CN111943541A - 一种利用高岭土的碱激发水泥制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用高岭土的碱激发水泥制备方法，先以高岭土细粉、固体硅酸钠、固体碳酸钠和固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；所得混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得粒径小于75μm碱激发水泥细粉；所得碱激发水泥细粉中外加硅砂、减水剂，水灰比0.40～0.53浇筑成型，养护即得碱激发水泥砂浆试块。本发明与传统的双组分碱激发水泥相比，避免了使用具有侵蚀性的碱激发溶液，更有利于存贮、运输和使用，以及安全生产。单组分碱激发水泥与硅酸盐水泥粘结剂类似，直接加水即可形成碱性铝硅酸盐粘结剂凝胶，施工方便且安全。

Description

一种利用高岭土的碱激发水泥制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种利用高岭土的碱激发水泥制备方法。
背景技术
2019年我国水泥产量达23.3亿吨，其中大部分为硅酸盐水泥。硅酸盐水泥的生产是一个高能耗过程，每吨硅酸盐水泥的能耗约为4GJ；同时也是一个高碳排放的过程，每吨硅酸盐水泥约排放0.8吨二氧化碳，占全球二氧化碳排放总量的5％以上。因此，迫切需要开发新的环境友好的胶凝材料以替代普通硅酸盐水泥。
在过去的几十年里，碱激发水泥在世界范围内引起许多研究者的关注，因为与传统硅酸盐水泥相比，其具有强度高、耐久性强、抗侵蚀性强、能耗低和低碳排放等特点。碱激发水泥根据制备方式分为双组分碱激发水泥和单组分碱激发水泥。双组分碱激发水泥是由固体铝硅酸盐和强碱的水溶液两部分组成。由于双组分碱激发水泥需要大量侵蚀性碱性溶液，在运输过程中较为困难，也不利于安全生产，因而商业运用有限。为了在现场应用中得到更广泛的接受，需要考虑开发单组分固体粉末来替代高碱性溶液。
CN201810192741.2公开了一种碱激发水泥及其制备方法，采用工业废渣和固体碱激发剂为原料，通过机压成型、煅烧、粉磨制备碱激发水泥，虽然抗压强度较高，但由于人造矿渣能耗高，而炼铁副产矿渣产量少，且其成分和性质波动较大，因而当大量加入矿渣制备碱矿渣水泥时会使水泥性质不稳定。
CN201910835458.1公开了一种蒸养碱激发水泥的制备和使用方法，采用少量工业碱和硅铝酸钾钠及石灰石为原料混合煅烧后制得高强、快硬水泥。将硅铝酸钙煅烧熔融极冷得到以非晶玻璃相为主的高炉矿渣，具有较高的碱激发胶凝性，从而提高了反应活性，但是混合粉在1250～1350℃煅烧，能耗较高，且污染环境。
CN201210238413.4公开了一种单组分碱激发水泥的制备及其使用方法，将硅铝质粘土与氧化硅、氧化铝和氧化钙等固体原料混合、煅烧制得强度良好的水泥。该方法所制备的水泥更利于存贮、运输及使用，但是加入的氧化钾和氧化钠含量为6～25％，且碱金属来自于昂贵的工业碱盐，增加了成本。
发明内容
本发明目的在于提供一种碱激发水泥制备方法，以高岭土为硅铝源原料，以固体硅酸钠、固体碳酸钠和固体氧化钙为复合碱激发剂，得到的一种工艺简单、低碳排放、低能耗的碱激发水泥，用该方法制备的碱激发水泥具有较高的抗压强度，较好的耐水性。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种利用高岭土的碱激发水泥制备方法，包括以下步骤：
1)先以高岭土细粉、固体硅酸钠、固体碳酸钠和固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；
2)所得混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得粒径小于75μm碱激发水泥细粉；
3)所得碱激发水泥细粉中外加硅砂、减水剂，水灰比0.40～0.53浇筑成型，养护即得碱激发水泥砂浆试块。
按上述方案，步骤1中各原料以质量百分数计如下：
高岭土细粉55～77wt％；固体硅酸钠2～10wt％；固体碳酸钠7～17wt％；固体氧化钙9～32wt％。
按上述方案，步骤3中外加2.75wt％的硅砂和3wt％的减水剂。
按上述方案，步骤3在相对湿度＞95％的室温下保湿养护24h。
按上述方案，所述高岭土细粉的化学成分：SiO2含量＞52wt％，Al2O3含量＞26wt％，Fe2O3含量＜8wt％，K2O和Na2O含量＜1.7wt％，CaO含量＜2.2wt％。
按上述方案，所述硅砂比重为2.67，平均粒径小于0.25mm。
按上述方案，所述减水剂为聚羧酸盐、聚丙烯酸盐和木质素磺酸盐中的一种。
相对于现有技术，本发明制备的碱激发水泥有益效果如下：
本发明以天然矿物高岭土作为原料，富含氧化铝和二氧化硅，来源丰富，是作为碱激发水泥前驱体的优质原料，对于高效利用特色资源意义重大。在碱存在的情况下，高岭土结构易发生分解，形成无序、更有活性的地聚合物粉末。
本发明采用单组份方式制备碱激发水泥，以硅酸钠、碳酸钠和氧化钙固体粉末作为碱活化剂，与传统的双组分碱激发水泥相比，避免了使用具有侵蚀性的碱激发溶液，更有利于存贮、运输和使用，以及安全生产。单组分碱激发水泥与硅酸盐水泥粘结剂类似，直接加水即可形成碱性铝硅酸盐粘结剂凝胶，施工方便且安全。
本发明有望大幅度降低碳排放量和生产成本。硅酸盐水泥生产过程中的二氧化碳排放主要来自原料煅烧(占50％)和采石(占40％)，而本发明所使用得高岭土为天然材料，煅烧温度也远低于硅酸盐水泥，因此仅有少量碳排放。每生产相同单位质量的碱激发水泥，其碳排放量可减少70％，成本和能耗分别降低45％和70％。
本发明所制备的碱激发水泥经室温(相对湿度＞95％)保湿养护24h后，7天抗压强度分别达到12.6～24.6MPa和14.6～29.7MPa，软化系数为0.746～1.196。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种利用高岭土的碱激发水泥的制备方法，其特征在于：
(1)先以68～73wt％的高岭土细粉，6～9wt％的固体硅酸钠、14～17wt％的固体碳酸钠和9～18wt％的固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；
(2)将上述混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得碱激发水泥，水泥细粉的粒径小于75μm；
(3)将上述球磨后的水泥细粉外加2.75wt％的硅砂，3wt％的聚羧酸盐，水灰比为0.52～0.55，浇筑成型，在室温下(相对湿度＞95％)保湿养护24h，即得碱激发水泥砂浆试块。
本实施例1所制得的高岭土基碱激发水泥，经室温养护24h后，7天的抗压强度分别为12.6～14.6MPa和26.7～29.7MPa，软化系数为0.95～1.05。
实施例2
一种利用高岭土的碱激发水泥的制备方法，其特征在于：
(1)先以55～60wt％的高岭土细粉，3～6wt％的固体硅酸钠、10～16wt％的固体碳酸钠和24～32wt％的固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；
(2)将上述混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得碱激发水泥，水泥细粉的粒径小于75μm；
(3)将上述球磨后的水泥细粉外加2.75wt％的硅砂，3wt％的聚丙烯酸盐，水灰比为0.50～0.53，浇筑成型，在室温下(相对湿度＞95％)保湿养护24h，即得碱激发水泥砂浆试块。
本实施例2所制得的高岭土基碱激发水泥，经室温养护24h后，7天的抗压强度分别为17.6～19.6MPa和17.9～20.9MPa，软化系数为1.05～1.15。
实施例3
一种利用高岭土的碱激发水泥的制备方法，其特征在于：
(1)先以56～61wt％的高岭土细粉，7～10wt％的固体硅酸钠、13～16wt％的固体碳酸钠和15～24wt％的固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；
(2)将上述混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得碱激发水泥，水泥细粉的粒径小于75μm；
(3)将上述球磨后的水泥细粉外加2.75wt％的硅砂，3wt％的木质素磺酸盐，水灰比为0.48～0.51，浇筑成型，在室温下(相对湿度＞95％)保湿养护24h，即得碱激发水泥砂浆试块。
本实施例3所制得的高岭土基碱激发水泥，经室温养护24h后，7天的抗压强度分别为18.6～20.6MPa和13.3～16.3MPa，软化系数为1.15～1.25。
实施例4
一种利用高岭土的碱激发水泥的制备方法，其特征在于：
(1)先以60～65wt％的高岭土细粉，5～8wt％的固体硅酸钠、12～15wt％的固体碳酸钠和16～25wt％的固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；
(2)将上述混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得碱激发水泥，水泥细粉的粒径小于75μm；
(3)将上述球磨后的水泥细粉外加2.75wt％的硅砂，3wt％的聚羧酸盐，水灰比为0.46～0.49，浇筑成型，然后在室温下(相对湿度＞95％)保湿养护24h，即到碱激发水泥砂浆试块。
本实施例4所制得的高岭土基碱激发水泥，经室温养护24h后，7天的抗压强度为19.6～21.6MPa和12.7～15.7MPa，软化系数为0.90～1.00。
实施例5
一种利用高岭土的碱激发水泥的制备方法，其特征在于：
(1)先以65～70wt％的高岭土细粉，4～7wt％的固体硅酸钠、11～14wt％的固体碳酸钠和17～26wt％的固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；
(2)将上述混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得碱激发水泥，水泥细粉的粒径小于75μm；
(3)将上述球磨后的水泥细粉外加2.75wt％的硅砂，3wt％的聚羧酸盐，水灰比为0.44～0.47，浇筑成型，在室温下(相对湿度＞95％)保湿养护24h，即得碱激发水泥砂浆试块。
本实施例5所制得的高岭土基碱激发水泥，经室温养护24h后，7天的抗压强度分别为20.6～22.6MPa和12.0～15.0MPa，软化系数为0.85～0.95。
实施例6
一种利用高岭土的碱激发水泥的制备方法，其特征在于：
(1)先以69～74wt％的高岭土细粉，3～6wt％的固体硅酸钠、10～13wt％的固体碳酸钠和18～27wt％的固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；
(2)将上述混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得碱激发水泥，水泥细粉的粒径小于75μm；
(3)将上述球磨后的水泥细粉外加2.75wt％的硅砂，3wt％的聚丙烯酸盐，水灰比为0.42～0.45，浇筑成型，在室温下(相对湿度＞95％)保湿养护24h，即得碱激发水泥砂浆试块。
本实施例6所制得的高岭土基碱激发水泥，经室温养护24h后，7天的抗压强度分别为21.6～23.6MPa和11.6～14.6MPa，软化系数为0.80～0.90。
实施例7
一种利用高岭土的碱激发水泥的制备方法，其特征在于：
(1)先以72～77wt％的高岭土细粉，2～5wt％的固体硅酸钠、7～10wt％的固体碳酸钠和19～28wt％的固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；
(2)将上述混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得碱激发水泥，水泥细粉的粒径小于75μm；
(3)将上述球磨后的水泥细粉外加2.75wt％的硅砂，3wt％的木质素磺酸盐，水灰比为0.40～0.43，浇筑成型，在室温下(相对湿度＞95％)保湿养护24h，即得碱激发水泥砂浆试块。
本实施例7所制得的高岭土基碱激发水泥，经室温养护24h后，7天的抗压强度分别为22.6～24.6MPa和20.4～22.4MPa，软化系数为0.92～1.02。

Claims (7)

1.一种利用高岭土的碱激发水泥制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)先以高岭土细粉、固体硅酸钠、固体碳酸钠和固体氧化钙为原料，混合均匀，即得混合料；
2)所得混合料在900～1000℃的条件下保温0.5～1.5h，自然冷却至室温；将冷却后的熟料进行球磨，即得粒径小于75μm碱激发水泥细粉；
3)所得碱激发水泥细粉中外加硅砂、减水剂，水灰比0.40～0.53浇筑成型，养护即得碱激发水泥砂浆试块。
2.如权利要求1所述利用高岭土的碱激发水泥制备方法，其特征在于步骤1中各原料以质量百分数计如下：
高岭土细粉55～77wt％；固体硅酸钠2～10wt％；固体碳酸钠7～17wt％；固体氧化钙9～32wt％。
3.如权利要求1所述利用高岭土的碱激发水泥制备方法，其特征在于步骤3中外加2.75wt％的硅砂和3wt％的减水剂。
4.如权利要求1所述利用高岭土的碱激发水泥制备方法，其特征在于步骤3在相对湿度＞95％的室温下保湿养护24h。
5.如权利要求1所述利用高岭土的碱激发水泥制备方法，其特征在于所述高岭土细粉的化学成分：SiO2含量＞52wt％，Al2O3含量＞26wt％，Fe2O3含量＜8wt％，K2O和Na2O含量＜1.7wt％，CaO含量＜2.2wt％。
6.如权利要求1所述利用高岭土的碱激发水泥制备方法，其特征在于所述硅砂比重为2.67，平均粒径小于0.25mm。
7.如权利要求1所述利用高岭土的碱激发水泥制备方法，其特征在于所述减水剂为聚羧酸盐、聚丙烯酸盐和木质素磺酸盐中的一种。
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