CN110451827B - 一种蒸养碱激发水泥的制备和使用方法 - Google Patents

一种蒸养碱激发水泥的制备和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蒸养碱激发水泥的制备和使用方法，由少量工业碱与硅铝酸钾钠及石灰石混合粉磨后于1250~1300℃煅烧急冷得到熟料，将熟料磨细成粉后均匀混入模数为1.0~3.2的钠水玻璃3.0~12.0%即得水泥，水泥加水混匀后在50~80℃蒸养8~24小时即获得高强度的硬化体。本发明制备的水泥具有快速硬化、强度高、原料广泛、廉价、低耗和低碳排放及性能稳定易控等特点，尤其适于制备预制构件。

Description

一种蒸养碱激发水泥的制备和使用方法
技术领域
本发明属于水泥建筑材料及其应用领域，特别涉及一种碱激发水泥的制备和使用方法。
背景技术
自1824年英国人J.阿斯普丁取得硅酸盐水泥的专利权至今，产能巨大的硅酸盐水泥近200年来为人类文明发展立下了汗马功劳，但其主要组成物—硅酸盐熟料的制备仍存在碳排放、能耗和物耗高，粉尘和硫氮氧化物气体污染严重及水泥耐蚀耐久性差等突出问题。碱激发水泥具有早强、抗腐蚀和冻融性好等突出优点，可大量利用固体废渣，低碳节能环保，被认为是最有可能替代硅酸盐水泥的新型水泥品种之一。传统的碱激发水泥为用强碱激发活性非晶硅铝酸（钙）盐而硬化的双组份水泥，仍存在诸多不足，成为阻碍其推广应用的瓶颈：（1）高岭土的化学组成相对远离上地壳平均值，资源较稀缺，而其它碱激发水泥的主要原料如粉煤灰和高炉矿渣等因大量用作硅酸盐水泥的掺和料而价格上涨，故其原料成本堪忧；（2）大量掺入的工业碱激发剂（按Na2O计占3~14wt%）使其成本居高不下，且易于泛碱而影响耐久性；（3）工业废渣固有的组成多变性使以其为主要原料制备的碱激发水泥性能和制备工艺难以稳定调控和标准化。专利CN102730996A公开了一种单组分碱激发水泥的制备方法，系将含SiO2、Al2O3和CaO的固体原料与碱混合在950～1200℃保温煅烧，冷却后再研磨得到水泥，使用时将水泥粉直接水化后在50～80℃保湿养护得到硬化的水泥石。但该水泥中Na2O+0.658K2O 含量为6～25%，与传统双组份碱激发水泥相比并未降低，且碱金属全来源于昂贵的工业碱盐，虽然其煅烧温度较低，但其成本仍然偏高而没有明显的优势。彭美勋等的研究（Applied Clay Science, 2017,139: 64~71）表明，SiO2、Al2O3、CaO、MgO和Na2O的混合物在1200℃以下煅烧所得熟料主要由各种结晶相组成，其水化相也主要为晶相。由于只有少数晶相具有胶凝性，从而水泥的胶凝性受到限制，这与水泥和水化体均为非晶相的高胶凝性碱激发水泥存在很大的差异。
发明内容
将硅铝酸钙煅烧熔融急冷即得到以非晶玻璃相为主的高炉矿渣，后者具有很高的碱激发胶凝性。碱金属组份掺入硅铝酸钙原料中可显著降低后者的熔融温度并提高其反应活性，以其为活性组份制备碱激发水泥还可减少碱激发剂掺量，从而从两方面降低成本。本发明的目的在于提供一种碱激发水泥的制备方法，其通过烧制以玻璃相为主、化学组成主要为SiO2、Al2O3、CaO、Na2O和K2O的熟料来制备碱激发剂耗量低的碱激发水泥。
为实现上述目的，本发明的实施方案为：一种蒸养碱激发水泥的制备方法，
由工业碱、石灰石和硅铝酸钾钠原料混合、磨细至全过100目筛的细度，然后在氧化气氛中于1250~1350℃充分煅烧后急冷得到干燥熟料，磨细熟料至200目筛余≤10%的细度后混合钠水玻璃制得水泥。
作为更为具体的实施方式，所述的硅铝酸钾钠原料指化学组成必含SiO2、Al2O3、Na2O和/或K2O的固体物质，要求其在1100℃氧化煅烧后的残余物中，SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的质量占比不少于95.0%，且在SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的总质量中，各组份含量分别为CaO：0~5.0%，MgO：0~2.0%，SiO2：50.0~75.0%，Al2O3：15.0~35.0%，Na2O+K2O：5.0~11.0%。
作为更为具体的实施方式，所述的工业碱指烧碱和/或纯碱，其掺量按所含的Na2O与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为0~2.0%。
作为更为具体的实施方式，所述的石灰石指以CaCO3为主要物相组成的天然岩石，其掺量按所含CaO与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为44.0%~80.0%。
作为更为具体的实施方式，所述的煅烧后急冷为高炉矿渣急冷常用的水淬冷却法，水淬用水量控制到冷却至常温的熟料是干燥无水的。
作为更为具体的实施方式，所述的钠水玻璃为含水溶性SiO2和Na2O的原料，其掺量按所含SiO2+Na2O的质量计为熟料粉的3.0%~12.0%，钠水玻璃的模数为1.0~3.2。
本发明还提供一种如上述方法制备的蒸养碱激发水泥的使用方法，是先将钠水玻璃用水溶解稀释，冷却后与熟料粉混合均匀制备浆体，将浆体振动密实成型得到水泥净浆试块，在50~80℃的饱和湿气中蒸养8~24小时，然后根据需要继续常温保湿养护至28天。所述浆体的液固比需满足振动密实所要求的粘度。
为满足建筑构件的综合使用性能并节省成本，可向水泥浆体中掺入砂石骨料制备混凝土，相应的液固比需为满足混凝土工作性和后期使用性能而进行调整。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步详细说明本发明，但本发明并不限于此。
准备纯碱、烧碱、硅铝酸钾钠原料和石灰石，其中硅铝酸钾钠原料有6种，均为天然岩石混合物，其在1100℃空气中煅烧后的残余物中，SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的质量占比为96~98%，其余化学组成主要为Fe2O3与TiO2。以SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO为100%计算6种硅铝酸钾钠原料的化学组成详见表1，各组份含量满足CaO：0~5.0%，MgO：0~2.0%，SiO2：50.0~75.0%，Al2O3：15.0~35.0%，Na2O+K2O：5.0~11.0%。将纯碱或烧碱与硅铝酸钾钠及石灰石按比例混合得到12个生料配方，生料中各原料的混合比例（详见表2）满足：纯碱或烧碱掺量按其中的Na2O与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为0~2.0%，石灰石掺量按所含CaO与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为44.0%~80.0%。将混合物用水泥实验小磨球磨约半小时，使磨后粉体的细度达到可全部通过100目标准筛。将磨细后的生料粉在普通马弗炉（空气气氛）内煅烧。各生料的煅烧最高温度在1250℃至1350℃范围内，在最高温度的保温时间为3小时。煅烧结束得到的熟料直接从炉内取出水淬急冷，控制水淬用水量使冷却至室温的熟料干燥无水而无需烘干。将冷却至室温的熟料粉磨至200目筛余量≤10%的细度得到熟料粉。在模数为1.0~3.2钠水玻璃溶液中加水稀释至其质量满足使水泥净浆振动密实的液固比，钠水玻璃的掺量按其所含SiO2+Na2O的质量计为熟料粉的3.0%~12.0%。待稀释的钠水玻璃溶液冷却后与熟料粉在水泥净浆搅拌机中混合均匀，然后将浆体填入规格为40×40×36的钢模中振动密实成型棱柱体水泥净浆试块。试块移入常温的蒸养室内开始缓慢升温至50~80℃，然后在饱和水蒸气中保温保湿养护8~24小时，达到规定养护时间后关闭蒸气，待试块自然冷却至室温后移入水泥标准养护箱中于20℃的湿度大于90%的空气中养护至28天龄期。以2KN/S的加载速度检测试块蒸养结束时和28天龄期的抗压强度。水泥制备工艺参数及水泥净浆试块的养护条件与强度性能详见表2。
结合表2中水泥的制备工艺参数与强度性能可知，本发明的有益效果在于：
（1）与硅酸盐水泥相比，本发明所述的水泥显著降低石灰石需量和熟料煅烧温度，其碳排放、能耗与成本均可明显降低且蒸养强度高，蒸养8小时即可应用，继续常温养护强度持续提高，故尤其适用于制备预制构件。
（2）与传统的双组份碱激发水泥相比，本发明的水泥工业碱需量更低且煅烧温度也远低于矿渣和粉煤灰的制备温度，从而水泥制备成本明显降低，且前者的化学组成常随生产工艺被动变化，其配方很难调控，性能稳定性差，后者则化学组成与性能均可稳定调控。
表1 硅铝酸钾钠原料煅烧基主要化学组成 单位：wt%
原料编号 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO Na<sub>2</sub>O K<sub>2</sub>O
SAKN1 67.7 26.3 0.8 0.3 1.6 3.4
SAKN2 75.0 15.1 1.2 0.8 2.5 5.4
SAKN3 66.4 26.3 0.4 0.2 6.3 0.5
SAKN4 50.0 35.0 3.2 1.0 7.6 3.2
SAKN5 72.5 15.0 1.0 0.5 8.3 2.7
SAKN6 66.7 26.3 0.2 0.3 0.7 5.4
表2 水泥制备与养护工艺参数及水泥净浆抗压强度一览表
Figure 354672DEST_PATH_IMAGE002
注：a按工业碱中Na2O与硅铝酸钾钠原料在1100℃煅烧后的质量之比计；b按石灰石中所含CaO与硅铝酸钾钠原料在1100℃煅烧后的质量之比的百分数计；c钠水玻璃的质量按所含SiO2+Na2O的质量计。

Claims (5)

1.一种蒸养碱激发水泥的制备方法，其特征在于，由工业碱、石灰石和硅铝酸钾钠原料混合、磨细至全过100目筛的细度，然后在氧化气氛中于1250~1350℃充分煅烧后急冷得到干燥熟料，磨细熟料至200目筛余≤10%的细度后混合钠水玻璃制得水泥；所述的硅铝酸钾钠原料指化学组成必含SiO2、Al2O3、Na2O和/或K2O的固体物质，要求其在1100℃氧化煅烧后的残余物中，SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的质量占比不少于95.0%，且在SiO2+Al2O3+Na2O+K2O+CaO+MgO的总质量中，各组份含量分别为CaO：0~5.0%，MgO：0~2.0%，SiO2：50.0~75.0%，Al2O3：15.0~35.0%，Na2O+K2O：5.0~11.0%；所述的工业碱指烧碱和/或纯碱，其掺量按所含的Na2O与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为0~2.0%；所述的钠水玻璃为含水溶性SiO2和Na2O的原料，其掺量按所含SiO2+Na2O的质量计为熟料粉的3.0%~12.0%，钠水玻璃的模数为1.0~3.2。
2.根据权利要求1所述的蒸养碱激发水泥的制备方法，其特征在于，所述的石灰石指以CaCO3为主要物相组成的天然岩石，其掺量按所含CaO与硅铝酸钾钠原料在1100℃氧化煅烧后的质量之比计为44.0%~80.0%。
3.根据权利要求1所述的蒸养碱激发水泥的制备方法，其特征在于，所述的煅烧后急冷为高炉矿渣急冷常用的水淬冷却法，水淬用水量控制到冷却至常温的熟料是干燥无水的。
4.一种根据权利要求1~3任意一项所述的方法制备蒸养碱激发水泥的使用方法，其特征在于，先将钠水玻璃用水溶解稀释，冷却后与熟料粉混合均匀制备浆体，将浆体振动密实成型得到水泥净浆试块，在50~80℃的饱和湿气中蒸养8~24小时，然后根据需要继续常温保湿养护至28天。
5.根据权利要求4所述的蒸养碱激发水泥的使用方法，其特征在于，在试块成型前的水泥浆体中掺入砂石骨料制备混凝土。
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