CN108483953A - 一种低水化热铜渣基复合胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低水化热铜渣基复合胶凝材料及其制备方法，该低水化热铜渣基复合胶凝材料按重量份数，包括以下组分：铜渣粉：20‑30份；硅酸盐水泥：70‑80份；共100份。该低水化热铜渣基复合胶凝材料的制备方法包括：步骤一：将铜渣置于烘箱中3～4小时，设置烘箱温度为110℃，得到烘干铜渣；步骤二：将铜渣置于球磨机中粉磨30～120min，得到比表面积为500～750m2/kg的铜渣粉；步骤三：按重量份数，将20‑30份的铜渣粉掺量添加至70‑80份的硅酸盐水泥中搅拌均匀，得到所述低水化热铜渣基复合胶凝材料。本发明在保证胶凝材料质量的同时，又可以提高铜渣的利用率，改善环境污染，减少了煅烧水泥的能耗和成本。

Description

一种低水化热铜渣基复合胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种低水化热铜渣基复合胶凝材料及其制备方法。
背景技术
铜渣是炼铜过程中产生的工业固体废弃物，主要以水淬铜渣形式存在。其主要矿物成分为铁橄榄石(Fe2SiO4)、磁铁矿(Fe3O4)等，主要化学成分为氧化铁、二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化钾和氧化钠等。
每生产1吨铜约产生2.2吨的铜渣，现有技术中，铜渣的利用率较低，大量铜渣没有得到再利用而堆积在炼铜工厂所在地区，占用大量土地，同时引起环境污染，影响生产发展。
水泥是由石灰石、砂岩、黏土以及其他材料混合经高温锻烧后研磨而成的建筑材料。随着建筑行业的不断发展，对水泥的需求量也越来越大，由于原料的不断减少，导致水泥的生产成本逐渐增高。
发明内容
鉴于上述状况，本发明的一个目的在于提供一种低水化热铜渣基复合胶凝材料，在保证胶凝材料质量的同时，又可以提高铜渣的利用率，减少煅烧水泥能耗、改善环境。
一种低水化热铜渣基复合胶凝材料，按重量份数，包括：
铜渣粉：20-30份；
硅酸盐水泥：70-80份；
共100份。
根据本发明提供的低水化热铜渣基复合胶凝材料，在保证胶凝材料质量的同时，又可以提高铜渣的利用率，改善环境污染，减少了煅烧水泥的能耗和成本。
另外，根据本发明上述的低水化热铜渣基复合胶凝材料，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述铜渣粉为炼铜厂排出的高温水淬废渣经粉磨得到，所述铜渣粉包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO。
进一步地，所述铜渣粉中A12O3和SiO2质量含量之和大于80％。
进一步地，所述铜渣粉的表观密度为3.4～3.8g/m3。
进一步地，所述铜渣粉为铜渣经烘干后球磨30～120min制备得到，其比表面积大于500m2/kg。
进一步地，所述铜渣粉的比表面积为500～750m2/kg。
进一步地，所述硅酸盐水泥标号为42.5以上。
本发明的另一个目的在于提供一种上述低水化热铜渣基复合胶凝材料的制备方法，在保证胶凝材料质量的同时，又可以提高铜渣的利用率，减少煅烧水泥能耗、改善环境，该方法包括以下步骤：
步骤一：将铜渣置于烘箱中3～4小时，设置烘箱温度为110℃，得到烘干铜渣；
步骤二：将铜渣置于球磨机中粉磨30～120min，得到比表面积为500～750m2/kg的铜渣粉；
步骤三：按重量份数，将20-30份的铜渣粉掺量添加至70-80份的硅酸盐水泥中搅拌均匀，得到所述低水化热铜渣基复合胶凝材料。
本发明将废弃铜渣粉磨，所得磨细铜渣作为活性混合材掺加于水泥，可降低水泥生产成本，调节水泥强度等级，可产生如下有益效果：
本发明将废弃铜渣掺加于水泥中，能够提高水泥的产量，减少了天然材料的消耗，还可以达到节能减排的目的，符合我国建筑材料的可持续发展战略；将铜渣作为混合材掺加于水泥中不仅对水泥性能没有影响，还可以调节水泥强度等级；本发明制得的一种低水化热铜渣基复合胶凝材料，具有水化放热低、后期强度发展高等优点。
本发明未采用钠、钾等碱激发，无产生碱骨料反应的风险；
本发明充分利用工业废渣，降低环境污染。
本发明简便易行，成本低廉，适合大规模量产。
本发明的工作原理为：铜渣和水泥熟料具有相似的化学成分，所含的活性SiO2在水化后期与水化产物Ca(OH)2发生如下的弱火山灰反应：(C-S-H胶凝)，具有潜在胶凝性能，可作为胶凝材料应用于混凝土中。铜渣中的玻璃体是一种三维和扭曲的网络结构，具有较高的能量，这些能量在一定的条件下可以激发出来。铜渣在Ca(OH)2和CaSO4存在条件下玻璃体表面被破坏，其玻璃体的网络结构发生解离，内部的Al3+、Fe2+、Fe3+、[AlO4]5-、[SiO4]4-等离子析出与Ca2+生成新的水化产物并降低Ca(OH)2浓度，而新的水化产物为具有较高含铁量的C-S-H胶凝。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将各实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明的实施方式提供了一种低水化热铜渣基复合胶凝材料，按重量份数，包括以下组分：
铜渣粉：20-30份；
硅酸盐水泥：70-80份；
共100份。
上述低水化热铜渣基复合胶凝材料的制备方法包括：
步骤一：将铜渣置于烘箱中3～4小时，设置烘箱温度为110℃，得到烘干铜渣；
步骤二：将铜渣置于球磨机中粉磨30～120min，得到比表面积为500～750m2/kg的铜渣粉；
步骤三：按重量份数，将20-30份的铜渣粉掺量添加至70-80份的硅酸盐水泥中搅拌均匀，得到所述低水化热铜渣基复合胶凝材料。
本发明的工作原理为：铜渣和水泥熟料具有相似的化学成分，所含的活性SiO2在水化后期与水化产物Ca(OH)2发生如下的弱火山灰反应：(C-S-H胶凝)，具有潜在胶凝性能，可作为胶凝材料应用于混凝土中。铜渣中的玻璃体是一种三维和扭曲的网络结构，具有较高的能量，这些能量在一定的条件下可以激发出来。铜渣在Ca(OH)2和CaSO4存在条件下玻璃体表面被破坏，其玻璃体的网络结构发生解离，内部的Al3+、Fe2+、Fe3+、[AlO4]5-、[SiO4]4-等离子析出与Ca2+生成新的水化产物并降低Ca(OH)2浓度，而新的水化产物为具有较高含铁量的C-S-H胶凝。
本发明在保证胶凝材料质量的同时，又可以提高铜渣的利用率，改善环境污染，减少了煅烧水泥的能耗和成本。本发明将废弃铜渣粉磨，所得磨细铜渣作为活性混合材掺加于水泥，可降低水泥生产成本，调节水泥强度等级，可产生如下有益效果：
本发明将废弃铜渣掺加于水泥中，能够提高水泥的产量，减少了天然材料的消耗，还可以达到节能减排的目的，符合我国建筑材料的可持续发展战略；将铜渣作为混合材掺加于水泥中不仅对水泥性能没有影响，还可以调节水泥强度等级；本发明制得的一种低水化热铜渣基复合胶凝材料，具有水化放热低、后期强度发展高等优点。
未采用钠、钾等碱激发，无产生碱骨料反应的风险；
充分利用工业废渣，降低环境污染。
简便易行，成本低廉，适合大规模量产。
下面分多个实施例对本发明实施例进行进一步的说明。本发明实施例不限定于以下的具体实施例。在不变主权利的范围内，可以适当的进行变更实施。
以下实施例中的性能测试方法如下：
(1)力学性能的测定：
抗折、抗压强度参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检测方法》进行，成型模具规格为40mm×40mm×160mm；试件养护要求：标准养护。
(2)水化热的测定：
水化热测定参照GB/T 12959-2008《水泥水化热测定方法》进行，采用溶解热法测试。
(3)铜渣粒度的测定：
铜渣粒度的测定参照：GB/T 19077-2016《粒度分析激光衍射法》进行。
(4)铜渣比表面积的测定：
铜渣比表面积的测定参照GB/T 8074-2008《水泥比表面积测定方法勃氏法》进行。
(5)凝结时间和压蒸安定性的测定：
材料的凝结时间和压蒸安定性的测定参照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行。
实施例1
一种低水化热铜渣基复合胶凝材料及其制备方法，由下述重量份数的组份组成：铜渣粉20份，水泥80份，水40份。
所述铜渣粉为炼铜厂排出的高温水淬废渣经球磨30min制备得到，其中，所述铜渣粉包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO等，所述铜渣粉中A12O3和SiO2质量含量之和大于80％，所述铜渣粉的表观密度为3.4g/m3，具体先将铜渣置于烘箱中3小时，设置烘箱温度为110℃，得到烘干铜渣，然后将铜渣置于球磨机中粉磨30min，得到比表面积为503m2/kg的铜渣粉，所述水泥为硅酸盐水泥，标号为42.5以上。
上述比例称取铜渣粉、水泥和水，将铜渣粉和水泥混合均匀，在搅拌机中先加入水，后加入铜渣粉和水泥混合物，搅拌1.5分钟即可。
本实施例的抗压强度测试结果如下表：
本实施例的抗折强度测试结果如下表：
实施例2
一种低水化热铜渣基复合胶凝材料及其制备方法，由下述重量份数的组份组成：铜渣粉20份，水泥80份，水40份。
所述铜渣粉为炼铜厂排出的高温水淬废渣经球磨60min制备得到，其中，所述铜渣粉包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO等，所述铜渣粉中A12O3和SiO2质量含量之和大于80％，所述铜渣粉的表观密度为3.5g/m3，具体先将铜渣置于烘箱中3.5小时，设置烘箱温度为110℃，得到烘干铜渣，然后将铜渣置于球磨机中粉磨60min，得到比表面积为627m2/kg的铜渣粉，所述水泥为硅酸盐水泥，标号为42.5以上。
按上述比例称取铜渣粉、水泥和水，将铜渣粉和水泥混合均匀，在搅拌机中先加入水、后加入铜渣粉和水泥混合物，搅拌1.5分钟即可。
本实施例抗压强度测试结果如下表：
本实施例的抗折强度测试结果如下表：
实施例3
一种低水化热铜渣基复合胶凝材料及其制备方法，由下述重量份数的组份组成：铜渣粉20份，水泥80份，水40份。
所述铜渣粉为炼铜厂排出的高温水淬废渣经球磨90min制备得到，其中，所述铜渣粉包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO等，所述铜渣粉中A12O3和SiO2质量含量之和大于80％，所述铜渣粉的表观密度为3.8g/m3，具体先将铜渣置于烘箱中3小时，设置烘箱温度为110℃，得到烘干铜渣，然后将铜渣置于球磨机中粉磨90min，得到比表面积为712m2/kg的铜渣粉，所述水泥为硅酸盐水泥，标号为42.5以上。
按上述比例称取铜渣粉、水泥和水，将铜渣粉和水泥混合均匀，在搅拌机中先加入水、后加入铜渣粉和水泥混合物，搅拌1.5分钟即可。
本实施例抗压强度测试结果如下表：
本实施例的抗折强度测试结果如下表：
实施例4
一种低水化热铜渣基复合胶凝材料及其制备方法，由下述重量份数的组份组成：铜渣粉20份，水泥80份，水40份。
所述铜渣粉为炼铜厂排出的高温水淬废渣经球磨120min制备得到，其中，所述铜渣粉包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO等，所述铜渣粉中A12O3和SiO2质量含量之和大于80％，所述铜渣粉的表观密度为3.7g/m3，具体先将铜渣置于烘箱中3小时，设置烘箱温度为110℃，得到烘干铜渣，然后将铜渣置于球磨机中粉磨120min，得到比表面积为750m2/kg的铜渣粉，所述水泥为硅酸盐水泥，标号为42.5以上。
按上述比例称取铜渣粉、水泥和水，将铜渣粉和水泥混合均匀，在搅拌机中先加入水、后加入铜渣粉和水泥混合物，搅拌1.5分钟即可。
本实施例抗压强度测试结果如下表：
本实施例抗折强度测试结果如下表：
实施例5
一种低水化热铜渣基复合胶凝材料及其制备方法，由下述重量份数的组份组成：铜渣粉30份，水泥70份，水40份。
所述铜渣粉为炼铜厂排出的高温水淬废渣经球磨120min制备得到，其中，所述铜渣粉包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO等，所述铜渣粉中A12O3和SiO2质量含量之和大于80％，所述铜渣粉的表观密度为3.6g/m3，具体先将铜渣置于烘箱中3小时，设置烘箱温度为110℃，得到烘干铜渣，然后将铜渣置于球磨机中粉磨12min，得到比表面积为727m2/kg的铜渣粉，所述水泥为硅酸盐水泥，标号为42.5以上。
按上述比例称取铜渣粉、水泥和水，将铜渣粉和水泥混合均匀，在搅拌机中先加入水、后加入铜渣粉和水泥混合物，搅拌1.5分钟即可。
本实施例抗压强度测试结果如下表：
本实施例抗折强度测试结果如下表：
上述各实施例的的原材料重量比和性能测试结果如下表：
上述各实施例的水化热测试结果如下表：
本发明各实施例性能指标可达到GB175—2007《通用硅酸盐水泥》对强度等级为42.5水泥的规定，3d抗压强度≥17MPa，3d抗折强度≥3.5MPa，28d抗压强度≥42.5MPa，28d抗折强度≥6.5MPa。铜渣粒度满足GB175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，普通水泥80μm方孔筛筛余不得超过10％。凝结时间、安定性、需水量均可满足施工要求。
与对比例相比，本发明实施例1-5所制得的复合胶凝材料具有较低的最大放热速率和水化热。
本发明实施例1-5铜渣细度指标可达到GB175—2007《通用硅酸盐水泥》对普通硅酸盐水泥的要求，比表面积不小于300m2/kg。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种低水化热铜渣基复合胶凝材料，其特征在于，按重量份数，包括以下组分：
铜渣粉：20-30份；
硅酸盐水泥：70-80份；
共100份。
2.根据权利要求1所述的低水化热铜渣基复合胶凝材料，其特征在于，所述铜渣粉为炼铜厂排出的高温水淬废渣经粉磨得到，所述铜渣粉包括Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO。
3.根据权利要求2所述的低水化热铜渣基复合胶凝材料，其特征在于，所述铜渣粉中A12O3和SiO2质量含量之和大于80％。
4.根据权利要求1所述的低水化热铜渣基复合胶凝材料，其特征在于，所述铜渣粉的表观密度为3.4～3.8g/m3。
5.根据权利要求1所述的低水化热铜渣基复合胶凝材料，其特征在于，所述铜渣粉为铜渣经烘干后球磨30～120min制备得到，其比表面积大于500m2/kg。
6.根据权利要求5所述的低水化热铜渣基复合胶凝材料，其特征在于，所述铜渣粉的比表面积为500～750m2/kg。
7.根据权利要求1所述的低水化热铜渣基复合胶凝材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥标号为42.5以上。
8.权利要求1所述的低水化热铜渣基复合胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将铜渣置于烘箱中3～4小时，设置烘箱温度为110℃，得到烘干铜渣；
步骤二：将铜渣置于球磨机中粉磨30～120min，得到比表面积为500～750m2/kg的铜渣粉；
步骤三：按重量份数，将20-30份的铜渣粉掺量添加至70-80份的硅酸盐水泥中搅拌均匀，得到所述低水化热铜渣基复合胶凝材料。
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