CN111302677A - 一种超硫酸盐水泥及其制备方法 - Google Patents

一种超硫酸盐水泥及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超硫酸盐水泥及其制备方法，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：第一矿渣40～60％；第二矿渣10～30％；通用水泥2～8％；石膏10～25％；碱性激发剂0.5～2％；石灰石3～10％；其中，所述第一矿渣和第二矿渣的粒径分布不同。本发明所述超硫酸盐水泥在基础原料中加入碱性激发剂、石灰石等组分，通过促进矿渣的分散、溶解和水化，或者与矿渣的反应，降低超硫酸盐水泥的孔隙率，提高碱度，以增强其抗渗透和抗碳化性能；通过将矿渣原料粒径分级化，提高超硫酸盐水泥的密实度，进一步提高抗碳化性能；所述超硫酸盐水泥组成简单，水泥使用量较少，成本较低，且制备方法简单，适合大规模应用。

Description

一种超硫酸盐水泥及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种超硫酸盐水泥及其制备方法。
背景技术
随着社会的快速发展，环境保护的重要性日益凸显，而环境保护需要从各行各业做起，对于建筑业，加快发展绿色建筑与建材，建设低碳城市，是社会可持续发展的必然选择。混凝土是目前用量最多的建筑材料，每年消耗近40亿立方米，其中水泥是组成混凝土的重要材料之一，约占混凝土总量的1/6。水泥生产以矿产资源为基本原料，以化石能源为主要燃料，是一种以高温窑炉这种高耗能、高排放作业方式为主体的产业。因此，降低现有普通硅酸盐水泥的使用量是目前的主要解决方式之一。
降低水泥的使用量的方式主要有两类，一是降低混凝土中水泥的占比，即提高提高矿物掺合料或工业废渣在水泥混凝土中比例，二是发展新型胶凝材料。超硫酸盐水泥是一种基于碱、硫酸盐对矿渣潜在活性的复合激发作用而制备的绿色水硬性新型胶凝材料，其中水泥所占比例也较低，同时满足上述两种解决方式，其生产能耗和CO2排放量均较少，有利于水泥行业的绿色可持续发展。
CN 101423343A公开了一种钢渣超硫酸盐水泥及其制备方法，该超硫酸盐水泥的组成按重量级包括钢渣20～80％、矿渣和/或粉煤灰5～65％、硫酸盐激活剂5～25％、水泥熟料或氢氧化钙1～10％以及碱性激活剂0.05～3％，该超硫酸盐水泥的最主要组分为钢渣，钢渣的水化活性不佳，且与其他组分的粘结性较弱，造成抗压强度等性能较差。
CN 103435279A公开了一种掺钛矿渣超硫酸盐水泥及其制备方法，所述掺钛矿渣超硫酸盐水泥各组分按重量份数计为：粒化高炉矿渣20～50份，钛矿渣20～50份，复合激发剂10～30份，其中复合激发剂由碱性激发剂、硫酸盐激发剂和铝酸盐激发剂组成，经过配料、煅烧及粉磨准备，该超硫酸盐水泥以钛矿渣作为主要组成之一，降低了原料成本，但组分之间结合性较弱，需要复杂的激发剂成分，对激发剂成分要求较高。
同时上述专利中的超硫酸盐水泥均未提及或改进其抗碳化性能，仍未解决抗碳化性能较差的问题，限制了其应用范围，因此，对于超硫酸盐水泥改进，还需致力于提高抗碳化性能，从而提高力学性能，延长使用寿命。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超硫酸盐水泥及其制备方法，所述超硫酸盐水泥在基础原料中加入碱性激发剂等组分，并将矿渣粒径分级化，有效降低超硫酸盐水泥的孔隙率，提高密实度，从而提高其抗碳化性能，延长超硫酸盐水泥混凝土的使用寿命。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种超硫酸盐水泥，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure BDA0002394942560000021
其中，所述第一矿渣和第二矿渣的粒径分布不同。
本发明中，所述超硫酸盐水泥的组分选择，在矿渣、水泥、石膏等组分基础上，加入碱性激发剂促进矿渣的分散、溶解和水化，加入石灰石可与矿渣发生反应，增加固相体积，两者均可降低孔隙率，提高碱度，以增强其抗渗透和抗碳化性能，同时将矿渣粒径分级，可有效提高超硫酸盐水泥的密实度，改善孔结构，进一步提高抗碳化性能。
其中，所述超硫酸盐水泥的组分中，第一矿渣的质量分数可选40wt％、45wt％、50wt％、55wt％或60wt％等，第二矿渣的质量分数可选10wt％、15wt％、20wt％、25wt％或30wt％等，通用水泥的质量分数可选2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％或8wt％等，石膏的质量分数可选10wt％、12wt％、15wt％、18wt％、20wt％、22wt％或25wt％等，碱性激发剂的质量分数可选0.5wt％、0.8wt％、1wt％、1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％或2wt％等，石灰石的质量分数可选3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、8wt％或10wt％等，但并不仅限于所列举的数值，在各自数值范围内其他未列举的数值同样适用，上述组分的质量分数总计为100wt％。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述第一矿渣和第二矿渣均为高炉矿渣。
本发明中，所述高炉矿渣为钢铁厂排出的粒化高炉矿渣，其主要组成包括CaO、SiO2、Al2O3、MgO等。
作为本发明优选的技术方案，所述第一矿渣的中位径大于第二矿渣的中位径。
优选地，所述第一矿渣的比表面积为300～500m2/kg，例如300m2/kg、320m2/kg、350m2/kg、375m2/kg、400m2/kg、420m2/kg、450m2/kg、480m2/kg或500m2/kg等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二矿渣的比表面积不小于800m2/kg，例如800m2/kg、820m2/kg、840m2/kg、860m2/kg、880m2/kg或900m2/kg等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述第一矿渣和第二矿渣组成相同，但是其粒径分布不同，固体颗粒的粒径越小，比表面积越大，后者能够在一定程度上反映矿渣粒径的大小，通过引入不同粒径范围的矿渣颗粒，有助于不同颗粒间的级配，从而提高超硫酸盐水泥的密实度，改善孔结构，具体使用时水化产物增多，提升超硫酸盐水泥的早期强度和后期强度，提高抗碳化性能。
作为本发明优选的技术方案，所述通用水泥包括硅酸盐水泥和/或普通硅酸盐水泥。
本发明中，硅酸盐水泥的强度等级根据抗压强度可分为42.5、52.5、62.5三个等级，每个等级有两个类型普通型和早强型，后者用R表示，因此可分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5和62.5R六个等级；普通硅酸盐水泥的强度等级根据抗压强度可分为42.5、52.5两个等级，同样根据等级类型的划分，包括42.5、42.5R、52.5和52.5R四个等级。
作为本发明优选的技术方案，所述石膏包括二水石膏和/或Ⅱ型无水石膏。
优选地，所述二水石膏包括天然石膏和/或工业副产石膏。
优选地，所述石膏的比表面积为300～500m2/kg，例如300m2/kg、320m2/kg、350m2/kg、375m2/kg、400m2/kg、420m2/kg、450m2/kg、480m2/kg或500m2/kg等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，二水石膏可选择符合要求的天然石膏、工业副产石膏，其中后者有磷石膏、脱硫石膏等，通常需要先进行除杂后再利用；Ⅱ型无水石膏可选择满足要求的天然硬石膏，也可选择煅烧成的Ⅱ型无水石膏。
作为本发明优选的技术方案，所述碱性激发剂包括偏硅酸钠。
优选地，所述偏硅酸钠的目数不小于80目，例如80目、100目、120目、140目、150目、160目、180目或200目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，碱性激发剂优先选择偏硅酸钠，可选择化学试剂偏硅酸钠或工业产品偏硅酸钠，其纯度在95％以上。
偏硅酸钠加入后，可加速矿渣硅氧玻璃体结构解体，促进矿渣分散、溶解和水化，使得超硫酸盐水泥的早期凝结时间和强度得到改善，并降低水泥孔隙率，同时掺入的偏硅酸钠溶解释放出OH-，提高了超硫酸盐水泥体系的碱度，能够有效抵抗CO2侵蚀，提高浆体的抗渗性和抗碳化性能；其中，偏硅酸钠的加入量需要控制在一定含量范围，若加入量偏小，无法达到充分提高性能的效果，加入量过大，反而会造成后期强度降低。
优选地，所述石灰石的目数不小于200目，例如200目、225目、250目、270目、300目、320目或350目等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，石灰石作为一种添加组分，其能够与矿渣中的铝相发生反应，生成碳铝酸钙，可增大固相体积，从而降低孔隙率，而且根据石灰石与矿渣之间存在的相互作用，石灰石加入量的多少，可明显影响其与矿渣颗粒的配合关系，从而影响其抗碳化性能的提高。
作为本发明优选的技术方案，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure BDA0002394942560000061
其中，所述第一矿渣的中位径大于第二矿渣的中位径。
另一方面，本发明提供了一种上述超硫酸盐水泥的制备方法，所述方法包括：
将上述超硫酸盐水泥的组分按配方量进行混合，混合均匀后得到所述超硫酸盐水泥。
作为本发明优选的技术方案，所述组分在混合前先各自进行粉磨以达到粒径要求。
作为本发明优选的技术方案，所述混合在强制混料机中进行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述超硫酸盐水泥在基础原料中加入碱性激发剂、石灰石等组分，通过促进矿渣的分散、溶解和水化，或者与矿渣的反应，降低超硫酸盐水泥的孔隙率，提高碱度，以增强其抗渗透和抗碳化性能；
(2)本发明所述超硫酸盐水泥将矿渣原料粒径分级化，通过不同粒径间颗粒的配合，提高超硫酸盐水泥的密实度，提高其早期和后期强度，进一步提高抗碳化性能，相同时间内的碳化深度可降低30％以上；
(3)本发明所述超硫酸盐水泥组成简单，水泥使用量较少，成本较低，且制备方法简单，适合大规模应用。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施方式部分提供了一种超硫酸盐水泥及其制备方法，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure BDA0002394942560000071
其中，所述第一矿渣和第二矿渣的粒径分布不同。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种超硫酸盐水泥及其制备方法，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure BDA0002394942560000072
其中，所述第一矿渣和第二矿渣均为高炉矿渣，第一矿渣的比表面积为475m2/kg，第二矿渣的比表面积为833m2/kg。
所述硅酸盐水泥为P·Ⅱ硅酸盐水泥，强度等级为42.5。
所述Ⅱ型无水石膏由工业副产磷石膏煅烧得到，比表面积为435m2/kg。
所述偏硅酸钠为工业级偏硅酸钠，纯度为98％，粒径为80目；石灰石的目数为250目。
所述超硫酸盐水泥的制备方法包括：
将上述超硫酸盐水泥的组分各自进行粉磨达到粒径要求后，按配方量在强制混料机中进行混合，混合均匀后得到所述超硫酸盐水泥。
实施例2：
本实施例提供了一种超硫酸盐水泥及其制备方法，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure BDA0002394942560000081
其中，所述第一矿渣和第二矿渣均为高炉矿渣，第一矿渣的比表面积为325m2/kg，第二矿渣的比表面积为807m2/kg。
所述硅酸盐水泥为P·Ⅰ硅酸盐水泥，强度等级为52.5R。
所述Ⅱ型无水石膏由工业副产磷石膏煅烧得到，比表面积为313m2/kg。
所述偏硅酸钠为工业级偏硅酸钠，纯度为98％，粒径为100目；石灰石的目数为200目。
所述超硫酸盐水泥的制备方法包括：
将上述超硫酸盐水泥的组分各自进行粉磨达到粒径要求后，按配方量在强制混料机中进行混合，混合均匀后得到所述超硫酸盐水泥。
实施例3：
本实施例提供了一种超硫酸盐水泥及其制备方法，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure BDA0002394942560000091
其中，所述第一矿渣和第二矿渣均为高炉矿渣，第一矿渣的比表面积为443m2/kg，第二矿渣的比表面积为856m2/kg。
所述普通硅酸盐水泥的强度等级为42.5。
所述Ⅱ型无水石膏由工业副产脱硫石膏煅烧得到，比表面积为418m2/kg。
所述偏硅酸钠为工业级偏硅酸钠，纯度为99％，粒径为120目；石灰石的目数为300目。
所述超硫酸盐水泥的制备方法包括：
将上述超硫酸盐水泥的组分各自进行粉磨达到粒径要求后，按配方量在强制混料机中进行混合，混合均匀后得到所述超硫酸盐水泥。
实施例4：
本实施例提供了一种超硫酸盐水泥及其制备方法，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure BDA0002394942560000101
其中，所述第一矿渣和第二矿渣均为高炉矿渣，第一矿渣的比表面积为470m2/kg，第二矿渣的比表面积为880m2/kg。
所述普通硅酸盐水泥的强度等级为52.5R。
所述二水石膏为工业副产石膏，比表面积为452m2/kg。
所述偏硅酸钠为工业级偏硅酸钠，纯度为98％，粒径为90目；石灰石的目数为225目。
所述超硫酸盐水泥的制备方法包括：
将上述超硫酸盐水泥的组分各自进行粉磨达到粒径要求后，按配方量在强制混料机中进行混合，混合均匀后得到所述超硫酸盐水泥。
实施例5：
本实施例提供了一种超硫酸盐水泥及其制备方法，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure BDA0002394942560000111
其中，所述第一矿渣和第二矿渣均为高炉矿渣，第一矿渣的比表面积为370m2/kg，第二矿渣的比表面积为945m2/kg。
所述硅酸盐水泥为P·Ⅱ硅酸盐水泥，强度等级为62.5。
所述二水石膏为天然石膏，比表面积为360m2/kg。
所述偏硅酸钠为化学试剂偏硅酸钠，纯度为97％，粒径为150目；石灰石的目数为270目。
所述超硫酸盐水泥的制备方法包括：
将上述超硫酸盐水泥的组分各自进行粉磨达到粒径要求后，按配方量在强制混料机中进行混合，混合均匀后得到所述超硫酸盐水泥。
对比例1：
本对比例提供了一种超硫酸盐水泥，所述超硫酸盐水泥的组分参照实施例1中的组分，区别在于：不包括偏硅酸钠和石灰石，偏硅酸钠和石灰石所占质量分数按比例分配到其它组分上；所述矿渣不分为第一矿渣和第二矿渣，矿渣的比表面积与实施例1中第一矿渣的比表面积相同。
对比例2：
本对比例提供了一种超硫酸盐水泥，所述超硫酸盐水泥的组分参照实施例1中的组分，区别在于：不包括偏硅酸钠，偏硅酸钠所占质量分数按比例分配到其它组分上。
对比例3：
本对比例提供了一种超硫酸盐水泥，所述超硫酸盐水泥的组分参照实施例1中的组分，区别在于：不包括石灰石，石灰石所占质量分数按比例分配到其它组分上。
对比例4：
本对比例提供了一种超硫酸盐水泥，所述超硫酸盐水泥的组分参照实施例1中的组分，区别在于：所述矿渣不分为第一矿渣和第二矿渣，矿渣的比表面积与实施例1中第一矿渣的比表面积相同。
将实施例1-5和对比例1-4所得超硫酸盐水泥按照GB/T175-2007《通用硅酸盐水泥》进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1实施例1-5和对比例1-4所得超硫酸盐水泥的性能测试结果
Figure BDA0002394942560000121
Figure BDA0002394942560000131
由表1数据可知，实施例1-5中采用本发明所述组分得到的超硫酸盐水泥，通过掺入碱性激发剂、石灰石以及将矿渣粒径分级，使超硫酸盐水泥的早期性能和后期性能提高，尤其是抗碳化性能提高；与对比例1相比，初凝、终凝时间均缩短，早期、后期强度均增加，28天碳化后的强度相比非碳化强度降低不明显，28天碳化深度与对比例1相比减少了30％以上；
而对比例2中未加入偏硅酸钠作为碱性激发剂，矿渣水化速率相对降低，相比实施例，初凝、终凝时间延长，也未能有效调解碱度，抗碳化性能有所减弱；对比例3中未加入石灰石，无法充分发挥矿渣组分的作用，孔隙率相对较高，抗碳化性能减弱；对比例4中未将矿渣颗粒分级化，水化凝结后密实度相对较低，因此强度较低，抗碳化性能减弱。
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述超硫酸盐水泥在基础原料中加入碱性激发剂、石灰石等组分，通过促进矿渣的分散、溶解和水化，或者与矿渣的反应，降低超硫酸盐水泥的孔隙率，提高碱度，以增强其抗渗透和抗碳化性能；将矿渣原料粒径分级化，通过不同粒径间颗粒的配合，提高超硫酸盐水泥的密实度，提高其早期和后期强度，进一步提高抗碳化性能，相同时间内的碳化深度可降低30％以上；所述超硫酸盐水泥组成简单，水泥使用量较少，成本较低，且制备方法简单，适合大规模应用。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细产品与方法，但本发明并不局限于上述详细产品与方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细产品与方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品组分的等效替换及辅助组分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种超硫酸盐水泥，其特征在于，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure FDA0002394942550000011
其中，所述第一矿渣和第二矿渣的粒径分布不同。
2.根据权利要求1所述的超硫酸盐水泥，其特征在于，所述第一矿渣和第二矿渣均为高炉矿渣；
优选地，所述高炉矿渣的来源包括钢铁厂排出的粒化高炉矿渣。
3.根据权利要求1或2所述的超硫酸盐水泥，其特征在于，所述第一矿渣的中位径大于第二矿渣的中位径；
优选地，所述第一矿渣的比表面积为300～500m2/kg；
优选地，所述第二矿渣的比表面积不小于800m2/kg。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超硫酸盐水泥，其特征在于，所述通用水泥包括硅酸盐水泥和/或普通硅酸盐水泥。
5.根据权利要求1-4任一项所述的超硫酸盐水泥，其特征在于，所述石膏包括二水石膏和/或Ⅱ型无水石膏；
优选地，所述二水石膏包括天然石膏和/或工业副产石膏；
优选地，所述石膏的比表面积为300～500m2/kg。
6.根据权利要求1-5任一项所述的超硫酸盐水泥，其特征在于，所述碱性激发剂包括偏硅酸钠；
优选地，所述偏硅酸钠的目数不小于80目；
优选地，所述石灰石的目数不小于200目。
7.根据权利要求1-6任一项所述的超硫酸盐水泥，其特征在于，所述超硫酸盐水泥按质量分数计，包括以下组分：
Figure FDA0002394942550000021
其中，所述第一矿渣的中位径大于第二矿渣的中位径。
8.根据权利要求1-7任一项所述的超硫酸盐水泥的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将权利要求1-7任一项所述超硫酸盐水泥的组分按配方量进行混合，混合均匀后得到所述超硫酸盐水泥。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述组分在混合前先各自进行粉磨以达到粒径要求。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述混合在强制混料机中进行。
CN202010127850.3A 2020-02-28 2020-02-28 一种超硫酸盐水泥及其制备方法 Pending CN111302677A (zh)

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