CN112225516A - 一种高铁海工硅酸盐水泥及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及特种水泥材料领域，提供了一种高铁海工硅酸盐水泥及其制备方法。以质量份数计，所述高铁海工硅酸盐水泥包括：普通硅酸盐水泥40～80份；高铁相重构钢渣微粉20～60份；所述普通硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥熟料+5％石膏粉磨至比表面积为320～450m2/kg；所述高铁相重构钢渣微粉为高铁相重构钢渣+(5％～20％)石膏粉磨至比表面积为350～450m2/kg；制备高铁相重构钢渣的主要原料包括钢渣、调节组分。本发明提供的高铁海工硅酸盐水泥7d抗压强度高于26.0MPa，28d抗压强度高于45.0MP，抗硫酸盐侵蚀系数高于1.10，生产成本低，能耗低，铁相矿物易于控制，钢渣利用附加值高，可实现钢渣的规模化生产，同时避免了熟料矿物C4AF、C2S和C3S共同烧结时因C4AF设计含量高引起的窑结皮等问题。
Description
技术领域
本发明涉及特种水泥材料领域，尤其涉及一种高铁海工硅酸盐水泥及其制备方法和应用。
背景技术
21世纪是公认的“海洋世纪”，世界各国都将海洋资源开发列为重点。水泥是海洋工程基础建设中最重要的材料之一，传统硅酸盐水泥的耐蚀性相对较差，用于海洋工程时受到海水腐蚀以及海浪冲刷的影响，服役寿命大幅度缩短，无法满足海洋工程使用的要求。
目前使用的海工水泥，大部分是在普通硅酸盐水泥的基础上引入大量的矿渣、粉煤灰、硅灰等混合材料调制，水泥的稳定性相对较差，后期收缩率较高，影响因素较复杂；国内部分厂家利用硫铝酸盐(铁铝酸盐)水泥熟料、硅酸盐水泥熟料、矿渣等配制海工水泥，但水泥的生产成本大幅增加，推广受到影响。
部分水泥企业利用湿法生产高铁中热硅酸盐水泥，通过降低熟料中的C3S、C3A含量，提高C4AF、C2S含量来降低水泥水化热、提高水泥的抗蚀性能，但由于C3S的形成温度与活性C4AF的形成温度差异较大，很难兼顾，当满足C3S形成温度时，C4AF会分解形成C3A和C2F，而温度过低时，C3S很难形成，力学性能受到影响。且引入活化剂对高活性铁相进行稳定时，活化剂的引入会降低C3S的形成量，反而会降低水泥的力学性能，无法得到理想的矿物组成。
发明内容
本发明提供了一种高铁海工硅酸盐水泥及其制备方法，本发明提供的高铁海工硅酸盐水泥制备成本低、能耗低、抗硫酸盐侵蚀性能好，水化热低；本发明提供的高铁海工硅酸盐水泥7d抗压强度高于26.0MPa，28d抗压强度高于45.0MP，抗硫酸盐侵蚀系数高于1.10，且本发明提供的高铁海工硅酸盐水泥的抗硫酸盐侵蚀系数可调范围较大，制备方法简单。
本发明提供了一种高铁海工硅酸盐水泥，以质量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥 40～80份；
高铁相重构钢渣重微粉 20～60份；
所述普通硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥熟料+5％石膏粉磨至比表面积为320～450m2/kg；
所述高铁相重构钢渣微粉为高铁相重构钢渣+(5％～20％)石膏粉磨至比表面积为350～450m2/kg；
制备高铁相重构钢渣的原料包括钢渣、调节组分(高铝质原料、石灰或高硅质原料、活化剂等)。
优选的，所述高铁海工硅酸盐水泥是将低温形成矿物C4AF为主的高铁相重构钢渣与高温形成矿物C3S为主的普通硅酸盐水泥熟料分别制备再进行复合。
优选的，所述高铁相重构钢渣的制备方法包括以下步骤：
根据钢渣的化学成分设计高铁相重构钢渣的矿物组成，使钢渣中的Fe2O3(FeO/Fe)全部生成C4AF，SiO2全部生成C2S和C3S，或生成C4AF余下的CaO全部生成C2S和C3S，用调节组分(高铝质原料、石灰或高硅质原料、活化剂等)补充不足的Al2O3、CaO或SiO2，对矿物组成进行活化；将调节组分混合后磨细至80um方孔筛筛余小于10％；在钢渣排出过程中加入磨细后调节组分，充分搅拌，保证混合料在1300℃以上保持20min以上，高温急冷。
优选的，所述高铁相重构钢渣的矿物组成中，C3S/C2S的设计比大于1.0。
优选的，所述高铝质原料为Al2O3含量大于60％的天然铝质原料或高铝质工业废料。
优选的，所述高硅质原料为SiO2含量大于50％的天然硅质原料或高硅质工业废料。
优选的，所述活化剂为含BaO、SO3、MnO2、CuO或ZnO等一种或几种的天然原料或废料。
本发明提供了上述技术方案所述高铁海工硅酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：
将高铁相重构钢渣和适量石膏混合球磨，得到高铁相重构钢渣微粉；
将普通硅酸盐水泥熟料和5％石膏混合球磨，得到普通硅酸盐水泥；
将所述高铁相重构钢渣微粉与普通硅酸盐水泥按一定比例混合，得到高铁海工硅酸盐水泥。
优选的，所述混合物的比表面积为320～450m2/kg。
本发明还提供了上述技术方案所述高铁海工硅酸盐水泥或上述技术方案所述制备方法得到的海工水泥的应用。
本发明提供了一种高铁海工硅酸盐水泥，以质量份数计，包括以下组分：普通硅酸盐水泥40～80份；高铁相重构钢渣重微粉20～60份；所述普通硅酸盐水泥的比表面积为320～450m2/kg；所述高铁相重构钢渣微粉的比表面积为350～450m2/kg；制备高铁相重构钢渣的原料包括钢渣、调节组分(高铝质原料、石灰或高硅质原料、活化剂等)。本发明提供的高铁海工硅酸盐水泥，将低温形成矿物C4AF为主的高铁相重构钢渣与高温形成矿物C3S为主的普通硅酸盐水泥熟料分别制备、与石膏混合磨细后再进行复合，便于矿物相的调控，能获得较好的矿物组成，且钢渣采用原位重构，可充分利用余热。铁相重构钢渣的主要矿物为C4AF、C2S，水化热较低、抗硫酸盐侵蚀性好，可以根据需求与普通硅酸盐水泥进行任意调合，避免了混合烧结时引起的窑内结皮、矿物形成差的难题。
本发明提供的高铁海工硅酸盐水泥制备方法，实现了钢渣的高附加值利用，且钢渣采用原位重构，能有效利用余热，避免能源浪费。用钢渣直接制备水泥可有效减少水泥生产中天然原材料的消耗量，减少CO2排放量，降低水泥生产能耗。
具体实施方式
本发明提供了一种高铁海工硅酸盐水泥，以质量份数计，包括以下组分：
普通硅酸盐水泥 40～80份；
高铁相重构钢渣重微粉 20～60份；
所述普通硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥熟料+5％石膏粉磨至比表面积为320～450m2/kg；
所述高铁相重构钢渣微粉为高铁相重构钢渣+(5％～20％)石膏粉磨至比表面积为350～450m2/kg；
制备高铁相重构钢渣的原料包括钢渣、调节组分(高铝质原料、石灰或高硅质原料、活化剂等)。
本发明提供的高铁海工硅酸盐水泥包括20～60质量份高铁相重构钢渣微粉，优选为25～50份，更优选为25～40份。
在本发明中，所述高铁相重构钢渣的制备方法优选包括以下步骤：
根据钢渣的化学成分设计高铁相重构钢渣的矿物组成，使钢渣中的Fe2O3(FeO/Fe)全部生成C4AF，SiO2全部生成C2S和C3S，或生成C4AF余下的CaO全部生成C2S和C3S，用调节组分(高铝质原料、石灰或高硅质原料、活化剂等)补充不足的Al2O3、CaO或SiO2，并对C4AF、C2S矿物进行活化；将调节组分混合后磨细至80um方孔筛筛余小于10％；在钢渣高温排放过程中加入磨细后调节组分，充分搅拌，保证混合料在1300℃以上超过20min，高温急冷。
在本发明中，所述钢渣、高铝质原料、石灰或高硅质原料、活化剂的质量份数优选为：
在本发明中，所述高铁相重构钢渣调节组分的配比需根据钢渣的化学组成而定，C3S/C2S的设计比优选大于1.5。在本发明中，在钢渣排放过程中加入磨细后调节组分，充分搅拌后，保证混合料在1300℃以上优选保持25min～40min，高温急冷。在本发明中，高铝质原料优选Al2O3含量大于60％的天然铝质原料或高铝质工业废料；高硅质原料优选SiO2含量大于50％的天然硅质原料或高硅质工业废料；天然原料或废料活化剂中的BaO、SO3、MnO2、CuO、ZnO的含量优选40％～80％，在兼顾成本的情况下，高品质原料能大幅降低调节组分的引入量，进而减少调节组分引入引起的温度大幅波动。本发明以钢渣为主要原料，通过添加调节组分对钢渣进行原位改性，使钢渣中的RO相完全解离，并与游离石灰、调节组分反应生成以C4AF、C2S和C3S为主要矿物相的高铁相重构钢渣，从源头上解决钢渣活性低、无法规模化利用的难题，实现钢渣的高附加值利用，且本发明提供了一种低成本高抗蚀水泥的制备方法，制备工艺简单、水泥质量好，品种便于调控。
本发明中，钢渣含有少量的TiO2、MnO等氧化物，可作为C4AF、C2S矿物的活化剂，钢渣中的MgO大部分固溶于C4AF、C2S矿物相中，且经过急冷处理后，MgO的活性提高，解决钢渣中MgO含量高引起的安定性不良问题。
本发明将上述制备的高铁相重构钢渣与适量石膏混合磨细后与普通硅酸盐水泥调合制备高铁海工硅酸盐水泥，水泥熟料中的C4AF水化形成的铁胶不仅能够吸附氯离子，而且有利于提高结构密实性，有效提高了海工水泥的强度和抗硫酸盐侵蚀性能，进而提高了海工水泥混凝土的耐久性能。在本发明中，所述高铁海工硅酸盐水泥的7d抗压强度高于26.0MPa，28d抗压强度高于45.0MPa，抗硫酸盐侵蚀系数高于1.10。
本发明还提供了上述技术方案所述海工水泥的制备方法，包括以下步骤：
将高铁相重构钢渣和适量石膏混合球磨，得到高铁相重构钢渣微粉；
将普通硅酸盐水泥熟料和5％石膏混合球磨，得到普通硅酸盐水泥；
将所述高铁相重构钢渣微粉与普通硅酸盐水泥按一定比例混合，得到高铁海工硅酸盐水泥。
在本发明中，所述混合物的比表面积优选为350～450m2/kg。本发明对混合球磨的具体实施方式没有特别要求，只要能够得到上述比表面积的混合物即可。
本发明还提供了上述技术方案所述高铁海工硅酸盐水泥的应用。本发明对海工水泥的具体应用方式没有特别要求，采用本领域技术人员所熟知的应用方式即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
表1实验中原料的化学组成
实验中普通硅酸盐水泥的7d抗折/压强度分别为5.7MPa/32.6MPa，28d抗折/压强度分别为9.6MPa/53.2MPa。
实施例1
(1)高铁重构钢渣微粉的制备
根据钢渣的化学组成，拟设计C3S/C2S为1.5，铁相矿物组成为55.93％(3.04*18.4％)。将烧结铝矾土4.4质量份，石灰18.1质量份，钡泥4.0质量份混匀磨细至80um方孔筛筛余小于10％，添加至77.5质量份新排出钢渣液中，搅拌均匀，于1300℃以上保持25min后急冷，得到高铁重构钢渣。
(2)将步骤(1)得到的高铁重构钢渣85质量份与二水石膏15质量份混合后磨细至比表面积为378m2/kg；
(3)将普通硅酸盐水泥熟料95质量份与二水石膏5质量份混合后磨细至比表面积为347m2/kg；
(4)将步骤(2)所得高铁重构钢渣微粉30质量份与步骤(3)所得硅酸盐水泥70质量份充分混合均匀，得到高铁海工硅酸盐水泥，比表面积为365m2/kg。
实施例2
(1)高铁重构钢渣微粉的制备
根据钢渣的化学组成，拟设计C3S/C2S为3.0，铁相矿物组成为55.93％(3.04*18.4％)。将烧结铝矾土4.3质量份，石灰19.6质量份，钡泥3.0质量份混匀磨细至80um方孔筛筛余小于10％，添加至76.1质量份新排出钢渣液中，搅拌均匀，于1300℃以上保持25min后急冷，得到高铁重构钢渣。
(2)将步骤(1)得到的高铁重构钢渣85质量份与二水石膏15质量份混合后磨细至比表面积为370m2/kg；
(3)将普通硅酸盐水泥熟料95质量份与二水石膏5质量份混合后磨细至比表面积为347m2/kg；
(4)将步骤(2)所得高铁重构钢渣微粉40质量份与步骤(3)所得硅酸盐水泥60质量份充分混合均匀，得到高铁海工硅酸盐水泥，比表面积为358m2/kg。
实施例3
(1)高铁重构钢渣微粉的制备
根据钢渣的化学组成，拟设计C3S/C2S为9.0，铁相矿物组成为55.93％(3.04*18.4％)。将烧结铝矾土4.2质量份，石灰21.0质量份，钡泥2.0质量份混匀磨细至80um方孔筛筛余小于10％，添加至74.8质量份新排出钢渣液中，搅拌均匀，于1300℃以上保持25min后急冷，得到高铁重构钢渣。
(2)将步骤(1)得到的高铁重构钢渣85质量份与二水石膏15质量份混合后磨细至比表面积为375m2/kg；
(3)将普通硅酸盐水泥熟料95质量份与二水石膏5质量份混合后磨细至比表面积为347m2/kg；
(4)将步骤(2)所得高铁重构钢渣微粉50质量份与步骤(3)所得硅酸盐水泥50质量份充分混合均匀，得到高铁海工硅酸盐水泥，比表面积为360m2；/kg
按GB/T 17671-1999标准对实施例1～3制备得到的海工水泥的强度进行测试，测试结果为：实施例1高铁海工硅酸盐水泥7d抗折/压强度分别为5.6MPa/29.2MPa，28d抗折/压强度分别为9.5MPa/50.2MPa；实施例2铁海工硅酸盐水泥7d抗折/压强度分别为5.5MPa/28.5MPa，28d抗折/压强度分别为9.6MPa/48.2MPa；实施例3高铁海工硅酸盐水泥7d抗折/压强度分别为5.2MPa/26.5MPa，28d抗折/压强度分别为9.5MPa/47.3MPa。说明本发明提供的海工水泥抗折性能相对较好，力学性能完全满足工程需求。
按GB/T 749-2008标准对实施例1～3制备得到的海工水泥的抗硫酸盐侵蚀系数进行测试，测试结果为：实施例1海工水泥的抗硫酸盐侵蚀系数K为1.11，实施例2海工水泥的抗硫酸盐侵蚀系数K为1.15；实施例3海工水泥的抗硫酸盐侵蚀系数K为1.21。说明本发明提供的海工水泥抗硫酸盐侵蚀性能较好，侵蚀系数均高于1.10。
综上，本发明提供的海工水泥能实现钢渣的高附加值利用、有效利用炼钢过程中的余热，水泥制备成本低、抗硫酸盐侵蚀性能好，强度发展理想。水泥7d抗压强度高于26.0MPa，28d抗压强度高于45.0MPa，抗硫酸盐侵蚀系数高于1.10。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高铁海工硅酸盐水泥，其特征在于，以质量份数计，包括以下组分：普通硅酸盐水泥40～80份；高铁相重构钢渣重微粉20～60份；所述普通硅酸盐水泥为普通硅酸盐水泥熟料加入5％石膏粉磨至比表面积为320～450m2/kg；所述高铁相重构钢渣微粉为高铁相重构钢渣加入5～20％石膏粉磨至比表面积为350～450m2/kg；制备高铁相重构钢渣的原料包括钢渣、调节组分，调节组分为高铝质原料、石灰或高硅质原料、活化剂等。
2.根据权利要求1所述的高铁海工硅酸盐水泥，其特征在于，将低温形成矿物C4AF为主的高铁相重构钢渣与高温形成矿物C3S为主的普通硅酸盐水泥熟料分别制备再进行复合，避免了熟料中因铁相设计含量高引起的窑结皮等问题，同时也便于铁相矿物的活化及矿物组成的调控。
3.根据权利要求1所述的高铁海工硅酸盐水泥，其特征在于，所述高铁相重构钢渣的制备方法包括以下步骤：根据钢渣的化学成分设计高铁相重构钢渣的矿物组成，使钢渣中的Fe2O3(FeO/Fe)全部生成C4AF，SiO2全部生成C2S和C3S，或生成C4AF余下的CaO全部生成C2S和C3S，用由高铝质原料、石灰或高硅质原料、活化剂等构成的调节组分补充不足的Al2O3、CaO或SiO2，对矿物组成进行活化；将调节组分混合后磨细至80um方孔筛筛余小于10％；在钢渣高温排放过程中加入磨细后调节组分，充分搅拌，保证混合料在1300℃以上保持20min以上，高温急冷。
4.根据权利要求3所述的高铁海工硅酸盐水泥，其特征在于，所述高铁相重构钢渣的矿物组成中，C3S/C2S的设计比大于1.0。
5.根据权利要求1、3所述的高铁海工硅酸盐水泥，其特征在于，所述高铝质原料为Al2O3含量大于60％的天然铝质原料或高铝质工业废料。
6.根据权利要求1、3所述的高铁海工硅酸盐水泥，其特征在于，所述高硅质原料为SiO2含量大于50％的天然硅质原料或高硅质工业废料。
7.根据权利要求1、3所述的高铁海工硅酸盐水泥，其特征在于，所述活化剂为含BaO、SO3、MnO2、CuO或ZnO等一种或几种的天然原料或工业废料。
8.权利要求1～7任一项所述高铁海工硅酸盐水泥的制备方法，包括以下步骤：将高铁相重构钢渣和适量石膏混合球磨，得到高铁相重构钢渣微粉；将普通硅酸盐水泥熟料和5％石膏混合球磨，得到普通硅酸盐水泥；将所述高铁相重构钢渣微粉与普通硅酸盐水泥按一定比例混合，得到高铁海工硅酸盐水泥。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述混合物的比表面积为320～450m2/kg。
10.权利要求1～7任一项所述高铁海工硅酸盐水泥或权利要求8～9任意一项所述制备方法得到的海工水泥的应用。
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