CN112250328B - 一种高强度水泥及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水泥生产技术领域，具体公开了一种高强度水泥及其制备方法，包括水泥熟料和混合材，水泥熟料与混合材的重量比为(2‑4):1，水泥熟料由以下重量百分比的原料制成：石灰石85‑87%、页岩7.5‑8.5%、有色金属渣5.0‑6.0%、硫酸渣0.4‑0.6%。其制备方法为，S1:生料的制备，将石灰石、页岩、有色金属渣、硫酸渣混合粉磨，得到生料；S2:水泥熟料的制备，将生料进行预热，然后于1150‑1250℃下煅烧30‑35min，冷却，得到水泥熟料；水泥熟料的石灰饱和系数KH为0.895‑0.905，硅酸率SM为2.85‑2.95，铝氧率IM为1.35‑1.45；S3:高强度水泥的制备，将混合材与步骤S1中得到的水泥熟料混合粉磨，得到高强度水泥。本发明制备的高强度水泥具有强度高的优点。

Description

一种高强度水泥及其制备方法
技术领域
本发明涉及水泥技术领域，更具体地说，它涉及一种高强度水泥及其制备方法。
背景技术
水泥为粉末状水硬性无机胶凝材料，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起。长期以来，它作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。
随着城市建设的加快，水泥的使用量越来越大，而水泥生产时采用的很多原料为天然不可再生资源，资源会随着使用量的增加而逐渐减少，寻找新的替代资源已成为大势所趋。随着国家对工业固废减量化、资源化、无害化处理要求力度不断加深，水泥行业利用固有的产品优势并增加工业固废消耗量也成为了行业新的发展趋势。
目前，现有的可参考公布号为CN110482885A的中国发明专利公开了一种硅酸盐水泥原料配方，包括以下重量份配比的：石灰石70-73份、砂岩10-12份、电石渣9-10份、铁质原料2-3份、滤渣2-3份、页岩2-3份。该硅酸盐水泥对电石渣回收利用，降低环境污染，但是，采用该配方制得的水泥强度较低，在使用时需要外加配料来提高强度，以满足特定的施工需求。
发明内容
针对现有技术存在的水泥固化后强度较低的问题，本发明的第一个目的在于提供一种高强度水泥，其具有提高水泥强度的优点。
本发明的第二个目的在于提供一种高强度水泥的制备方法，所述制备方法具有操作简单、生产效率高的优点。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种高强度水泥，包括水泥熟料和混合材，水泥熟料与混合材的重量比为(2-4):1，水泥熟料由以下重量百分比的原料制成：石灰石85-87％、页岩7.5-8.5％、有色金属渣5.0-6.0％、硫酸渣0.4-0.6％。
通过采用上述技术方案，本发明中的水泥熟料中添加了硫酸渣、有色金属渣、页岩，各原料比例搭配合理，能够充分发挥出原料中各成分的作用，使得得到的水泥熟料的强度较高，从而提高最终制得的水泥的强度。其中，硫酸渣中含有氧化铁、氧化铝等，能够促使原料加快熔解，生成更多的液相，提高反应效率，还节约了原料熔化的能源消耗，降低了烧结成本。硫酸渣中含有的其他成分，如硫、氟等也均可以在烧结时起到矿化作用，促使硅酸二钙在液相中快速、充分吸收氧化钙，进一步提高反应效率。由于液相量的增加，能够使得生成液相的原料与砂岩接触更加充分。硫酸渣中含有较多的氧化铁，铁的含量增加，有助于提高水泥的强度。本发明中的有金属灰渣中含有较多的SiO2，提高硅反应效率。
另外，随着黏土资源的紧缺和国家环境保护力度的加大，为了实现可持续发展，本发明中采用页岩代替黏土来制备水泥熟料，以达到节能环保的目的。而且，页岩中的水分含量低于黏土中的水分含量，采用页岩代替黏土更加便于配料，从而有助于提高水泥质量，并提高生产效率。
此外，本发明对采用硫酸渣、有色金属渣等工业废渣进行了充分利用，符合环保的要求。
进一步地，所述水泥熟料由以下重量百分比的原料制成：石灰石86.1％、页岩8.0％、有色金属渣5.4％、硫酸渣0.5％。
通过采用上述技术方案，优化了水泥熟料的各原料之间的比例，提高了水泥熟料中原料的利用率，有利于得到各成分分布均匀、性能均一稳定的水泥熟料，提高水泥的强度，同时也从整体上降低了原料成本。
进一步地，所述混合材包括以下重量份的原料：增强剂2-3份，石灰石40-60份，粉煤灰20-30份，砂岩25-45份。
通过采用上述技术方案，在混合材中加入增强剂，从而有助于提高水泥的强度。
进一步地，所述增强剂的制备方法包括以下步骤，
a.将1-2份硼酸酯偶联剂加入60-70份无水乙醇中，于55-65℃下混合均匀，得到改性剂；
b.将70-90份硼酸镁晶须加入到a中的改性剂中，超声振动30-40min后抽滤，干燥，得到增强剂。
通过采用上述技术方案，硼酸镁晶须具有很好的耐高温性能、力学性能和阻燃性能，硼酸镁晶须的加入能够有效增加水泥的强度。通过硼酸酯偶联剂改性后的硼酸镁晶须，硼酸酯偶联剂以化学和物理方式吸附和包覆在硼酸镁晶须表面，使得硼酸镁晶须由改性前的亲水疏油性变成改性后的亲油疏水性，极性和表面能大幅度下降，提高了硼酸镁晶须与水泥原料的相容性。同时，硼酸酯偶联剂包裹在硼酸镁晶须表面，增加了硼酸镁晶须之间的排斥力，使得硼酸镁晶须更易分散，提高了硼酸镁晶须的分散性，从而使得硼酸酯晶须能够充分发挥作用，有效改善水泥的强度。另外，硼酸酯偶联剂的存在，增加硼酸镁晶须与水泥原料的结合力和相容性，连接强度，从而改善了硼酸镁晶须与水泥原料界面粘接问题，进一步提高改善水泥强度的效果。另外，硼酸酯偶联剂和硼酸镁晶须均以硼原子为中心，能够进一步提高水泥的阻燃性能
进一步地，所述步骤b中还包括50-60份氯磺化聚乙烯。
通过采用上述技术方案，氯磺化聚乙烯与硼酸酯偶联剂键合，通过硼酸酯偶联剂将氯磺化聚乙烯与硼酸镁晶须连接加入到水泥中，使得硼酸镁晶须刚柔相济，有效增加水泥的抗压强度和抗折强度，以满足特定的施工需求。另外，氯磺聚乙烯的加入，能够增加水泥的阻燃性能，利于市场应用推广。
进一步地，所述硼酸镁晶须的长径比为50-80。
通过采用上述技术方案，经试验发现，硼酸镁晶须的长径比为50-80时，水泥的抗压性能和抗折性能较佳。分析其原因可能是，硼酸镁晶须的长径比越大，在水泥中起到应力的作用越好，从而有助于提高水泥的抗压性能和抗折性能。但长径比过大时，硼酸镁晶须的分散性降低，从而对水泥的抗压性能和抗折性能的改善产生影响。
进一步地，所述步骤b中的干燥温度为80-90℃，干燥时间为3-4h。
进一步地，所述原料还包括15-20份转炉渣。
通过采用上述技术方案，转炉渣是冶炼生铁时排出的废渣，含铁量较高，有助于提高水泥的强度。另外，转炉渣中含有丰富的Ca元素，最重要的是其中含有硅酸三钙和硅酸二钙，在与水泥熟料混合后，能够提高水泥的水化效率。
目的二：提供一种高强度水泥的制备方法，包括以下步骤：
S1:生料的制备，将石灰石、页岩、有色金属渣、硫酸渣混合粉磨，得到生料；
S2:水泥熟料的制备，将生料进行预热，然后于1150-1250℃下煅烧30-35min，冷却，得到水泥熟料；水泥熟料的石灰饱和系数KH为0.895-0.905，硅酸率SM为2.85-2.95，铝氧率IM为1.35-1.45；
S3:高强度水泥的制备，将余料与步骤S1中得到的水泥熟料混合粉磨，得到高强度水泥。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的水泥熟料配方中各原料比例搭配合理，且各原料之间协同发挥作用，从而增加了水泥熟料的强度，进而使得制得的水泥具有较佳的抗压强度和抗折强度。
2、本发明采用硫酸渣、有色金属渣等工业废渣进行了充分利用，符合环保的要求。
3、混合材中加入硼酸酯偶联剂改性的硼酸镁晶须，与配方中其它原料配合有效提高水泥的强度。另外，硼酸镁晶须具有阻燃性，能够提高水泥的阻燃性能。
4、氯磺化聚乙烯与硼酸酯偶联剂键合，使得硼酸镁晶须刚柔相济，有效增加水泥的抗压强度和抗折强度，以满足特定的施工需求。另外，氯磺聚乙烯的加入，能够增加水泥的阻燃性能，利于市场应用推广。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本发明作进一步详细说明。
以下制备例、实施例和对比例中，
硼酸酯偶联剂购自广州市建双化工科技有限公司，货号为59C0663。
制备例1
增强剂的制备方法包括以下步骤，
a.将1g硼酸酯偶联剂加入70g无水乙醇中，于55℃下搅拌并混合均匀，得到改性剂；
b.将70g硼酸镁晶须加入到a中的改性剂中，采用超声波振动仪超声振动30min后抽滤，并用无水乙醇洗涤后，于80℃下干燥4h，得到增强剂；硼酸镁晶须的长径比为50。
制备例2
增强剂的制备方法包括以下步骤，
a.将1.5g硼酸酯偶联剂加入65g无水乙醇中，于60℃下搅拌并混合均匀，得到改性剂；
b.将80g硼酸镁晶须加入到a中的改性剂中，采用超声波振动仪超声振动35min后抽滤，并用无水乙醇洗涤后，于85℃下干燥3.5h，得到增强剂；硼酸镁晶须的长径比为68。
制备例3
增强剂的制备方法包括以下步骤，
a.将2g硼酸酯偶联剂加入60g无水乙醇中，于65℃下搅拌并混合均匀，得到改性剂；
b.将90g硼酸镁晶须加入到a中的改性剂中，采用超声波振动仪超声振动40min后抽滤，并用无水乙醇洗涤后，于90℃下干燥3h，得到增强剂；硼酸镁晶须的长径比为80。
制备例4
增强剂的制备方法,与制备例2的区别在于，在步骤b中将50g氯磺聚乙烯与硼酸镁晶须一同加入改性剂中。
制备例5
增强剂的制备方法,与制备例2的区别在于，在步骤b中将55g氯磺聚乙烯与硼酸镁晶须一同加入改性剂中。
制备例6
增强剂的制备方法,与制备例2的区别在于，在步骤b中将60g氯磺聚乙烯与硼酸镁晶须一同加入改性剂中。
实施例1
一种采用以下方法制备的高强度水泥，制备方法包括以下步骤：
S1:生料的制备，将85g石灰石、8.5g页岩、6g有色金属渣、0.5硫酸渣混合后加入粉磨机中进行粉磨，得到生料；
S2:水泥熟料的制备，将步骤S1中的生料加入预热器中进行预热，然后送入回转窑中，在1150℃下煅烧35min后，经篦冷机急冷，出料，得到水泥熟料；水泥熟料的石灰饱和系数KH为0.895，硅酸率SM为2.85，铝氧率IM为1.35；
S3:混合材的制备，将2g的增强剂、60g石灰石、23g粉煤灰和45g砂岩均匀混合，得到混合材；增强剂采用制备例1中制得的增强剂；
S4:高强度水泥的制备，将步骤S2中制得的水泥熟料与步骤S3中制得的混合材以重量比为2:1进行混合粉磨，得到高强度水泥。
其中，有色金属渣包括70.98％的SiO2，硫酸渣包括61.36％的Fe2O3。
实施例2
一种采用以下方法制备的高强度水泥，制备方法包括以下步骤：
S1:生料的制备，将86.1g石灰石、8g页岩、5.4g有色金属渣、0.5硫酸渣混合后加入粉磨机中进行粉磨，得到生料；
S2:水泥熟料的制备，将步骤S1中的生料加入预热器中进行预热，然后送入回转窑中，在1200℃下煅烧33min后，经篦冷机急冷，出料，得到水泥熟料；水泥熟料的石灰饱和系数KH为0.9，硅酸率SM为2.9，铝氧率IM为1.4；
S3:混合材的制备，将2.5g的增强剂、50g石灰石、26g粉煤灰和35g砂岩均匀混合，得到混合材；增强剂采用制备例2中制得的增强剂；
S4:高强度水泥的制备，将步骤S2中制得的水泥熟料与步骤S3中制得的混合材以重量比为3:1进行混合粉磨，得到高强度水泥。
其中，有色金属渣包括70.98％的SiO2，硫酸渣包括61.36％的Fe2O3。
实施例3
一种采用以下方法制备的高强度水泥，制备方法包括以下步骤：
S1:生料的制备，将87g石灰石、7.6g页岩、5g有色金属渣、0.4g硫酸渣混合后加入粉磨机中进行粉磨，得到生料；
S2:水泥熟料的制备，将步骤S1中的生料加入预热器中进行预热，然后送入回转窑中，在1250℃下煅烧30min后，经篦冷机急冷，出料，得到水泥熟料；水泥熟料的石灰饱和系数KH为0.905，硅酸率SM为2.95，铝氧率IM为1.45；
S3:混合材的制备，将2.5g的增强剂、50g石灰石、26g粉煤灰和35g砂岩均匀混合，得到混合材；增强剂采用制备例2中制得的增强剂；
S4:高强度水泥的制备，将步骤S2中制得的水泥熟料与步骤S3中制得的混合材以重量比为3:1进行混合粉磨，得到高强度水泥。
其中，有色金属渣包括70.98％的SiO2，硫酸渣包括61.36％的Fe2O3。
实施例4
一种采用以下方法制备的高强度水泥，制备方法包括以下步骤：
S1:生料的制备，将86g石灰石、7.5g页岩、5.9g有色金属渣、0.6g硫酸渣混合后加入粉磨机中进行粉磨，得到生料；
S2:水泥熟料的制备，将步骤S1中的生料加入预热器中进行预热，然后送入回转窑中，在1250℃下煅烧30min后，经篦冷机急冷，出料，得到水泥熟料；水泥熟料的石灰饱和系数KH为0.905，硅酸率SM为2.95，铝氧率IM为1.45；
S3:混合材的制备，将2.7g的增强剂、55g石灰石、28g粉煤灰和40g砂岩均匀混合，得到混合材；增强剂采用制备例3中制得的增强剂；
S4:高强度水泥的制备，将步骤S2中制得的水泥熟料与步骤S3中制得的混合材以重量比为4:1进行混合粉磨，得到高强度水泥。
其中，有色金属渣包括70.98％的SiO2，硫酸渣包括61.36％的Fe2O3。
实施例5
一种采用以下方法制备的高强度水泥，与实施例2的不同之处在于，在步骤S3的混合材制备中，还包括15g的转炉渣。
实施例6
一种采用以下方法制备的高强度水泥，与实施例2的不同之处在于，在步骤S3的混合材制备中，还包括18g的转炉渣。
实施例7
一种采用以下方法制备的高强度水泥，与实施例2的不同之处在于，在步骤S3的混合材制备中，还包括20g的转炉渣。
实施例8
一种采用以下方法制备的高强度水泥，与实施例2的不同之处在于，采用制备例4制得的增强剂。
实施例9
一种采用以下方法制备的高强度水泥，与实施例2的不同之处在于，采用制备例5制得的增强剂。
实施例10
一种采用以下方法制备的高强度水泥，与实施例2的不同之处在于，采用制备例6制得的增强剂。
对比例1
一种采用以下方法制备的高强度水泥，与实施例2的不同之处在于，在步骤S1的生料制备中，包括82g石灰石、9.8g页岩、7.9g有色金属渣、0.3g硫酸渣；在步骤S3中的混合材的制备中，包括1g的增强剂、65g石灰石、20g粉煤灰和50g砂岩。
对比例2
一种采用以下方法制备的高强度水泥，与实施例2的不同之处在于，在步骤S1的生料制备中，包括88.7g石灰石、6.5g页岩、4.0g有色金属渣、0.8g硫酸渣；在步骤S3中的混合材的制备中，包括4g的增强剂、35g石灰石、35g粉煤灰和20g砂岩。
对比例3
一种采用以下方法制备的高强度水泥，与实施例2的不同之处在于，增强剂采用未改性的硼酸酯晶须。
性能检测
采用实施例1-10及对比例1-3中制成的水泥进行性能测试，按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度试验》中的方法测试水泥的抗压强度和抗折强度，按照JC/T453-2004《自应力水泥物理检验方法》中的测试方法测试其初凝时间和终凝时间，测试结果如表1所示。
表1高强度水泥测试结果
Figure BDA0002678519550000071
Figure BDA0002678519550000081
由表1可知，实施例1-10中的1d抗压强度可达到17.5-20.4Mpa、3d抗压强度可达到39.7-44.4Mpa、28d抗压强度可达到56.7-63.5Mpa，而对比例1-3中的1d抗压强度最高为13.1Mpa、3d抗压强度最高为28.5Mpa、28d抗压强度最高为40.5Mpa，由此可知，实施例1-10中的水泥的抗压强度明显高于对比例1-3，而经过对比，实施例1-10中水泥的抗折强度也明显高于对比例1-3，说明本发明中的配方和配比科学合理，能够有效提高水泥的抗压强度和抗折强度。另外实施例1-10中水泥的初凝时间和终凝时间相比于对比例1-3均有明显提高。
对比实施例5-7与实施例2可知，实施例5-7中的抗压强度和抗折强度高于实施例2中的抗压强度和抗折强度，说明转炉渣的加入有助于提高水泥的强度。
对比实施例8-10与实施例2可知，实施例8-10的抗压强度和抗折强度明显高于实施例2的抗压强度和抗折强度，说明氯磺化聚乙烯的加入不仅有效提高了水泥的抗折强度，而且还能与原料中其他组分协同配合发挥作用，从而提高水泥的抗压强度。
对比例3与实施例2相比，对比例3中的抗压强度与抗折强度明显低于实施例2中抗压强度与抗折强度，说明采用硼酸酯偶联剂对硼酸镁晶须改性，能够大大降低硼酸镁晶须的表面能，提高硼酸镁晶须的分散性，并提高硼酸镁晶须与其他原料之间的粘接性能，从而提高水泥的抗压强度和抗折强度。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种高强度水泥，其特征在于，包括水泥熟料和混合材，水泥熟料与混合材的重量比为(2-4):1，水泥熟料由以下重量百分比的原料制成：石灰石85-87%、页岩7.5-8.5%、有色金属渣5.0-6.0%、硫酸渣0.4-0.6%；所述混合材包括以下重量份的原料：增强剂2-3份，石灰石40-60份，粉煤灰20-30份，砂岩25-45份；所述增强剂的制备方法包括以下步骤：
a.将1-2份硼酸酯偶联剂加入60-70份无水乙醇中，于55-65℃下混合均匀，得到改性剂；
b.将70-90份硼酸镁晶须加入到a中的改性剂中，超声振动30-40min后抽滤，干燥，得到增强剂；所述步骤b中还包括50-60份氯磺化聚乙烯，所述氯磺化聚乙烯与硼酸镁晶须一同加入改性剂中；所述的高强度水泥的制备方法，包括以下步骤：
S1:生料的制备，将石灰石、页岩、有色金属渣、硫酸渣混合粉磨，得到生料；
S2:水泥熟料的制备，将生料进行预热，然后于1150-1250℃下煅烧30-35min，冷却，得到水泥熟料；水泥熟料的石灰饱和系数 KH为0.895-0.905，硅酸率SM为2.85-2.95，铝氧率IM为1.35-1.45；
S3:高强度水泥的制备，将混合材与步骤S2中得到的水泥熟料混合粉磨，得到高强度水泥；
所述硼酸镁晶须的长径比为50-80。
2.根据权利要求1所述的一种高强度水泥，其特征在于，所述水泥熟料由以下重量百分比的原料制成：石灰石86.1%、页岩8.0%、有色金属渣5.4%、硫酸渣0.5%。
3.根据权利要求1所述的一种高强度水泥，其特征在于，所述步骤b中的干燥温度为80-90℃，干燥时间为3-4h。
4.根据权利要求1所述的一种高强度水泥，其特征在于，所述混合材还包括15-20份转炉渣。
5.一种权利要求1-4中任一所述的高强度水泥的制备方法，包括以下步骤：
S1:生料的制备，将石灰石、页岩、有色金属渣、硫酸渣混合粉磨，得到生料；
S2:水泥熟料的制备，将生料进行预热，然后于1150-1250℃下煅烧30-35min，冷却，得到水泥熟料；水泥熟料的石灰饱和系数 KH为0.895-0.905，硅酸率SM为2.85-2.95，铝氧率IM为1.35-1.45；
S3:高强度水泥的制备，将混合材与步骤S2中得到的水泥熟料混合粉磨，得到高强度水泥。
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