CN112694271A - 一种煤矸石基快硬胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种煤矸石基快硬胶凝材料及其制备方法，其中含有硫铝酸四钙、硅酸三钙、硅酸二钙和铁，把煤矸石中的部分SiO₂煅烧为硅酸三钙，以煤矸石提供铝质和硅质，电石渣提供钙质，加入石膏、钢渣以及萤石、铬渣、重晶石在较低的煅烧温度下烧制出熟料，再掺以一定量的石膏、石灰石和火山灰，制备出快硬性胶凝材料。本发明把煤矸石中的部分SiO₂煅烧为硅酸三钙以增强其早期强度从而可用于冬季施工、抢险修复施工等，在熟料煅烧过程中加入了萤石、铬渣、重晶石等矿化剂以及钢渣中硅酸二钙的成核作用使的该胶凝材料较传统硅酸盐水泥有一个较低的煅烧温度，可减少CO2的排放，有利于环境的保护。

Description

一种煤矸石基快硬胶凝材料及其制备方法

技术领域

本发明属于土木工程材料领域，尤其涉及一种煤矸石基快硬胶凝材料及其制备方法。

背景技术

传统硫铝酸水泥含有一定量的硅酸三钙，这是因为煤矸石中的Al₂O₃的含量与用于生产硫铝酸盐水泥的铝矾土相比含量较少，不具有较高的早强性，不能用于冬季施工、抢险修复施工等，而且传统的硫铝酸水泥煅烧温度较高，排放的CO2较多，不利于环境的保护。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用石膏和煤矸石、电石渣、钢渣等固废加以萤石、铬渣、重晶石等矿化剂制备的快硬胶凝材料及其制备方法，以解决材料渠道的拓宽、制备成本的降低、自然环境的保护的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种煤矸石基快硬胶凝材料，包括如下重量份的原料：

煤矸石260份，粉煤灰31份，电石渣597份，钢渣86份，高岭石39份，火山灰20份，石灰石30份，硅灰30份，氢氧化钠10份，无水石膏80份，重晶石16份，铬渣10份，脱硫石膏70份，萤石2份。

在生料煅烧过程中生料中的SiO₂、CaO、Fe₂O₃、Al₂O₃、CaSO₄会发生以下化学反应：

[反应式1]

2CaO+Al₂O₃+SiO₂→2CaO·Al₂O₃·SiO₂

[反应式2]

2CaO+Fe₂O₃→2CaO·Fe₂O₃

[反应式3]

2CaO+SiO₂→2CaO·SiO₂

[反应式4]

3CaO+3Al₂O₃+CaSO₄→3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄

[反应式5]

3CaO+3(2CaO·Al₂O₃·SiO₂)+CaSO₄→3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄+3(2CaO·SiO₂)

[反应式6]

2CaO·Fe₂O₃+2CaO+Al₂O₃→6CaO·Al₂O₃·2Fe₂O

[反应式7]

CaO+2CaO·SiO₂→3CaO·SiO₂

所述煤矸石与粉煤灰及高岭石主要提供SiO₂与Al₂O₃，电石渣主要提供CaO，钢渣主要提供Fe₂O₃，脱硫石膏主要提供CaSO₄，重晶石、萤石、铬渣起到矿化作用；火山灰、硅灰、氢氧化钠、石灰石、无水石膏为掺加料。

作为优选，上述煤矸石选用鄂尔多斯地区所产高铝煤矸石，200目方孔筛筛余＜10％。

作为优选，上述粉煤灰为鄂尔多斯地区所产固废，200目孔筛筛余量＜10％。

作为优选，上述电石渣优选乌兰察布市所产电石渣，200目方孔筛筛余＜10％。

作为优选，上述钢渣优选包头市所产固废，200目方孔筛筛余量＜10％。

作为优选，上述高岭石过200目方孔筛，筛余量＜10％。

作为优选，上述火山灰优选兰察布地区所产火山灰，活性指数75％，烧失量1％，325目方孔筛筛余＜10％。

作为优选，上述脱硫石膏、重晶石、铬渣、萤石过200目方孔筛，筛余量＜10％。

作为优选，上述无水石膏石灰石、硅灰、氢氧化钠、无水石膏过325目方孔筛，筛余量＜10％。

作为优选，所述煤矸石中Al₂O₃和SiO₂含量为82％，烧失量为17％；所述粉煤灰Al₂O₃和SiO₂含量为59％，烧失量为35％；所述电石渣中CaO含量为69％，烧失量为30％；所述钢渣中Fe₂O₃含量为26％，烧失量为4％；高岭石中SiO₂含量为46％，Al₂O₃含量为38％，烧失量为15％；所述火山灰的活性指数为75％，烧失量为1％；所述石灰石CaCO₃含量为97％；硅灰活性指数为90％，烧失量为2％；所述氢氧化钠中NaOH含量为99％；所述无水石膏中SO₃含量为58％；所述重晶石的BaO含量为50％，烧失量为5％；所述铬渣中MgO含量为18％，烧失量为6％；脱硫石膏中SO₃含量为46％；烧失量为24％；所述萤石中CaO含量为57％。

所述一种煤矸石基快硬胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备煤矸石基快硬胶凝材料所需材料配比为：煤矸石260份，粉煤灰31份，电石渣597份，钢渣86份，高岭石39份，火山灰50份，石灰石50份，硅灰30份，氢氧化钠10份，无水石膏70份，重晶石16份，铬渣10份，脱硫石膏70份，萤石2份。

(2)材料预处理：利用颚式破碎机将煤矸和石高岭石破碎为粒径为5mm的颗粒，然后在密封式破碎机内进行破碎，最后利用行星球磨机球磨，过200目方孔筛，筛余量＜10％；铬渣先用封闭式破碎机破碎，之后利用行星球磨机进行球磨，过200目方孔筛，筛余量＜10％；粉煤灰、电石渣、钢渣、脱硫石膏、重晶石、萤石直接过200目方孔筛，筛余量＜10％；火山灰、硅灰、氢氧化钠、无水石膏、石灰石过325目方孔筛，筛余量＜10％。将上述材料置于鼓风干燥箱中以105℃烘干24h，密封备用。

(3)生料试饼制备：按照配比称量各材料，将材料投入拌料机中搅拌45min使生料充分混合。生料从拌料取出置于稍大的容器中，加入10％水搅拌混合，然后利用压片机将生料压制成φ60×6mm的试饼,压强为25MPa。利用鼓风干燥箱将试饼烘干12h备用，烘干温度为105℃。

(4)熟料制备：将试饼置于高温炉内，并以10℃/min的升温速率将炉温升至900℃，在900℃下保温30min，然后以5℃/min升温速率升至1340℃，保温60min，再以10℃/min降温速率将炉温将至1200℃，将熟料取出进行水淬急冷降温。

(5)胶凝材料制备：先利用封闭式破碎机将熟料破碎，以熟料∶无水石膏石灰石∶硅灰∶火山灰∶氢氧化钠＝83∶8∶3∶3∶2∶1为配比将材料混合，再利用行星球磨机将混合料进行球磨，然后过325目方孔筛，筛余量＜10％，即制得胶凝材料。

本发明有益效果在于：

(1)较高的早期强度

本发明是一种含有硫铝酸盐的胶凝材料，其具有凝结速度快、早期强度高的特点，而且还具有较高的早期强度的特点，该材料可用于冬季施工、抢险修复施工等。

(2)有效利用工业固废

本发明所使用的煤矸石、粉煤灰、电石渣、钢渣、脱硫石膏等皆为固废，固废的使用占比可达90％。对固废的有效利用不但可以拓宽原料渠道，而且还有效解决固废污染环境的问题。

(3)有效降低制造成本

本发明使用的是价格低廉的工业固废，而且这些固废绝大部分都是来自呼和浩特周边地区，大大减小了原材料的运输价格，从而减低了制造成本。

具体实施方式

下面结合具体实例对该发明做进一步说明。

制备1000g煤矸石基快硬胶凝材料所需的材料配比如下：

煤矸石260g，为鄂尔多斯地区所产高铝煤矸石，200目方孔筛筛余＜10％。

粉煤灰31g，为鄂尔多斯地区所产固废，200目孔筛筛余量＜10％。

电石渣597g，为乌兰察布地区所产电石渣，200目方孔筛筛余＜10％。

钢渣86g，为包头地区所产固废，200目方孔筛筛余量＜10％。

高岭石39g,为天然高岭石，200目方孔筛筛余量＜10％。

火山灰20g，为兰察布地区所产火山灰，活性指数75％，烧失量1％，325目方孔筛筛余＜10％。

石灰石40g，为天然石灰石，325目方孔筛筛余＜10％。

硅灰30g，活性指数90％，烧失量2％，325目方孔筛筛余＜10％。

氢氧化钠10g，NaOH含量为99％，325目方孔筛筛余＜10％。

无水石膏80g，为天然无水石膏，325目方孔筛筛余＜10％。

重晶石16g，为天然重晶石，200目方孔筛筛余＜10％。

铬渣10g，为河南巩义地区所产杜飞，200目方孔筛筛余＜10％。

脱硫石膏116g，为内蒙古鄂尔多斯地区电厂所产固废，200目方孔筛筛余＜10％。

萤石2g，为天然萤石，200目方孔筛筛余＜10％。

上述制备1000g煤矸石基快硬胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备1000g煤矸石基快硬胶凝材料所需材料配比为：煤矸石260g，粉煤灰31g，电石渣597g，钢渣86g，高岭石39g，火山灰20g，石灰石40g，硅灰30g，氢氧化钠10g，无水石膏70g，重晶石16g，铬渣10g，脱硫石膏70g，萤石2g。

(2)材料预处理：利用颚式破碎机将煤矸和石高岭石破碎为粒径为5mm的颗粒，然后在密封式破碎机内进行破碎，最后利用行星球磨机球磨，过200目方孔筛，筛余量＜10％；铬渣先用封闭式破碎机破碎，之后利用行星球磨机进行球磨，过200目方孔筛，筛余量＜10％；粉煤灰、电石渣、钢渣、脱硫石膏、重晶石、萤石直接过200目方孔筛，筛余量＜10％；火山灰、硅灰、氢氧化钠、无水石膏、石灰石过325目方孔筛，筛余量＜10％。将上述材料置于鼓风干燥箱中以105℃烘干24h，密封备用。

(3)生料试饼制备：按照配比称量各材料，将材料投入拌料机中搅拌45min使生料充分混合。生料从拌料取出置于稍大的容器中，加入10％水搅拌混合，然后利用压片机将生料压制成φ60×6mm的试饼,压强为25MPa。利用鼓风干燥箱将试饼烘干12h备用，烘干温度为105℃。

(4)熟料制备：将试饼置于高温炉内，并以10℃/min的升温速率将炉温升至900℃，在900℃下保温30min，然后以5℃/min升温速率升至1340℃，保温60min，再以10℃/min降温速率将炉温将至1200℃，将熟料取出进行水淬急冷降温。

(5)胶凝材料制备：先利用封闭式破碎机将熟料破碎，以熟料∶无水石膏石灰石∶硅灰∶火山灰∶氢氧化钠＝83∶8∶3∶3∶2∶1为配比将材料混合，再利用行星球磨机将混合料进行球磨，然后过325目方孔筛，筛余量＜10％，即制得胶凝材料。

应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在遵循本本发明原理的情况下可以进行部分材料掺量调整以达到优化胶凝材料性能的目的，这些优化也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成成分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种煤矸石基快硬胶凝材料，其特征在于，所述煤矸石基快硬胶凝材料包括如下重量份的原料：煤矸石260份，粉煤灰31份，电石渣597份，钢渣86份，高岭石39份，火山灰20份，石灰石30份，硅灰30份，氢氧化钠10份，无水石膏80份，重晶石16份，铬渣10份，脱硫石膏70份，萤石2份。

2.根据权利要求1所述的一种煤矸石基快硬胶凝材料，其特征在于，所述煤矸石、粉煤灰、电石渣、钢渣、重晶石、铬渣和萤石过200目方孔筛，筛余量＜10％；所述火山灰、石灰石、石膏过325目方孔筛，筛余量小于＜10％。

3.根据权利要求2所述的一种煤矸石基快硬胶凝材料，其特征在于，所述煤矸石中Al₂O₃和SiO₂含量为82％，烧失量为17％；所述粉煤灰Al₂O₃和SiO₂含量为59％，烧失量为35％；所述电石渣中CaO含量为69％，烧失量为30％；所述钢渣中Fe₂O₃含量为26％，烧失量为4％；高岭石中SiO₂含量为46％，Al₂O₃含量为38％，烧失量为15％；所述火山灰的活性指数为75％，烧失量为1％；所述石灰石CaCO₃含量为97％；硅灰活性指数为90％，烧失量为2％；所述氢氧化钠中NaOH含量为99％；所述无水石膏中SO₃含量为58％；所述重晶石的BaO含量为50％，烧失量为5％；所述铬渣中MgO含量为18％，烧失量为6％；脱硫石膏中SO₃含量为46％；烧失量为24％；所述萤石中CaO含量为57％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种煤矸石基快硬胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备煤矸石基快硬胶凝材料所需材料配比为：煤矸石260份，粉煤灰31份，电石渣597份，钢渣86份，高岭石39份，火山灰50份，石灰石50份，硅灰30份，氢氧化钠10份，无水石膏70份，重晶石16份，铬渣10份，脱硫石膏70份，萤石2份；

(2)材料预处理：利用颚式破碎机将煤矸和石高岭石破碎为粒径为5mm的颗粒，然后在密封式破碎机内进行破碎，最后利用行星球磨机球磨，过200目方孔筛，筛余量＜10％；铬渣先用封闭式破碎机破碎，之后利用行星球磨机进行球磨，过200目方孔筛，筛余量＜10％；粉煤灰、电石渣、钢渣、脱硫石膏、重晶石、萤石过200目方孔筛，筛余量＜10％；火山灰、硅灰、氢氧化钠、无水石膏、石灰石过325目方孔筛，筛余量＜10％，将上述材料置于鼓风干燥箱中以105℃烘干24h，密封备用；

(3)生料试饼制备：按照配比称量各材料，将材料投入拌料机中搅拌45min使生料充分混合，生料从拌料取出置于容器中，加入10％水搅拌混合，然后利用压片机将生料压制成φ60×6mm的试饼,压强为25MPa，利用鼓风干燥箱将试饼烘干12h备用，烘干温度为105℃；

(4)熟料制备：将试饼置于高温炉内，并以10℃/min的升温速率将炉温升至900℃，在900℃下保温30min，然后以5℃/min升温速率升至1340℃，保温60min，再以10℃/min降温速率将炉温将至1200℃，将熟料取出进行水淬急冷降温；

(5)胶凝材料制备：先利用封闭式破碎机将熟料破碎，以熟料∶无水石膏石灰石∶硅灰∶火山灰∶氢氧化钠＝83∶8∶3∶3∶2∶1为配比将材料混合，再利用行星球磨机将混合料进行球磨，然后过325目方孔筛，筛余量＜10％，即制得胶凝材料。