CN112811877A - 粉煤灰活性激发方法及其大掺量高钙粉煤灰水泥 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料技术领域，涉及了一种粉煤灰活性激发方法及其大掺量高钙粉煤灰水泥。以两种钙含量不同的粉煤灰为原料，由以下重量配比进行制作：高钙粉煤灰25‑30%、低钙粉煤灰15‑20%、火山灰质材料4%‑8%、消石灰4%‑8%、普通硅酸盐水泥30‑40%、活性激发剂4%‑6%，活性激发剂由水玻璃、焦磷酸钠、磷酸氢钙、助磨剂、减水剂组成；通过煅烧、球磨、过滤、烘干、搅拌等步骤，可大幅度激发粉煤灰的活性，并有效的解决了游离氧化钙所引起的体积安定性问题，实现粉煤灰的大掺量。
Description
技术领域
本发明涉及了一种粉煤灰活性激发方法及其大掺量高钙粉煤灰水泥，本属于建筑材料技术领域。
背景技术
粉煤灰是指燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出被收尘器收集的粉状灰粒，国外把它叫做“飞灰”或者“磨细燃料灰”。粉煤灰是一种灰褐色，通常呈酸性的，比表面积在2500~7000 cm2/g，尺寸从几百微米(10~6 米)到几微米，通常为球状的颗粒。粉煤灰的主要氧化物为 SiO2、Al2O3和 Fe2O3，三者总和一般均超过 70 %。对于普通低钙粉煤灰(又称 F 级灰)，CaO 含量不超过 10 %，一般少于 5 %，高钙粉煤灰是指氧化钙含量大于10%的粉煤灰，含有大量的富钙、富铁玻璃体以及较多的氧化钙结晶体。粉煤灰是一种产量巨大的工业废物，特别是在我国这种煤资源丰富的情况下，我国的粉煤灰利用率很低，大量的粉煤灰未利用会造成严重的环境污染和资源浪费，如何把粉煤灰大量的使用是一个值得关注的问题，
我国在利用粉煤灰作为建筑基材、水泥、混凝土等，以及道路建设方面的应用比较广阔，但是也在实际的工程应用过程中出现了一些问题，因我国的粉煤灰90%以上都是Ⅲ级粉煤灰，品质较低，活性较低，大量掺入水泥或混凝土中，会造成早期强度较低的问题，粉煤灰具有潜在的火山灰活性，如何充分有效的激发粉煤灰的潜在活性是长期以来人们所关注的。高钙型粉煤灰和普通粉煤灰相比，活性指数更高，但是含有更多的游离氧化钙，在混凝土后期强度增长过程中，游离氧化钙会水化生成氢氧化钙，体积膨胀，引起体积安定性问题。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供涉及了一种粉煤灰活性激发方法，并用其制备低成本水泥。主要用两种不同钙含量的粉煤灰代替部分水泥熟料的使用，通过物理和化学方法，有效解决了游离氧化钙引起的体积不安定性，提高了粉煤灰的活性，避免了大部分的资源浪费，提高固废的利用。
本发明技术方案：
以两种钙含量不同的粉煤灰为原料，由以下重量比进行制作：高钙粉煤灰25-30%、低钙粉煤灰15-20%、火山灰质材料4%-8%、消石灰4%-8%、普通硅酸盐水泥30-40%、活性激发剂4%-6%，活性激发剂由水玻璃、焦磷酸钠、磷酸氢钙、助磨剂、减水剂组成。
进一步的，活性激发剂的组成，由以下重量比进行制作：
水玻璃：焦磷酸钠：磷酸氢钙：助磨剂：减水剂=15：2：2：2：4
进一步的，改性粉煤灰的方法，包括以下步骤：
S1：将25-30重量份高钙粉煤灰、4-8重量份火山灰质材料、4-8重量份消石灰、3-5重量份活性激发剂加入到球磨机中，研磨至比表面积≥600m3/Kg；将7-10重量份低钙粉煤灰加入到球磨机中，研磨至比表面积≥450m3/Kg； 另外7-10重量份低钙粉煤灰不做球磨处理；S2：将S1得到的混合料加入到磁力搅拌机中进行搅拌，转速调节为500-800r/min，搅拌结束后出料，晾干；
S3：将搅拌后的混合料添加到电阻炉中，在300-320℃下煅烧20min，降至室温冷却10min，再升温至600-620℃煅烧20min，冷却至室温，即可得到改性粉煤灰；
进一步的，将改性后的粉煤灰和普通硅酸盐水泥按照6：4重量比例均匀掺在一起，便制得大掺量高钙粉煤灰水泥；
进一步的，大掺量高钙粉煤灰水泥中的高钙粉煤灰CaO含量≥10%；进一步的，大掺量高钙粉煤灰水泥中的火山灰质材料可选用火山灰、煤矸石、沸石、烧页岩的其中一种；
进一步的，活性激发剂中水玻璃采用模数为2.2-2.5，波美度为30-35Be′的液态硅酸钠；
进一步的，助磨剂选用三乙醇胺、酰胺、聚合醇胺的一种或者几种混合；
进一步的，减水剂选用萘系高效减水剂、木质素磺酸盐、聚羧酸高性能减水剂其中的一种；
本发明的有益效果：
（1）通过火山灰质材料的加入、粉煤灰混材使用和煅烧工艺可大幅消解高钙粉煤灰中游离氧化钙，以解决水化后期引起的体积不安定性，有效解决了大量高钙粉煤灰的浪费问题。
（2）由于粉煤灰主要成分是酸性氧化物，呈弱酸性，在所形成的碱性体系中，其活性最容易被激发，Na2SiO3在水合系统中水解电离出Na+离子,Na+离子与Ca(OH)2电离出的OH-结合生成强碱NaOH,这相当于增大了Ca(OH)2的溶解度:一方面使液相中的OH-增多,另一方面又使Ca2+的浓度增大，Na2SiO3水解生成的硅胶也可以与Ca2+反应,同样生成水合产物,从另一个反应途径增加空间网络结构的水合产物。相比较传统单一的粉磨或强碱激活方法，此激活方法可明显的提高对粉煤灰的活化作用，且成本低廉。
（3）焦磷酸钠在磷酸氢钙作用下形成胶体稳定，不仅可以提高助磨效率，还可延缓水泥凝结时间，有效地提高混凝土的可塑能力，使用范围更广泛。
（3）将粉煤灰分为三种不同细度，这样可以减少研磨过程的成本，加强填充效应，提高密实度，进一步提高其成品的抗压强度。
（4）通过煅烧-冷却-再煅烧-再冷却的方式，提高粉煤灰的抗裂、抗冲击性能，尤其是抗折强度，进一步提高了粉煤灰的综合机械性能。具体实施方式以下实施例所用材料、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、方法和仪器，本领域普通技术人员均可通过商业渠道获得。下面对本发明做进一步详细说明，但以下详细说明不视为对本发明的限定。
实施例1
以两种钙含量不同的粉煤灰为原料，由以下重量配比进行制作：高钙粉煤灰30%、低钙粉煤灰15%、火山灰5%、消石灰5%、普通硅酸盐水泥40%、活性激发剂5%，活性激发剂由水玻璃、焦磷酸钠、磷酸氢钙、三乙醇胺、木质素磺酸钠组成，按照重量配比水玻璃：焦磷酸钠：磷酸氢钙：三乙醇胺：木质素磺酸钠=15：2：2：2：4；水玻璃采用模数为2.2，波美度为32Be′的液态硅酸钠；
其中选用的高钙粉煤灰成分如表1所 示。
表1
| 物样 | 烧矢量（%） | SiO<sub>2</sub>（%） | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>（%） | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>（%） | CaO（%） | MgO（%） |
| 粉煤灰 | 3.25 | 38.36 | 22.68 | 7.02 | 17.82 | 3.32 |
其中选用的低钙粉煤灰成分如表2所示。
表2
| 物样 | 烧矢量（%） | SiO<sub>2</sub>（%） | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>（%） | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>（%） | CaO（%） | SO<sub>3</sub>（%） |
| 粉煤灰 | 6.02 | 38.66 | 45.22 | 3.85 | 1.22 | 0.32 |
一种改性粉煤灰的方法，包括以下步骤：
S1：将30重量份高钙粉煤灰、5重量份火山灰、5重量份消石灰、5重量份活性激发剂加入到球磨机中，研磨至比表面积≥600m3/Kg；将8重量份低钙粉煤灰加入到球磨机中，研磨至比表面积≥450m3/Kg；另外7重量份低钙粉煤灰不做球磨处理；
S2：将S1制得的混合料加入到磁力搅拌机中进行搅拌，转速调节为500-800r/min，搅拌结束后出料，晾干；
S3：将搅拌后的混合料添加到电阻炉中，在300-320℃下煅烧20min，降至室温冷却10min，再升温至600-620℃煅烧20min，冷却至室温，即可得到改性粉煤灰；
将改性后的粉煤灰和普通硅酸盐水泥按照6：4重量比例的均匀掺在一起，便制得大掺量高钙粉煤灰水泥。
实施例2
以两种钙含量不同的粉煤灰为原料，由以下重量配比进行制作：高钙粉煤灰30%、低钙粉煤灰20%、沸石5%、消石灰5%、普通硅酸盐水泥35%、活性激发剂5%，活性激发剂由水玻璃、焦磷酸钠、磷酸氢钙、聚乙醇胺、萘系高效减水剂组成，按照重量比水玻璃：焦磷酸钠：磷酸氢钙：聚乙醇胺：萘系高效减水剂=15：2：2：2：4；水玻璃采用模数为2.4，波美度为35Be′的液态硅酸钠；
其中选用的高钙粉煤灰成分如表1所示。
表1
| 物样 | 烧矢量（%） | SiO<sub>2</sub>（%） | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>（%） | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>（%） | CaO（%） | MgO（%） |
| 粉煤灰 | 3.25 | 38.36 | 22.68 | 7.02 | 17.82 | 3.32 |
其中选用的低钙粉煤灰成分如表2所示。
表2
| 物样 | 烧矢量（%） | SiO<sub>2</sub>（%） | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>（%） | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>（%） | CaO（%） | SO<sub>3</sub>（%） |
| 粉煤灰 | 6.02 | 38.66 | 45.22 | 3.85 | 1.22 | 0.32 |
一种改性粉煤灰的方法，包括以下步骤：
S1：将30重量份高钙粉煤灰、5重量份沸石、5重量份消石灰、5重量份活性激发剂加入到球磨机中，研磨至比表面积≥600m3/Kg；将10重量份低钙粉煤灰加入到球磨机中，研磨至比表面积≥450m3/Kg；另外10重量份低钙粉煤灰不做球磨处理；
S2：将研磨后的混合料加入到磁力搅拌机中进行搅拌，转速调节为500-800r/min，搅拌结束后出料，晾干；
S3：将搅拌后的混合料添加到电阻炉中，在300-320℃下煅烧20min，降至室温冷却10min，再升温至600-620℃煅烧20min，冷却至室温，即可得到改性粉煤灰；
将改性后的粉煤灰和普通硅酸盐水泥按照6.5：3.5重量比例的均匀掺在一起，便制得大掺量高钙粉煤灰水泥。
本发明的原理如下：
高钙粉煤灰中游离氧化钙（f-CaO）产生安定性问题原因是：游离氧化钙不能立即参与水化反应，而是在混凝土建立一定强度后才能水化产生氢氧化钙，反应产物体积大幅度增加，从而产生膨胀性破坏。本发明通过两种不同钙含量的粉煤灰混掺，在不影响掺量的前提下，减少游离氧化钙的含量，并加入火山灰材料，再进行两次煅烧，消解大部分游离氧化钙，以此解决后期的体积安定性问题。
由于粉煤灰主要成分是酸性氧化物，呈弱酸性，在所形成的碱性体系中，其活性最容易被激发，OH-粒子首先打破粉煤灰表面的Si-O和Al-O网络，使聚合度降低成为活性状态并与Ca2+反应生成水化硅酸钙（CaO•SiO2•nH2O）和水化铝酸钙（CaO•Al2O3•nH2O），他们都是稳定性较好的凝胶物质。Na2SiO3在水合系统中水解电离出Na+离子,Na+离子与Ca(OH)2电离出的OH-结合生成强碱NaOH,这相当于增大了Ca(OH)2的溶解度:一方面使液相中的OH-增多,另一方面又使Ca2+的浓度增大，Na2SiO3水解生成的硅胶也可以与Ca2+反应,同样生成水合产物,从另一个反应途径增加空间网络结构的水合产物。相比较传统单一的粉磨或强碱激活方法，此激活方法可明显的提高对粉煤灰的活化作用，且成本低廉。
Na2SiO3+xCa(OH)2+yH2O→SiO2•xCa•yH2O+2NaOH
2OH-+SiO2+ Ca2++（n-1）H2O→CaO•SiO2•nH2O（水化硅酸钙）
2OH-+Al2O3+Ca2++nH2O→CaO•Al2O3•nH2O（水化铝酸钙）
另外，此方法将粉煤灰分为三种不同细度，这样可以减少研磨过程的成本，加强填充效应，提高密实度，进一步提高其成品的抗压强度。并通过煅烧-冷却-再煅烧-再冷却的方式，提高粉煤灰的抗裂、抗冲击性能，尤其是抗折强度，进一步提高了粉煤灰的综合机械性能。虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (9)
1.一种大掺量高钙粉煤灰水泥，其特征在于：以两种钙含量不同的粉煤灰为原料，由以下重量比进行制作：高钙粉煤灰25-30%、低钙粉煤灰15-20%、火山灰质材料4%-8%、消石灰4%-8%、普通硅酸盐水泥30-40%、活性激发剂4%-6%。
2.活性激发剂，其特征在于：由水玻璃、焦磷酸钠、磷酸氢钙、助磨剂、减水剂组成；由以下重量比进行制作：水玻璃：焦磷酸钠：磷酸氢钙：助磨剂：减水剂=15：2：2：2：4。
3.一种改性粉煤灰的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将25-30重量份高钙粉煤灰、4-8重量份火山灰质材料、4-8重量份消石灰、3-5重量份活性激发剂加入到球磨机中，研磨至比表面积≥600m3/Kg；将7-10重量份低钙粉煤灰加入到球磨机中，研磨至比表面积≥450m3/Kg； 另外7-10重量份低钙粉煤灰不做球磨处理；
S2：将S1制得的混合料加入到磁力搅拌机中进行搅拌，转速调节为500-800r/min，搅拌结束后出料，晾干；
S3：将搅拌后的混合料添加到电阻炉中，在300-320℃下煅烧20min，降至室温冷却10min，再升温至600-620℃煅烧20min，冷却至室温，得到改性粉煤灰。
4.根据权利要求1所述一种大掺量高钙粉煤灰水泥，其特征在于：由改性后的粉煤灰和普通硅酸盐水泥按照6：4比例的均匀掺和而成。
5.根据权利要求1所述一种大掺量高钙粉煤灰水泥，其特征在于：其中的高钙粉煤灰CaO含量≥10%；火山灰质材料可选用火山灰、煤矸石、沸石、烧页岩的其中一种。
6.根据权利要求2所述活性激发剂，其特征在于：水玻璃采用模数为2.2-2.5，波美度为30-35Be′的液态硅酸钠。
7.根据权利要求2所述活性激发剂，其特征在于：助磨剂选用三乙醇胺、酰胺、聚合醇胺的一种或者几种混合。
8.根据权利要求2所述活性激发剂，其特征在于：减水剂选用萘系高效减水剂、木质素磺酸盐、聚羧酸高性能减水剂其中的一种。
9.根据权利要求3所述一种改性粉煤灰的方法，其特征在于：将粉煤灰分为三种细度，采用煅烧-冷却-再煅烧-再冷却的方式。
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