CN109020273B - 一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，包括如下步骤：1)称取原料，再添加发泡剂混合，原料与发泡剂的质量比为0.214:1，搅拌均匀得混合物；原料为碳酸钙、黏土、硝酸铝或赤泥中的一种或者多种的混合物；发泡剂为尿素、酒精、煤油、煤炭或者稻壳中的一种或者多种的混合物；2)将混合物置于烧结炉中烧结，烧结温度设置为600‑1150℃，加热至额定温度后保温10‑20min；3)烧结完毕后室温冷却，得到的产物使用研钵进行研磨。本发明的制备方法烧结温度低，可以节约大量的能源；纳米铁铝酸盐水泥材料具有松散多孔的结构，且颗粒粒径均匀，形状规则，有利于铁铝酸盐水泥材料活性的提高，节约了粉磨能耗；有利于降低生产成本以及保证材料质量。

Description

一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料的制备领域，更具体地说，本发明涉及一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法。
背景技术
铁铝酸盐水泥是指主要矿物成分为铁铝酸四钙(C4AF)的水泥，它是传统硅酸盐水泥中的主要组分之一(含量8-12％)。铁铝酸盐水泥具有良好的水化性能并能够保证强度能长期持续增长。同时，还能够作为掺合料增强混凝土的韧性，从而有效防止由于普通硅酸盐混凝土的硬化收缩而发生的开裂破坏。另外，在抗硫酸盐腐蚀以及抗复合盐侵蚀方面也有较好的表现，比如王燕谋等人发现，早强铁铝酸盐水泥具有良好的耐海水侵蚀的性能。虽然普通铁铝酸盐水泥具有以上优点，但是也具有明显的缺点，从而限制了它的大规模应用。比如普通铁铝酸盐水泥的水化速度较慢，完全水化通常需要几年到几十年的时间，从而不利于这一品种水泥的早期强度的发展。为了解决这一问题，减少水泥颗粒粒径、实现铁铝酸盐水泥颗粒的纳米化、提高水泥比表面积，从而增强早期水化活性，是有效的解决途径。
现有纳米铁铝酸盐水泥的制备，首先通过含有铁和铝的原料(比如磷石膏(PG)和硫铁矿渣(PC)在较高的温度(通常不低于1250-1350℃)进行烧结得到熟料，然后通过利用球磨机粉磨的方法得到纳米铁铝酸盐水泥。在球磨的过程中，由于铁铝酸盐成分含有铁，从而具有较高的硬度，因此要将铁铝酸盐熟料粉磨到纳米量级，需要耗费巨大的能量。并且所得纳米铁铝酸盐水泥颗粒大小不一、粒径分布宽、形状不规则，这样当将其应用于混凝土中时，不利于新拌混凝土的和易性。
因此，需要一种新的制备方法制出经济、高活性并且粒径分布均匀的纳米铁铝酸盐水泥。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的上述缺陷，提供一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，利用发泡剂产生的气体，对铁铝酸盐水泥生成物进行冲击，则可以实现铁铝酸盐水泥的纳米化，制得的纳米铁铝酸盐水泥粒径分布均匀，制备方法更节约能源。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，包括如下步骤：
1)按照质量比称取原料，再添加发泡剂混合，所述原料与高温发泡剂的质量比为0.2-0.3:1，搅拌均匀得混合物；
所述原料为碳酸钙、黏土、硝酸铝或赤泥中的一种或者多种的混合物；
2)将步骤1)中所述混合物置于烧结炉中烧结，烧结温度设置为600-1150℃，加热至额定温度后保温10-20min；
3)烧结完毕后室温冷却，得到的纳米铁铝酸盐水泥。
进一步地，所述原料为碳酸钙和赤泥的混合物，所述原料中赤泥和碳酸钙的质量比为1:0.5-2。
进一步地，所述原料中赤泥和碳酸钙的质量比为1:1.5。
进一步地，所述高温发泡剂为尿素、酒精、煤油、煤炭或者稻壳中的一种或者多种的混合物。
进一步地，所述发泡剂为尿素。
进一步地，所述原料与发泡剂的质量比为0.214:1。
进一步地，所述烧结温度设置为700-850℃。
进一步地，所述烧结温度为815℃。
进一步地，所述烧结的加热升温速度为30-50℃/min。
与现有技术相比，本发明制备的纳米铁铝酸盐水泥材料，具有以下优点：1)烧结温度低，600-1150℃的温度，远低于普通纳米铁铝酸盐水泥的烧结温度1250-1350℃，可以节约大量的能源；2)所采用的发泡剂安全，提高该烧结法的生产安全性；3)所得到的纳米铁铝酸盐水泥材料具有松散多孔的结构，稍加粉磨甚至不需要粉磨，就可以直接用于混凝土中，大大节约了粉磨能耗；3)所得纳米铁铝酸盐水泥颗粒粒径均匀，大多在几百纳米左右；4)所得纳米铁铝酸盐水泥形状较为规则，呈现类球状。以上优点将极大有利于降低纳米铁铝酸盐水泥材料的生产成本以及保证材料质量，有利于纳米铁铝酸盐水泥材料的大规模生产以及在混凝土领域的应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行详细说明：
图1为铁铝酸盐胶凝材料扫描电镜图像。
图2为铁铝酸盐胶凝材料和普通硅酸盐水泥的背散射电子图像对比图。
图3为纳米铁铝酸盐水泥材料的水化形貌图；
其中，左上图为水化3天的二次电子(SE)图像、右上图为水化7天的二次电子图像、左下图为水化14天的二次电子图像、右下图为水化28天的二次电子图像。
图4为不同赤泥和碳酸钙比值下，生成的纳米铁铝酸盐水泥的XRD谱图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
原料来源：本发明的各实施例中采用的赤泥来自拜耳法生产铝的工厂的工业废弃物，其中的成分如下：
表1赤泥原料的定量分析结果
Figure BDA0001771032930000041
实施例1：
一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，包括如下步骤：
1)按照赤泥和碳酸钙的质量比为1:1.5称取原料，再添加尿素，原料与尿素的质量比为0.214:1，搅拌均匀得混合物；
2)将所述混合物置于烧结炉(马沸炉)中烧结，烧结温度设置为815℃，以40℃/min的速度加热至额定温度后保温15min；
3)烧结完毕后室温冷却，得到的产物使用研钵进行研磨得到纳米铁铝酸盐水泥。
本实施例所得纳米铁铝酸盐水泥的形貌如图1所示，由图1扫描电子图像可知，烧结产物主要粒径为300nm左右的纳米颗粒组成，纳米铁铝酸盐水泥颗粒形状近圆球型，颗粒尺寸远小于普通硅酸盐水泥，且粒径分布均匀。
将本实施例生成的纳米铁铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥进行BET实验，对比出它们的比表面积的差别。结果如表2所示。
表2纳米铁铝酸盐水泥材料与普通硅酸盐水泥比表面积对比。
Figure BDA0001771032930000051
由BET分析结果可知纳米铁铝酸盐水泥的比表面积为6.30m2/g，而普通硅酸盐水泥的比表面积为2.57m2/g，纳米铁铝酸盐水泥材料的比表面积为OPC水泥的2.5倍，说明它有更高的比表面积，与图2中的结果一致。
利用XRD和SEM实验分析水化后的胶凝材料的成分和形貌。本实施例不同水化天数的纳米铁铝酸盐水泥材料的SEM-SE图像如图3所示，可以看出纳米铁铝酸盐水泥材料在水化时产生层片状晶体，还有少量的絮状凝胶类的水化产物，为铁凝胶。其中水化天数越多，产物形貌中层片状晶体越多，此晶体是C4(A,F)H13，即水化铝酸钙或者水化铁铝酸钙，且在28天水化产物形貌中最明显。以上结果表明，在前7天，纳米铁铝酸盐水泥已经发生了比较明显的水化，而在28天，已经发生了大规模的水化。说明纳米铁铝酸盐与微米量级的普通硅酸盐水泥相比，水化活性大大增强。
实施例2：
一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，包括如下步骤：
1)按照黏土和碳酸钙的质量比为1:0.5称取原料，再添加酒精和煤油，酒精和煤油的质量比为3.0:1，原料与酒精和煤油总量的质量比为0.2:1，搅拌均匀得混合物；
2)将所述混合物置于烧结炉(马沸炉)中烧结，烧结温度设置为600℃，以50℃/min的速度加热至额定温度后保温10min；
3)烧结完毕后室温冷却，得到的产物使用研钵进行研磨得到纳米铁铝酸盐水泥。
本实施例得到的纳米铁铝酸盐水泥，径分布均匀、比表面积高、水化活性强。
实施例3：
一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，包括如下步骤：
1)按照硝酸铝和赤泥的质量比为1:2称取原料，再添加稻壳，原料与稻壳的质量比为0.3:1，搅拌均匀得混合物；
2)将所述混合物置于烧结炉(马沸炉)中烧结，烧结温度设置为1150℃，以30℃/min的速度加热至额定温度后保温20min；
3)烧结完毕后室温冷却，得到的产物使用研钵进行研磨得到纳米铁铝酸盐水泥。
本实施例得到的纳米铁铝酸盐水泥，径分布均匀、比表面积高、水化活性强。
实施例4：
一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，包括如下步骤：
1)按照黏土和碳酸钙的质量比为1.5:1称取原料，再添加煤灰，原料与煤灰的质量比为0.2:1，搅拌均匀得混合物；
2)将所述混合物置于烧结炉(马沸炉)中烧结，烧结温度设置为700℃，以45℃/min的速度加热至额定温度后保温15min；
3)烧结完毕后室温冷却，得到的产物使用研钵进行研磨得到纳米铁铝酸盐水泥。
本实施例得到的纳米铁铝酸盐水泥，径分布均匀、比表面积高、水化活性强。
实施例5-11：
本实施例与实施例1不同之处在于：原料中赤泥和碳酸钙的质量比不同，质量比分别为1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:2。
不同赤泥和碳酸钙比值下，生成的纳米铁铝酸盐水泥的XRD谱如图4所示。
从中可以看出，随着碳酸钙与赤泥的比值从0.5增加到2.0，目标产物Ca2FeAlO5(即C4AF)的含量先增加后降低，当比值为1.5时，达到峰值，峰值含量为47.2％，是纳米铁铝酸盐胶凝材料中的主要物相；Ca2Fe2O5和CaFe3O5是生产Ca2FeAlO5的中间产物，Ca2Fe2O5的含量先增加后降低(从14.1％增加到30.9％，再降低到9.0％)；CaFe3O5的含量变化不大，在4％左右；Fe2O3是原料中残留的组分，它的含量随着比值的增加而逐渐降低；此外含Fe相的产物还有Ca3Fe2(SiO4)3，含量较少，在4％以下。对于硅酸盐产物，在铁铝酸盐胶凝材料中总共发现三种硅酸二钙，即β、α和α′型的硅酸二钙，其中β型的最多，这三种硅酸二钙类型都具有水化活性。随着碳酸钙含量增加，总Ca2SiO4的含量稍微降低。当碳酸钙/赤泥比值为1.5时，Ca2SiO4含量为8.1％，此时具有水化活性的物质(C4AF+C2S)总含量达到55％左右；当碳酸钙/赤泥比值为1.5时，CaCO3含量为6.2％，CaO含量为8.8。另外，NaAlSi4、Na8Al4Si4O18均为赤泥中残留下的组分，无水化活性，含量很少，均在2％以下，因此对目标产物的影响不大。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (7)

1.一种纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，包括如下步骤：
1)按照质量比称取原料，再添加高温发泡剂混合，所述原料与高温发泡剂的质量比为0.2-0.3:1，搅拌均匀得混合物；
所述原料为碳酸钙、黏土、硝酸铝或赤泥中的一种或者多种的混合物；
2)将步骤1)中所述混合物置于烧结炉中烧结，烧结温度设置为600-1150℃，加热至额定温度后保温10-20min；
3)烧结完毕后室温冷却，得到的纳米铁铝酸盐水泥；
所述高温发泡剂为尿素。
2.根据权利要求1所述的纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，其特征在于：所述原料为碳酸钙和赤泥的混合物，所述原料中赤泥和碳酸钙的质量比为1:0.5-2。
3.根据权利要求2所述的纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，其特征在于：所述原料中赤泥和碳酸钙的质量比为1:1.5。
4.根据权利要求1所述的纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，其特征在于：所述原料与所述高温发泡剂的质量比为0.214:1。
5.根据权利要求1所述的纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，其特征在于：所述烧结温度设置为700-850℃。
6.根据权利要求5所述的纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，其特征在于：所述烧结温度为815℃。
7.根据权利要求1-6任一项所述的纳米铁铝酸盐水泥的制备方法，其特征在于：所述烧结的加热升温速度为30-50℃/min。
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