CN113185158A

CN113185158A - 一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法

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Publication number: CN113185158A
Application number: CN202110359625.7A
Authority: CN
Inventors: 白雨鑫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2021-07-30

Abstract

本发明涉及天然水硬性石灰的制备领域，具体公开了一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法,包括以下步骤：步骤S1、采用湿法混料，将钾长石和石灰石按照质量比1:3混合均匀；步骤S2、按照0.27的水灰比将步骤S1中的混料制备成第一试样；步骤S3、在室温下将步骤S2中的第一试样自然干燥后放入马弗炉，在950℃下煅烧；步骤S4、对步骤S3中的第一试样进行养护，本发明以钾长石和石灰石为原料950℃煅烧6 h产物中的CaO、2CaO·SiO2和2CaO·Al2O3·SiO2的含量与欧洲水硬性石灰NHL3.5的成分相近，填补了我国关于NHL3.5水硬性石灰制备的空白。

Description

一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法

技术领域

本发明涉及天然水硬性石灰的制备技术领域，尤其涉及一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法。

背景技术

天然水硬性石灰是一种通过用黏土含量较高或二氧化硅含量较高的硅质石灰石煅烧而成的胶凝材料，天然水硬性石灰的煅烧温度在950℃~1250℃，它是一种同时具有水硬性和气硬性的材料。其水硬性取决于C₂S，气硬性取决于Ca(OH)₂，目前以有学者将水硬性石灰应用于古建筑的修复和加固。

钾长石是一种在我国分布广泛、储存量大的硅酸盐矿物，我国关于钾长石的研究主要集中在以钾长石为原料制备钾肥和用钾长石进行吸附研究。

研究用的水硬性石灰主要依赖于进口，对于水硬性石灰的制备及力学性能变化机理的研究较少。在水硬性石灰制备方面，王琳琳等以泥灰岩为原料1200℃煅烧5 h制备出与商用NHL2成分相似的水硬性石灰。杨建林等以姜石为原材料900℃煅烧8h制备出与商用NHL5成分相似的水硬性石灰，对于NHL3.5的制备未见报道。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，包括以下步骤：

步骤S1、采用湿法混料，将钾长石和石灰石按照质量比1:3混合均匀；

步骤S2、按照0.27的水灰比将步骤S1中的混料制备成第一试样；

步骤S3、在室温下将步骤S2中的第一试样自然干燥后放入马弗炉，在950℃下煅烧；

步骤S4、对步骤S3中的第一试样进行养护。

优选的，在步骤S3中，煅烧时间为2-8小时。

优选的，在步骤S3中，煅烧时间为6小时。

优选的，所述步骤S2中，第一试样为80×40×10 mm的试样。

优选的，所述步骤S4中，将步骤S3中的第一试样与石英砂按质量比1:1混合均匀，按水灰比0.42，将砂浆混合均匀，将砂浆倒入模具中，振动成型，24 h脱模后将制成的第二试样在室温下养护。

优选的，所述石英砂的粒度小于420 μm。

优选的，所述砂浆混合均匀的步骤为：将砂浆加入搅拌机内，搅拌机每搅拌5 min停2 min，重复3次后将砂浆倒入模具中，振动成型。

优选的，所述第二试样的尺寸为70×70×70 mm。

优选的，将第二试样按照0.58的水灰比，使用移液枪精确量取所需水量加入，制备第三试样。

优选的，所述第三试样为Ф50×15 mm的试样。

本发明的有益效果是：

本发明以钾长石和石灰石为原料950℃煅烧6 h产物中的CaO、2CaO·SiO2和2CaO·Al2O3·SiO2的含量与欧洲水硬性石灰NHL3.5的成分相近，填补了我国关于NHL3.5水硬性石灰制备的空白。随养护龄期的增加，水硬性石灰中C-S-H和CaCO3含量逐渐增加，养护阶段为7~21 d时最为明显。养护至21 d时，Ca(OH)2衍射峰几乎消失，说明以钾长石和石灰石为原料制备的水硬性石灰碳化反应进行的速率较快。龄期7～21 d ，硬度以线性规律增加；龄期21～28 d，硬度增加缓慢。在养护早期，水硬性石灰中的Ca2+和OH-离子发生碳化反应后会诱导一部分H2SiO42-聚集在硅酸盐相表面，形成早期的C-S-H凝胶。随养护龄期的增加，针棒状的C-S-H数量增多，尺寸增大和方解石型CaCO₃相互交织形成致密的微观结构，降低孔隙率，提高水硬性石灰的力学性能。随着压应力的增加，试样表面变形分布较为均匀，压应力进一步增加，出现应力集中区域，小的局部变形区域和相邻的变形区合并成应变局部化带，最终局部应变化带发展成宏观裂纹。随养护时间增加，试样的弹性模量增大，试件越不容易破坏。

附图说明

图1为本发明提出的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法的流程图；

图2为钾长石的化学成分图；

图3为长石和石灰石950℃分别煅烧0 h、2 h、6 h和8 h时XRD衍射图；

图4为不同煅烧时间试样的物相组成进行定量计算示意图；

图5为水硬性石灰的硬度随龄期的变化规律；

图6为不同养护条件下随养护期间的增加水硬性浆料的收缩变化规律图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例一：

请参照图1，一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，包括以下步骤：

步骤S2、按照0.27的水灰比将步骤S1中的混料制备成第一试样，具体的，第一试样为80×40×10 mm的试样；

步骤S4、对步骤S3中的第一试样进行养护。

实施例二：

步骤S4、对步骤S3中的第一试样进行养护。

进一步的，所述步骤S4中，将步骤S3中的第一试样与石英砂按质量比1:1混合均匀，按水灰比0.42，将砂浆混合均匀，将砂浆倒入模具中，振动成型，24 h脱模后将制成的第二试样在室温下养护。

优选的，所述石英砂的粒度小于420 μm。

优选的，所述第二试样的尺寸为70×70×70 mm，并进行抗压强度测试。

实施例三：

步骤S4、对步骤S3中的第一试样进行养护，具体的，将步骤S3中的第一试样与石英砂按质量比1:1混合均匀，石英砂的粒度小于420 μm，按水灰比0.42，将砂浆混合均匀，将砂浆倒入模具中，振动成型，24 h脱模后将制成的第二试样在室温下养护。

进一步的，将第二试样按照0.58的水灰比，使用移液枪精确量取所需水量加入，制备第三试样，所述第三试样为Ф50×15 mm的试样。使用邵氏硬度计通过静压法进行硬度测试，测量时将试样放在平整的桌面上，钢针压入试样表面持续2 s以上读取硬度数值。

在本实施方式中，实验原材料的钾长石购买自石家庄雨馨建筑材料有限公司，目数为800目。使用X射线荧光光谱仪(XRF)EDS3600B测试钾长石的化学成分化学，测试结果如图2所示。钾长石原料中SiO₂的含量为64.6%，Al₂O₃的含量为8.5%，K₂O的含量为10.2%，Na₂O的含量为6.7%。在煅烧过程中，通过固相反应长石中的SiO₂可以与石灰石形成硅酸钙，长石中的K₂O和Na₂O能够降低固相反应的温度。

石灰石粉末购买自上海国药试剂。

优选的，在步骤S3中，煅烧时间为2-8小时。选用950℃煅烧6 h的水硬性石灰制备砂浆试件，进行硬度和抗压强度测试。

请参照图3，图3为长石和石灰石950℃分别煅烧0 h、2 h、6 h和8 h时XRD衍射图。为煅烧前，原材料中长石主要含有钾长石KAlSi₃O₈和钠长石NaAlSi₃O₈矿物。950℃煅烧2 h后，NaAlSi₃O₈衍射峰消失，KAlSi₃O₈的衍射峰明显降低，CaCO₃的衍射峰消失，出现CaO、C2S(2CaO·SiO₂)和C₂AS(2CaO·Al₂O₃·SiO₂)衍射峰。表明在950℃煅烧2 h，钠长石完全分解，钾长石开始分解，CaCO₃分解后生成的CaO与SiO₂反应生成C₂S和CaSiO₃。煅烧6 h时，钾长石衍射峰明显降低，SiO₂的峰强增强，表明钾长石大量分解生成的SiO₂和CaO反应生成更多的C₂S和C₂AS。煅烧8 h时，衍射峰变化不明显。

请参照图4，图4为不同煅烧时间试样的物相组成进行定量计算示意图，煅烧2 h时，NaAlSi₃O₈分解完，KAlSi₃O₈开始分解。煅烧6 h时，C₂S 和 CaO 的含量同时达到最大值，分别为30%和26%，C₂AS含量为9%，与欧洲水硬性石灰NHL3.5的成分相接近[16]。煅烧过程中，NaAlSi₃O₈和KAlSi₃O₈分解成具有反应活性的SiO₂和Al₂O₃，与CaO反应生成C₂S和C₂AS。煅烧8 h时，KAlSi₃O₈的含量为11%，与煅烧6 h相比变化不明显，说明在此煅烧温度下，钾长石的分解趋于稳定。

图5为水硬性石灰的硬度随龄期的变化规律。龄期3~7 d时，试样硬度随龄期呈线性规律增加，增长速率较为缓慢，龄期7 d时，硬度值为14.5 HD，为龄期28 d时硬度的28.7%。在此阶段水化反应和碳化反应还未大量进行，CaCO3 和C-S-H含量较少，试样内部的孔隙较大，硬度值较小。龄期14~21 d时，硬度增长速率变快，龄期21 d时，硬度值为45.5HD，为养护28 d时试样硬度的90.1%。根据XRD测试结果可知，在此阶段水化反应和碳化反应逐渐进行，CaCO3和C-S-H逐渐填充到试样的孔隙，使硬度逐渐提高[18]。龄期21~28 d时，硬度增长速率变缓慢，龄期28 d时试样的硬度为50.5 HD，该段时间内碳化反应大大减少，C2S的水化反应大量进行。

养护到28 d时，碳化反应基本完成，水化反应稳步进行，抗压强度达到3.64 MPa，达到NHL3.5的标准。

对自然条件下养护1～28d的水硬性石灰试样进行收缩率计算。公式如4.1所示。水硬性石灰砂浆试件的Sd反映了试件在养护过程中的收缩变形程度，由试件在不同龄期时长度L计算得到，其定义为：

式中，S_d为水硬性石灰试样的收缩率(％)；L₀为砂浆试件龄期为 1d时的直径(mm)；L₁为试件不同龄期时的长度(mm)。不同养护条件下随养护期间的增加水硬性浆料的收缩变化规律如图6所示。

自然条件下养护阶段在1~3 d时，水硬性石灰砂浆试件的收缩率急剧增长，这是由于刚脱离模具的试样内部水分充足，在和外界充分接触时导致水分大量蒸发，自然养护3 d时水硬性浆料试样的收缩率为2%，养护阶段为3~7 d时，砂浆试件的收缩率缓慢增加，试样内部的水分继续向外界蒸发，试样内部发生着水化反应。养护阶段7~14 d时，试样收缩速度开始减慢。养护阶段为14~21 d时，由于试样内部碳化反应基本完成，生成的碳酸钙和C-S-H使试样的孔隙率降低，水硬性石灰的内部结构变的致密，水分的蒸发变的困难。养护阶段为21~28 d时，试样的收缩率趋于平缓，养护28 d时试样的收缩率2.2%。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S4、对步骤S3中的第一试样进行养护。

2.根据权利要求1所述的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，在步骤S3中，煅烧时间为2-8小时。

3.根据权利要求2所述的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，在步骤S3中，煅烧时间为6小时。

4.根据权利要求1所述的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，所述步骤S2中，第一试样为80×40×10 mm的试样。

5.根据权利要求1所述的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，所述步骤S4中，将步骤S3中的第一试样与石英砂按质量比1:1混合均匀，按水灰比0.42，将砂浆混合均匀，将砂浆倒入模具中，振动成型，24 h脱模后将制成的第二试样在室温下养护。

6.根据权利要求5所述的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，所述石英砂的粒度小于420 μm。

7.根据权利要求5所述的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，所述砂浆混合均匀的步骤为：将砂浆加入搅拌机内，搅拌机每搅拌5 min停2 min，重复3次后将砂浆倒入模具中，振动成型。

8.根据权利要求7所述的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，所述第二试样的尺寸为70×70×70 mm。

9.根据权利要求5所述的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，将第二试样按照0.58的水灰比，使用移液枪精确量取所需水量加入，制备第三试样。

10.根据权利要求9所述的一种利用钾长石和石灰石制备天然水硬性石灰的方法，其特征在于，所述第三试样为Ф50×15 mm的试样。