CN114315187B - 含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥、制备方法及应用 - Google Patents

含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了本发明提供了一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥、制备方法及应用，中性水泥包括以下按重量份计的原料：水泥熟料40～60份，煤渣5～15份，石膏2～5份，植硅体硅粉10～20份，石英玻璃短纤维5～15份，硫磺粉2～8份，黄糊精2～4份。本发明的所用的植硅体硅粉为亚微米级SiO2，填补了水泥砂浆中的颗粒粒度分布，通过加入大量的亚微米级植硅体硅粉在水泥水化时与生成的Ca(OH)2反应生成硅酸钙，从而达到减弱，再有适量硫磺粉的参与，使得Ca(OH)2石膏化，进一步减少水泥胶砂Ca(OH)2存在量的目的。本发明的水泥具有耐酸性腐蚀性能，制备成本低，环保等优点。经检测，达到国家标准。该方法制备的中性水泥可以应用用于屋顶、外墙，还可防盐雾等。

Description

含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别是一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥、制备方法及应用。
背景技术
近年来，环境污染对于建筑物的危害明显并且是有据可依。环境污染主要是空气中掺杂着可吸入颗粒物、二氧化硫、氮氧化物，当遇到雨水天气时，更是会形成酸雨。与此同时，建筑物中所选用的混合材主要是碱性的矿渣石，其中二氧化硫、酸雨等酸性物质很容易对建筑物进行腐蚀。针对酸性物质的对建筑物的腐蚀，人们也采取相应的措施来提高建筑物材料的耐酸性，传统的技术主要是通过降低水灰比，降低水灰比主要可以使得水泥混合材的毛细孔的孔隙率下降，当毛细孔的孔隙率下降时对于耐酸性是非常有利的，但是这个潜在的弊端在于当水灰比不能过低，当低于0.4时，毛细孔的孔隙率下降便不会继续下降，因此耐酸性也不会进一步的得到改善；当然，人们也会采取加入煤灰粉以及硅粉来提高耐酸性，但是粗颗粒氧化硅粉并没有从根源上解决水泥混合材的耐酸性差的问题，并且这些措施并没有将水泥混合材耐酸性能得到质的提高，因此，大幅度提高水泥混合材的耐酸性，从根源上解决水泥混合材的腐蚀问题一直是本领域技术人员待解决的技术难题。而大自然给予人类的SiO2资源的粒度在5微米以上，其中5μm-100μm为粉石英矿；天然SiO2资源的粒度远不能满足国民经济需求更细的要求，于是通过物理加工方式可将SiO2粒度粉碎到1μm，或通过化学加工方式可将SiO2粒度合成为100nm以下，而100nm-1μm之间的SiO2粒度通过人工制备成本较高，从性价比角度分析，100nm-1μm之间粒度的SiO2在市场上基本属于缺失范围。但江西丰城县大型植硅体矿(SiO2矿)的发现，填补了人类在SiO2粒度100nm-1μm范围，形成完整SiO2粒度工业用序列。同时水泥碱含量对水泥、混凝土不利，目前混凝土工程加强对水泥碱含量的控制，混凝土主体工程必须采用低碱水泥。以此保证混凝土的顺利浇筑及工程质量。
本发明通过向水泥中添加亚微米级植硅体硅粉对水泥的碱性进行减弱，为中性水泥提供了一种新的制备方法；其中亚微米级植硅体硅粉由植硅体硅矿中筛选得到。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥、制备方法及应用，以解决上述技术背景中提出的问题。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一方面，本发明提供了一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，包括以下按重量份计的原料：水泥熟料40～60份，煤渣5～15份，石膏2～5份，植硅体硅粉10～20份，石英玻璃短纤维5～15份，硫磺粉2～8份，黄糊精2～4份；其中，植硅体硅粉与石英玻璃短纤维的比例为1.3～2.0，植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量为15～35％。
上述技术方案中，所述植硅体硅粉与石英玻璃短纤维的比例为1.5，植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量为20～25％。
上述技术方案中，所述水泥熟料为PO42.5水泥熟料。
上述技术方案中，所述煤渣为普通煤渣，容重大于1800kg/m3。
上述技术方案中，所述石膏为硬石膏、二水石膏中的至少一种。
上述技术方案中，所述植硅体硅粉采用植硅体矿是将植硅体硅矿进行处理后得到的，具体的处理方法为：
(1)加水旋回破碎：新开采来的植硅体矿加水与之混合，然后放入旋回破碎机进行破碎；
(2)一次网筛分离：采用振动筛将大于5mm砂砾筛分离；
(3)一次擦洗剥离：将分离5mm砂砾后的植硅体矿放入到擦洗机中初步擦洗剥离，初步擦洗时间为10-30min；
(4)二次网筛分离：振动筛将大于1mm的物质筛掉；
(5)一次超细球磨：将步骤(4)筛掉1mm的物料超细球磨30-300min；其中，一次超细球磨采用氧化锆球磨介质，且氧化锆球磨介质直径为1mm-5mm配置；
(6)二次擦洗剥离：将步骤(5)中超细球磨后的物料筛分出大于0.1mm的杂质，去除杂质；
(7)一次沉降：将步骤(6)中筛分0.1mm的杂质的产物制浆后所得混合浆进入一级沉降池进行沉降1-4h，分离底部沉淀物；
(8)二次超细球磨：将(7)中分离底部沉降物后的浆料进行二次超细球磨，超细球磨30-300min，使得腐植质、黏土和SiO2颗粒分离；其中，二次超细球磨采用氧化锆球磨介质，且氧化锆球磨介质直径为0.1mm-1mm配置；
(9)二次沉降：将步骤(8)中腐植质、黏土和SiO2颗粒进入二级沉降池，在二级沉降池内沉降1-4h后，将悬浮上部夹杂着腐植质、黏土物质排出，得SiO2粗品；
(10)干燥：进行120℃烘干；
(11)无/有氧煅烧：将步骤(10)烘干后的含炭二氧化硅在450-650℃中无/有氧煅烧0.5-5h，得植硅体硅粉，备用；其中所述植硅体硅粉中SiO2粒度在300nm-5μm。
上述技术方案中，所述石英玻璃短纤维是指直径5微米以下的石英玻璃纤维。
上述技术方案中，所述硫磺粉是指含硫量在95％以上，目数小于200目粉体。
另一方面，本发明还提供了一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥的制备方法，具体制备步骤为：将按重量份称取的水泥熟料、煤渣、石膏、植硅体硅粉、石英玻璃短纤维、硫磺粉、黄糊精后，混合研磨，研磨至粉料粒径为80μm方孔筛的筛余量≤5％即可。
另一方面，本发明还提供了植硅体硅粉在水泥领域的应用，其应用方式为采用植硅体硅粉为原料制备上述所述的中性水泥。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种含有亚微米级植硅体中性水泥，本发明的所用的植硅体硅粉为亚微米级SiO2，填补了水泥砂浆中的颗粒粒度分布，通过加入大量的亚微米级植硅体硅粉在水泥水化时与生成的Ca(OH)2反应生成硅酸钙，从而达到减弱，再有适量硫磺粉的参与，使得Ca(OH)2石膏化，进一步减少水泥胶砂Ca(OH)2存在量的目的。本发明的水泥具有耐酸性腐蚀性能，制备成本低，环保等优点。经检测，达到国家标准。该方法制备的中性水泥可以应用用于屋顶、外墙，还可防盐雾等。
2、现有技术制备100nm-1μm级的二氧化硅，耗费能量巨大，性价比不适宜市场发展。本发明采用植硅体硅矿获取的该粒度的二氧化硅所需耗能小，且填补了该粒度的SiO2增强剂的空缺。且具有较好的碱中和效果。
3、本发明基于现有设备条件，完全可应用于工业大规模生产实践，可以大规模用于一种含有亚微米级植硅体中性水泥的制备。
附图说明
图1为植硅体硅粉的SEM图片；
图2为植硅体硅矿的粒度分析图，图中，横坐标为颗粒粒径，左边纵坐标为累积，表示不大于某一粒度的累积百分比，右边纵坐标为区间分布或微分分布，体现的是不同粒度所占总体积的百分比；
图3为不同植硅体硅粉添加量所得中性水泥的XRD图；
图4为在不添加硫磺粉情况下不同植硅体硅粉添加量时PH的变化图；
图5为植硅体硅粉添加量不变情况下添加不同硫磺粉时PH的变化图；
图6为不同植硅体硅粉和石英玻璃短纤维添加总量对所得中性水泥的抗压抗折强度性能图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
本实施例提供了一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，包括以下按重量份计的原料：水泥熟料60份，煤渣13份，石膏2份，植硅体硅粉10份，石英玻璃短纤维5份，硫磺粉8份，黄糊精2份；其中，植硅体硅粉与石英玻璃短纤维的比例为2.0，植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量为15％，植硅体硅粉的添加量为10％。
本实施例中，所述水泥熟料为PO42.5水泥熟料。
本实施例中，所述煤渣为普通煤渣，容重大于1800kg/m3。
本实施例中，所述石膏为硬石膏、二水石膏中的至少一种。
本实施例中，所述植硅体硅粉采用植硅体矿是将植硅体硅矿进行处理后得到的，植硅体硅矿原矿化学成分为：SiO2 77.01-80.54％、Al2O33.03-5.35％、Fe2O3 1.08-3.73％、CaO0.07-0.69％、LOI(烧失量)11.96-16.13％、TiO2约为0.69％；植硅体硅矿原矿矿物成分约为：脉石8％、粘土3％、黄铁矿0.5％、针铁矿0.5％、腐植质10％、SiO278％。参阅图2，植硅体硅矿中SiO2粒度范围：100nm-5um，多以团聚方式出现。
具体的处理方法为：
(1)加水旋回破碎：新开采来的植硅体矿加水与之混合，然后放入旋回破碎机进行破碎；
(2)一次网筛分离：采用振动筛将大于5mm砂砾筛分离；
(3)一次擦洗剥离：将分离5mm砂砾后的植硅体矿放入到擦洗机中初步擦洗剥离，初步擦洗时间为10-30min；
(4)二次网筛分离：振动筛将大于1mm的物质筛掉；
(5)一次超细球磨：将步骤(4)筛掉1mm的物料超细球磨30-300min；其中，一次超细球磨采用氧化锆球磨介质，且氧化锆球磨介质直径为1mm-5mm配置；
(6)二次擦洗剥离：将步骤(5)中超细球磨后的物料筛分出大于0.1mm的杂质，去除杂质；
(7)一次沉降：将步骤(6)中筛分0.1mm的杂质的产物制浆后所得混合浆进入一级沉降池进行沉降1-4h，分离底部沉淀物；
(8)二次超细球磨：将(7)中分离底部沉降物后的浆料进行二次超细球磨，超细球磨30-300min，使得腐植质、黏土和SiO2颗粒分离；其中，二次超细球磨采用氧化锆球磨介质，且氧化锆球磨介质直径为0.1mm-1mm配置；
(9)二次沉降：将步骤(8)中腐植质、黏土和SiO2颗粒进入二级沉降池，在二级沉降池内沉降1-4h后，将悬浮上部夹杂着腐植质、黏土物质排出，得SiO2粗品；
(10)干燥：进行120℃烘干；
(11)无/有氧煅烧：将步骤(10)烘干后的含炭二氧化硅在450-650℃中无/有氧煅烧0.5-5h，得植硅体硅粉，备用；其中所述植硅体硅粉中SiO2粒度在300nm-5μm，参阅图1和图2所示。
本实施例中，所述石英玻璃短纤维是指直径5微米以下的石英玻璃纤维。
本实施例中，所述硫磺粉是指含硫量在95％以上，目数小于200目粉体。
本实施例还提供了一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥的制备方法，具体制备步骤为：将按重量份称取的水泥熟料、煤渣、石膏、植硅体硅粉、石英玻璃短纤维、硫磺粉、黄糊精后，混合研磨，研磨至粉料粒径为80μm方孔筛的筛余量≤5％即可。
实施例2
本实施例提供了一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，包括以下按重量份计的原料：水泥熟料50份，煤渣5份，石膏5份，植硅体硅粉20份，石英玻璃短纤维15份，硫磺粉2份，黄糊精3份；其中，植硅体硅粉与石英玻璃短纤维的比例为1.3，植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量为35％，植硅体硅粉的添加量为20％。其它与实施例1相似。
实施例3
本实施例提供了一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，包括以下按重量份计的原料：水泥熟料40份，煤渣15份，石膏5份，植硅体硅粉20份，石英玻璃短纤维10份，硫磺粉6份，黄糊精4份；其中，植硅体硅粉与石英玻璃短纤维的比例为2.0，植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量为30％，植硅体硅粉的添加量为20％。其它与实施例1相似。
实施例4
本实施例提供了一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，包括以下按重量份计的原料：水泥熟料40份，煤渣10份，石膏5份，植硅体硅粉21份，石英玻璃短纤维14份，硫磺粉8份，黄糊精2份；其中，植硅体硅粉与石英玻璃短纤维的比例为1.5，植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量为35％，植硅体硅粉的添加量为21％。其它与实施例1相似。
对比例1
本实施例与实施例4相似，区别在于：本实施例采用普通标准的石英砂替代实施例4中的植硅体硅粉。具体为：本实施例提供了一种水泥，包括以下按重量份计的原料：水泥熟料40份，煤渣10份，石膏5份，普通标准的石英砂21份，石英玻璃短纤维14份，硫磺粉8份，黄糊精2份。
对比例2
本实施例与实施例4相似，区别在于：本实施例去除植硅体硅粉。具体为：本实施例提供了一种水泥，包括以下按重量份计的原料：水泥熟料40份，煤渣10份，石膏5份，石英玻璃短纤维21份，硫磺粉8份，黄糊精2份。
一、研究不同植硅体硅粉添加量对水泥水化时与生成的Ca(OH)2的影响
以实施例1为基础，设定植硅体硅粉添加量为10.0％、15.0％和20.0％，其他成分重量份数不变制备3种水泥，3种水泥各成分的添加量如表1所示：
表1
Figure BDA0003441123590000061
将所得3种水泥进行XRD检测后，检测结果如图3可知，Ca(OH)2特征峰d值为
Figure BDA0003441123590000062
对应铜靶角度为17.953°(2θ)，植硅体硅粉10％时(曲线1)，
Figure BDA0003441123590000063
峰对应积分面积为678，植硅体硅粉15％时(曲线2)，
Figure BDA0003441123590000064
峰对应积分面积为480，植硅体硅粉20％时(曲线3)，
Figure BDA0003441123590000065
峰对应积分面积为220，显著降低。这说明通过加入大量的亚微米级植硅体硅粉在水泥水化时与生成的Ca(OH)2反应生成硅酸钙，从而达到减弱。
二、研究不同植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量在添加和不添加硫磺粉的情况下对所得水泥pH值变化影响
(1)通过在不添加硫磺粉的情况下不同植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量(植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的比例固定为1.5：1，其他成分之间的比例以实施例4为例)对所得水泥pH值变化，具体见表2和、图4所示：
表2
Figure BDA0003441123590000066
(2)通过在植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量(植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的比例固定为1.5：1，其他成分之间的比例以实施例4为例)不变的情况下添加不同硫磺粉对所得水泥pH值变化，具体见表3和图5所示：
表3
Figure BDA0003441123590000071
在对比例1和对比例2的基础上，通过在添加以及不添加硫磺粉的情况下所得水泥pH值变化，具体见表2和图5所示所示：
从表2、表3、图4和图5可以看出，通过不断添加植硅体粉和石英玻璃短纤维的分量，水泥的酸碱度逐步接近中性。在到达一定值后很难在继续下降，需要继续添加适量的硫酸粉，则pH逐步接近7，而pH值越接近7则耐酸性越高，经过试验得出植硅体硅粉添加量为21％，短纤维添加量为14％，硫磺粉添加量为8％时，中性水泥的酸碱值最接近7，为最佳配比。这是因为本发明通过加入大量的亚微米级植硅体硅粉在水泥水化时与生成的Ca(OH)2反应生成硅酸钙，从而达到减弱，再有适量硫磺粉的参与，使得Ca(OH)2石膏化，进一步减少水泥胶砂Ca(OH)2存在量的目的，从而制备中性水泥。
三、检测实施例4、对比例1和对比例2所得水泥的pH值，如表4所示。
表4
Figure BDA0003441123590000072
从表4可知，在不添加植硅体硅粉或以石英砂替代植硅体硅粉的情况下，无法制备中性水泥。故此，本发明采用植硅体硅粉、石英玻璃结合硫磺粉可协同制备中性水泥。
四、研究不同植硅体硅粉和石英玻璃短纤维添加总量对所得中性水泥的抗压抗折强度的性能影响
以硅体硅粉和短纤维的比例固定为1.5：1，硫磺粉的添加量8％，其他成分之间的比例以实施例4为例，制得植硅体硅粉和石英玻璃短纤维添加总量分别为0、12.5％、15％、20％、25％、30％、35％的7组中性水泥，并对这些水泥的抗压、抗折强度进行测试，测试结果如表5和图6所示；
表5
Figure BDA0003441123590000081
由表5和图6可知，添加植硅体硅粉和石英玻璃短纤维可增加水泥的抗压抗折强度，但植硅体硅粉和石英玻璃短纤维添加量过大时，水泥的抗压抗折强度反而不如未添加植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的实验组，具体的，随着植硅体硅粉和石英玻璃短纤维添加总量增大，其抗压抗折强度减少，当添加总量大于35％时，其抗压、抗折强度不如未添加植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的实验组。因此，本发明在综合考虑耐酸性及抗压抗折强度的情况下，植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量为15～35％。
另一方面，本发明还提供了植硅体硅粉在水泥领域的应用，其应用方式为采用植硅体硅粉为原料制备上述所述的中性水泥。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，其特征在于，包括以下按重量份计的原料：水泥熟料40~60份，煤渣5～15份，石膏2～5份，植硅体硅粉10~20份，石英玻璃短纤维5~15份，硫磺粉8份，黄糊精2～4份；其中，植硅体硅粉与石英玻璃短纤维的比例为1.5，植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量为15~35%。
2.根据权利要求1所述的一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，其特征在于，所述植硅体硅粉和石英玻璃短纤维的添加总量为20~25%。
3.根据权利要求2所述的一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，其特征在于，所述水泥熟料为PO42.5水泥熟料。
4.根据权利要求2所述的一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，其特征在于，所述煤渣的容重大于1800kg/m3。
5.根据权利要求2所述的一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，其特征在于，所述石膏为硬石膏、二水石膏中的至少一种。
6.根据权利要求2所述的一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，其特征在于，所述植硅体硅粉采用植硅体矿是将植硅体硅矿进行处理后得到的，具体的处理方法为：
（1）加水旋回破碎：新开采来的植硅体矿加水与之混合，然后放入旋回破碎机进行破碎；
（2）一次网筛分离：采用振动筛将大于5mm砂砾筛分离；
（3）一次擦洗剥离：将分离5mm砂砾后的植硅体矿放入到擦洗机中初步擦洗剥离，初步擦洗时间为10-30min；
（4）二次网筛分离：振动筛将大于1mm的物质筛掉；
（5）一次超细球磨：将步骤（4）筛掉1mm的物料超细球磨30-300min；
（6）二次擦洗剥离：将步骤（5）中超细球磨后的物料筛分出大于0.1mm的杂质，去除杂质；
（7）一次沉降：将步骤（6）中筛分0.1mm的杂质的产物制浆后所得混合浆进入一级沉降池进行沉降1-4h，分离底部沉淀物；
（8）二次超细球磨：将（7）中分离底部沉降物后的浆料进行二次超细球磨，超细球磨30-300min，使得腐植质、黏土和SiO2颗粒分离；
（9）二次沉降：将步骤（8）中腐植质、黏土和SiO2颗粒进入二级沉降池，在二级沉降池内沉降1-4h后，将悬浮上部夹杂着腐植质、黏土物质排出，得SiO2粗品；
（10）干燥：进行120℃烘干；
（11）无/有氧煅烧：将步骤（10）烘干后的含炭二氧化硅在450-650℃中无/有氧煅烧0.5-5h，得植硅体硅粉，备用；其中所述植硅体硅粉中SiO2粒度在300nm-5μm。
7.根据权利要求2所述的一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，其特征在于，所述石英玻璃短纤维是指直径5微米以下的石英玻璃纤维。
8.根据权利要求2所述的一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥，其特征在于，所述硫磺粉是指含硫量在95%以上，目数小于200目粉体。
9.如权利要求1-8任一项所述的一种含有亚微米级植硅体硅粉的中性水泥的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：将按重量份称取的水泥熟料、煤渣、石膏、植硅体硅粉、石英玻璃短纤维、硫磺粉、黄糊精后，混合研磨，研磨至粉料粒径为80μm方孔筛的筛余量≤5%即可。
10.植硅体硅粉在水泥领域的应用，其特征在于，其应用方式为采用植硅体硅粉为原料制备权利要求1-8任一项所述的中性水泥。
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