CN110713374A - 一种镍铁渣基磷酸镁水泥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镍铁渣基磷酸镁水泥，该镍铁渣基磷酸镁水泥以烧结氧化镁、镍铁渣混合物、磷酸盐、硼砂、缓凝剂作为原料制备，其中，镍铁渣混合物为酸化处理后的镍铁渣和氧化镁粉末的混合物，其处理过程为：将镍铁渣在真空环境中煅烧，随炉自然冷却至100~150℃后加入弱酸中，在弱酸中保温酸化处理后，加入氧化镁粉末混合均匀后于再次高温煅烧，并在煅烧后粉磨制成镍铁渣混合物；该镍铁渣基磷酸镁水泥在制备时将按顺序加入搅拌锅，经过搅拌后得到水泥胶凝材料，再依次进行浇筑、振捣和养护后成型。本发明能有效降低磷酸镁水泥的生产成本，并具有较佳的强度和稳定性。

Description

一种镍铁渣基磷酸镁水泥及其制备方法

技术领域

本发明涉及水泥的制备工艺技术领域，尤其涉及一种镍铁渣基磷酸镁水泥及其制备方法。

背景技术

水泥作为建筑行业三大基础材料之一，是用量最多的建筑材料，其使用广，用量大，作为一种粉状水硬性无机胶凝材料，水泥料通常是在加水搅拌后制成的砂浆或混凝土，被广泛应用于建筑工程、交通工程、海上平台等基建工程中。

而作为一种常用的补强型水泥，磷酸镁水泥（Magnesia-PhosphateCement，MPC）与普通硅酸盐水泥相比，其主要由烧结氧化镁、磷酸盐和缓凝剂按一定比例配制而成，具有凝结时间短，早期强度发展较快、强度高，耐磨性好，收缩率低，新旧混凝土粘结强度高，抗温变性能好等优点。在磷酸镁水泥的制备过程中，影响因素主要有原料、镁磷比(M/P)、水胶比(W/B)、缓凝剂和掺合料种类及其掺量等，其中，原料中的烧结氧化镁的含量和品质对磷酸镁水泥性能有着至关重要的影响，领域中常用的烧结氧化镁主要是菱镁矿经1600℃以上高温煅烧后磨细而得，其在磷酸镁水泥中的占比可达50-80％，由于煅烧后得到的氧化镁价格偏高，使得成品磷酸镁水泥的价格居高不下，不利于磷酸镁水泥的应用和推广。

而除菱镁矿矿外，镍铁渣作为一种从镍铁合金中分离出来的一种工业副产品，其排放量大，但实际的回收利用率却很低，大多被露天堆放或填埋处理，对生态环境构成了潜在威胁，而镍铁渣中氧化镁含量较高，且氧化镁主要是以镁橄榄石（Mg₂SiO₄）的矿物结晶相形式存在，可在酸性条件下进行利用，若能通过工艺改进将镍铁渣应用于磷酸镁水泥的制备，来对原料中的烧结氧化镁进行比例替换，一方面能显著扩大磷酸镁水泥原材料中氧化镁原材料的选择范围，降低生产成本；而另一方面还能进行工业废料的二次循环利用，减少环境负担。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种镍铁渣基磷酸镁水泥及其制备方法，这种镍铁渣基磷酸镁水泥利用镍铁渣这种工业废渣作为原料，对原料中的烧结氧化镁进行替换，以有效降低成本，来解决现有技术中的技术缺陷。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种镍铁渣基磷酸镁水泥，包括以下质量份的原料：

烧结氧化镁 60~80份

镍铁渣混合物 30~40份

磷酸盐 15~30份

硼砂 10~15份

缓凝剂 3~8份

其中：所述镍铁渣混合物为酸化处理后的镍铁渣和氧化镁粉末的混合物，其处理过程为：将镍铁渣在700~900℃的真空环境中煅烧30~60min后，随炉自然冷却至100~150℃后加入弱酸中，在60~70℃的温度条件下进行酸化处理50~90min后取出，加入占镍铁渣质量的6~8%的氧化镁粉末混合均匀后于1000~1100℃的温度条件下煅烧30~40min后粉磨制成。

作为进一步限定，所述烧结氧化镁由质量纯度大于93％的菱镁矿煅烧后粉磨而成。

作为进一步限定，所述烧结氧化镁与镍铁渣均通过两次磨细处理，且磨细后过100目筛后的筛上余量小于10%，同时保持烧结氧化镁的比表面积大于200m²/kg，镍铁渣的比表面积大于220m²/kg。

作为进一步限定，所述镍铁渣优选采用电炉制镍后的电炉镍铁渣作为原料，且所述电炉镍铁渣中氧化镁的测定质量百分比含量不少于30%。

作为进一步限定，所述磷酸盐为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾的一种或者混合物，且作为原料的磷酸盐级别为工业纯，质量纯度大于96％。

作为进一步限定，所述缓凝剂为纯度为98%以上的硼酸。

作为进一步限定，所述缓凝剂为硼酸、葡萄糖、蔗糖和柠檬酸的混合物，其中，硼酸的质量分数不少于50%，而葡萄糖与蔗糖的质量分数之和不多于30%。

作为进一步限定，所述弱酸为磷酸、草酸和蚁酸的任意比例的混合物酸，且所述混合物酸中磷酸、草酸和蚁酸的优选摩尔比为6:2:1。

一种镍铁渣基磷酸镁水泥的制备方法，其主要生产流程包括：

S1、根据计算配比称量原料，将作为原料的烧结氧化镁、镍铁渣混合物、磷酸盐、硼砂、缓凝剂按照顺序分别投入到搅拌锅中，先在60~80rad/min的转速下低速搅拌30~60S使干料混合均匀，然后加水先在60~80rad/min的转速下低速搅拌15~20S，然后在300~900rad/min的转速下低速搅拌45~60s，使得水泥砂浆充分混合均匀得到水泥胶凝材料；

S2、将搅拌均匀的水泥胶凝材料迅速浇筑到试模中，振捣均匀，然后置于空气中自然养护，养护2~3h后拆模，将试块在空气中自然养护。

有益效果：本发明的镍铁渣基磷酸镁水泥与传统磷酸镁水泥的性能相近，具有粘结强度高及体积稳定性好等优异性能，且流动性较好、早期强度较高、凝结时间可控的优点，成型后理化性能优越，能够满足快强施工要求，可在混凝土结构快速修补与加固等领域得到良好应用，同时在危险废物的固化处理等方面也展现出广泛的应用前景。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例一：

在实施例一中镍铁渣基磷酸镁水泥由以下组分的原料制备：

烧结氧化镁800kg、镍铁渣混合物400kg、磷酸盐150kg、硼砂100kg、缓凝剂30kg。其中，烧结氧化镁由质量纯度为95％的菱镁矿煅烧后粉磨而成；而镍铁渣混合物为酸化处理后的镍铁渣和氧化镁粉末的混合物，其中，镍铁渣为电炉镍铁渣，主要化学组成为氧化硅、氧化镁和以及三氧化二铁，其中，氧化镁主要以镁橄榄石的矿物形式存在，其换算后的氧化镁测定含量为31.5%；磷酸盐为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵的质量比1:1的混合物，且采用的磷酸二氢钾、磷酸二氢铵均为工业纯，质量纯度分别为98%以及99%；缓凝剂为纯度为99.0%的硼酸。

制备时，先将烧结氧化镁和镍铁渣混合物进行预处理，将烧结氧化镁在烧结后直接磨细，过100目筛后的保证筛上余量小于10%，并控制比表面积大于200m²/kg；而镍铁渣混合物处理时将将镍铁渣在900℃的真空环境中煅烧30min后，随炉自然冷却至140℃后加入磷酸、草酸摩尔比1:1的弱酸中，在70℃的温度条件下进行酸化处理80min后取出，加入占镍铁渣质量的8%的氧化镁粉末混合均匀后于1100℃的温度条件下煅烧30min后利用球磨机粉磨，粉磨后过100目筛，保证筛上余量小于10%，并控制比表面积大于220m²/kg。

使用时，先将原料的烧结氧化镁、镍铁渣混合物、磷酸盐、硼砂、缓凝剂按照顺序分别投入到搅拌锅中，先在60~80rad/min的转速下低速搅拌60S使干料混合均匀，然后加水先在60~80rad/min的转速下低速搅拌15S，然后在300~900rad/min的转速下低速搅拌60S，使得水泥砂浆充分混合均匀得到水泥胶凝材料；然后将搅拌均匀的水泥胶凝材料迅速浇筑到试模中，振捣均匀，然后置于空气中自然养护，养护2~3h后拆模，将试块在空气中自然养护。

实施例二：

在实施例二中镍铁渣基磷酸镁水泥由以下组分的原料制备：

烧结氧化镁700kg、镍铁渣混合物350kg、磷酸盐200kg、硼砂120kg、缓凝剂60kg。其中，烧结氧化镁由质量纯度为96％的菱镁矿煅烧后粉磨而成；而镍铁渣混合物为酸化处理后的镍铁渣和氧化镁粉末的混合物，其中，镍铁渣为电炉镍铁渣，主要化学组成为氧化硅、氧化镁和以及三氧化二铁，其中，氧化镁主要以镁橄榄石的矿物形式存在，其换算后的氧化镁测定含量为33.65%；磷酸盐为磷酸二氢铵，且采用的磷酸二氢铵为工业纯，质量纯度分别为99.6%；缓凝剂为硼酸、葡萄糖、蔗糖和柠檬酸的混合物，其中，硼酸的纯度为99.5%，其加入的质量分数为62%，而葡萄糖和蔗糖加入的质量分数均为12%、柠檬酸加入的质量分数为14%。

制备时，先将烧结氧化镁和镍铁渣混合物进行预处理，将烧结氧化镁在烧结后直接磨细，过100目筛后的保证筛上余量小于10%，并控制比表面积大于200m²/kg；而镍铁渣混合物处理时将将镍铁渣在800℃的真空环境中煅烧40min后，随炉自然冷却至135℃后加入磷酸、草酸和蚁酸摩尔比6:2:1的弱酸中，在65℃的温度条件下进行酸化处理80min后取出，加入占镍铁渣质量的7%的氧化镁粉末混合均匀后于1050℃的温度条件下煅烧30min后利用球磨机粉磨，粉磨后过100目筛，保证筛上余量小于10%，并控制比表面积大于220m²/kg。

使用时，先将原料的烧结氧化镁、镍铁渣混合物、磷酸盐、硼砂、缓凝剂按照顺序分别投入到搅拌锅中，先在60~80rad/min的转速下低速搅拌45S使干料混合均匀，然后加水先在60~80rad/min的转速下低速搅拌15S，然后在300~900rad/min的转速下低速搅拌50s，使得水泥砂浆充分混合均匀得到水泥胶凝材料；然后将搅拌均匀的水泥胶凝材料迅速浇筑到试模中，振捣均匀，然后置于空气中自然养护，养护2~3h后拆模，将试块在空气中自然养护。

在上述实施例中，镍铁渣基磷酸镁水泥通过将镍铁渣进行多次煅烧，能将杂质含量有效降低，同时，通过煅烧，使得镍铁渣更容易被破碎，而带温进行酸化是因为在酸性条件下，镁橄榄石中的氧化镁键可以被氢离子解离，进而溶解出镁离子，但在常温下镁橄榄石溶解较慢，因而在酸化过程中需要将溶解温度进行控制，同时，通过三种弱酸组成的混合酸在对镍铁渣进行酸化处理后，能使镁离子排列更加规则，使得其在加入氧化镁粉末煅烧时使氧化镁颗粒之间堆积得更加紧密，降低氧化镁的活性。

同时，由于磷酸镁水泥凝结速度非常快，为了不影响其施工操作，通常需要加入较多掺量的缓凝剂来延长凝结时间。目前使用最多的缓凝剂为硼砂或者硼酸，但硼砂价格偏贵，且对酸化处理后的氧化镁稳定性差，因而可以采用弱酸性的缓凝剂，如硼酸或者硼酸与柠檬酸的混合酸，而为了进一步减缓凝结速度还可以在硼酸与柠檬酸的混合酸中加入葡萄糖、蔗糖来减缓反应速率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种镍铁渣基磷酸镁水泥，其特征在于，包括以下质量份的原料：

烧结氧化镁 60~80份

镍铁渣混合物 30~40份

磷酸盐 15~30份

硼砂 10~15份

缓凝剂 3~8份

其中：所述镍铁渣混合物为酸化处理后的镍铁渣和氧化镁粉末的混合物，其处理过程为：将镍铁渣在700~900℃的真空环境中煅烧30~60min后，随炉自然冷却至100~150℃后加入弱酸中，在60~70℃的温度条件下进行酸化处理50~90min后取出，加入占镍铁渣质量的6~8%的氧化镁粉末混合均匀后于1000~1100℃的温度条件下煅烧30~40min后粉磨制成。

2.根据权利要求1所述的镍铁渣基磷酸镁水泥，其特征在于，所述烧结氧化镁由质量纯度大于93％的菱镁矿煅烧后粉磨而成。

3.根据权利要求1所述的镍铁渣基磷酸镁水泥，其特征在于，所述烧结氧化镁与所述镍铁渣均通过两次磨细处理，且磨细后过200目筛后的筛上余量小于10%，且所述烧结氧化镁的比表面积大于200m²/kg，而所述镍铁渣的比表面积大于220m²/kg。

4.根据权利要求1所述的镍铁渣基磷酸镁水泥，其特征在于，所述镍铁渣采用电炉制镍后的电炉镍铁渣作为原料，且所述电炉镍铁渣中氧化镁的测定质量百分比含量不少于30%。

5.根据权利要求1所述的镍铁渣基磷酸镁水泥，其特征在于，所述磷酸盐为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾的一种或者混合物，且作为原料的磷酸盐级别为工业纯，质量纯度大于96％。

6.根据权利要求1所述的镍铁渣基磷酸镁水泥，其特征在于，所述缓凝剂为纯度为98%以上的硼酸。

7.根据权利要求1所述的镍铁渣基磷酸镁水泥，其特征在于，所述缓凝剂为硼酸、葡萄糖、蔗糖和柠檬酸的混合物，其中，硼酸的质量分数不少于50%，而葡萄糖与蔗糖的质量分数之和不多于30%。

8.根据权利要求1所述的镍铁渣基磷酸镁水泥，其特征在于，所述弱酸为磷酸、草酸和蚁酸的任意比例的混合物酸。

9.根据权利要求8所述的镍铁渣基磷酸镁水泥，其特征在于，所述混合物酸中磷酸、草酸和蚁酸的摩尔比为6:2:1。

10.一种镍铁渣基磷酸镁水泥的制备方法，其特征在于，利用权利要求1~8中任一一种镍铁渣基磷酸镁水泥的原料进行制备，其生产流程包括：

S1、根据计算配比称量原料，将作为原料的烧结氧化镁、镍铁渣混合物、磷酸盐、硼砂、缓凝剂按照顺序分别投入到搅拌锅中，先在60~80rad/min的转速下低速搅拌30~60S使干料混合均匀，然后加水先在60~80rad/min的转速下低速搅拌15~20S，然后在300~900rad/min的转速下低速搅拌45~60s，使得水泥砂浆充分混合均匀得到水泥胶凝材料；

S2、将搅拌均匀的水泥胶凝材料迅速浇筑到试模中，振捣均匀，然后置于空气中自然养护，养护2~3h后拆模，将试块在空气中自然养护。