进行抗硫酸盐侵蚀测试，具体方法参见参考文献(朱炳玲.丙烯酸钙与矿物掺合料复合改性水泥抗蚀性能研究[J].新型建筑材料,2012,39(12):43-46.)。结果见表4。
表4实施例1～3以及对比实施例制得的复合硅酸盐水泥的抗腐蚀性能
实施例 抗腐蚀系数
实施例1 1.26
实施例2 1.22
实施例3 1.21
对比实施例 1.02
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合硅酸盐水泥，其特征在于由如下按质量份计的原料组分制备得到：
硅酸盐水泥熟料50～60份，粉煤灰20～40份，偏高岭土10～20份，污泥焚烧飞灰5～10份，激发剂1～3份，石膏2～4份；
所述的污泥焚烧飞灰含有CaSO4和CaO；
所述的激发剂为碳酸钠、氢氧化钠和硅酸钠的混合物；
所述的碳酸钠、氢氧化钠和硅酸钠的质量比为2:5:（2～5）。
2.根据权利要求1所述的复合硅酸盐水泥，其特征在于由如下按质量份计的原料组分制备得到：
硅酸盐水泥熟料55份，粉煤灰28份，偏高岭土18份，污泥焚烧飞灰8份，激发剂2.5份，石膏3.5份。
3.根据权利要求1或2所述的复合硅酸盐水泥，其特征在于：
所述的石膏为二水石膏、脱硫石膏和磷石膏中的至少一种。
4.权利要求1～3任一项所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于包含如下步骤：
（1）将复合硅酸盐水泥的原料组分粉煤灰、偏高岭土、污泥焚烧飞灰和激发剂混合，高温煅烧，冷却，粉碎，粉磨，得到混合料；
（2）将复合硅酸盐水泥的剩余原料组分和步骤（1）制得的混合料混合，得到复合硅酸盐水泥。
5.根据权利要求4所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于：
步骤（1）中所述的粉煤灰、偏高岭土和污泥焚烧飞灰的粒径不超过50μm。
6.根据权利要求4所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于：
步骤（1）中所述的高温煅烧的条件为700～900℃煅烧1～4h。
7.根据权利要求6所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于：
步骤（1）中所述的高温煅烧的条件为780℃煅烧2h。
8.根据权利要求4所述的复合硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于：
步骤（1）中所述的混合料的细度为0.08mm方孔筛筛余2%以下，比表面积不小于350m2/kg；
步骤（2）中所述的硅酸盐水泥熟料和石膏的细度为0.08mm方孔筛筛余2%以下，比表面积不小于400m2/kg。
9.权利要求1～3任一项所述的复合硅酸盐水泥在建筑材料技术领域中的应用。
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