CN114477806A

CN114477806A - 一种低碳胶凝材料及其制备方法

Info

Publication number: CN114477806A
Application number: CN202210116064.2A
Authority: CN
Inventors: 孙颖颖
Original assignee: Junbo Environmental Protection Technology Dalian Co ltd
Current assignee: Junbo Environmental Protection Technology Dalian Co ltd
Priority date: 2022-01-29
Filing date: 2022-01-29
Publication date: 2022-05-13

Abstract

本发明提供了一种低碳胶凝材料及其制备方法，涉及新材料技术领域。具体包括将钢渣、高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、石灰和激发剂按比例混匀，将混匀后的物料经过磁选和筛分，分离出RO相后，传送进辊压机，当物料表面产生裂纹时，进行蒸湿处理，处理完成后通入工业烟气固化，传送至超细磨机，控制物料细度大于500m²/kg时，即可得到低碳胶凝材料。本发明制备低碳胶凝材料所用的原料主要为工业固废和工业烟气，将工业生产所产生的废弃物资源优化，回收利用，既减少了废弃物堆积和污染物排放，又能制备出性能优良的胶凝材料，具有生产成本低廉，制备方法低碳环保的特点。

Description

一种低碳胶凝材料及其制备方法

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种低碳胶凝材料，本发明还提供了适合工业化生产的低碳胶凝材料制备方法。

背景技术

目前传统建材水泥碳排放因子约为0.766，碳排放量高；高炉矿渣等固废利用目前存在的技术大多以混合材形式掺加到水泥中，起到降低碳排放及综合利用的方式，但整体利用率不高，碳排放依然偏高。钢渣和高炉矿渣中主要的活性矿物有β-硅酸二钙(β-C₂S)和硅酸三钙(C₃S)，二者成分与传统水泥成分有较大的相似度，本专利以此为重点方向研发一种新型粉磨电耗低、安定性能好的低碳胶凝材料，同时又做到大宗固废资源化处理、环境效益显著。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低碳胶凝材料，将钢渣、高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、石灰和激发剂作为反应物料，按比例混匀，经RO相分离、蒸湿、工业烟气固化、微结构畸化和超细机械能活化制备而得，制备得到的低碳胶凝材料3天抗压强度达到23MPa，抗折强度达到4.2MPa，粉磨步骤电耗可低至 37kW·h/t。

本发明制备低碳胶凝材料所用的原料主要为工业固废和工业烟气，将工业生产所产生的废弃物资源优化，回收利用，既减少了废弃物堆积和污染物排放，又能制备出高力学性能的胶凝材料，具有生产成本低廉，制备方法低碳环保的优异效果。

为实现上述目的，本发明提供一种低碳胶凝材料，按重量份数计，所述反应物料包括以下组分：钢渣20-70份、高炉矿渣20-60份、粉煤灰5-40份、脱硫石膏3-30份、石灰5-50份、和激发剂3-20份。

在一优选的实施方式中，所述低碳胶凝材料，按重量份数计，所述反应物料包括以下组分：钢渣30-60份、高炉矿渣30-50份、粉煤灰15-30份、脱硫石膏5-15份、石灰20-30份和激发剂10-16份。

在一优选的实施方式中，所述高炉矿渣的活性指数不小于90；所述粉煤灰的活性指数不小于60；钢渣中RO相含量不高于10％，细度不低于300m²/kg；

所述工业烟气中，二氧化碳的体积百分比为10-80％；

制备出的低碳胶凝材料中，钢渣的质量百分比不低于20％，高炉矿渣的质量百分比不低于20％，石灰的质量百分比不低于5％，脱硫石膏的质量百分比不低于5％。

在一优选的实施方式中，所述激发剂包括硅酸盐水泥熟料、硅酸钠和氢氧化钠中的一种或两种以上。

本发明的另一目的在于提供一种低碳胶凝材料的制备方法，所用装置设备均为现有技术中常规设备，制备方法简单，工艺流程优化，反应过程能耗低，操作简单，尤其适宜大规模工业化生产。

为实现上述目的，本发明提供一种低碳胶凝材料的制备方法，具体包括以下步骤：

S1.将钢渣粉磨至细度为300m²/kg，然后与高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、石灰和激发剂按比例混匀；

S2.将混匀后的反应物料经过磁选和筛分，分离出RO相后，传送进辊压机，辊压至物料表面产生裂纹时，进行蒸湿处理；

S3.蒸湿完成后，通入工业烟气固化，再将固化后得到的材料传送至超细磨机粉磨，控制物料细度大于500m²/kg时，即可得到低碳胶凝材料。

将钢渣粉磨至300m²/kg和其他反应物料混匀后磁选和筛分的目的是：钢渣中富含铁相和氧化镁的RO相，因其硬度大而难于磨细，通过磁选和筛分后有效提升钢渣的易磨性和体积安定性，磁选所用装置为本领域技术人员已知装置即可，磁场强度不低于12000Gs。

分离出反应物料中RO相后，传送至辊压机辊压出裂纹，物料细度在 100m²/kg以上时，马上进入蒸湿装置，在高湿高温状态下，使水分子从裂纹处充分进入反应物料内部，改变内部分子结构状态，此时再通入工业烟气，烟气中的二氧化碳可以形成碳酸进入混合物料颗粒微裂纹，碳酸与物料中的钙离子结合，即可在微小裂纹处生成大量微纳尺度的碳酸钙微晶体，畸化了物料的微结构。固化二氧化碳后的混合物料游离氧化钙和氧化镁含量大幅降低，进一步提升了钢渣的易磨性和安定性。

在一优选的实施方式中，所述辊压机处理时，压强为8-10MPa，辊压至物料表面产生裂纹时，其细度为100m²/kg以上。

在一优选的实施方式中，所述蒸湿处理是指，控制体系温度达到80-100℃，湿度达到90％以上，反应0.5min-1h；

更优选的，蒸湿处理条件是，体系温度90℃，湿度95％，反应0.5h。

在一优选的实施方式中，所述工业烟气固化是指，在0.1-0.5MPa，20-80℃ 条件下，通入工业烟气，反应2-4h；

更优选的，固化操作是指，在0.3MPa，25℃条件下，通入工业烟气，反应2h。

在一优选的实施方式中，所述工业烟气的通入体积反应物料质量的1-20％；更优选的，工业烟气通入体积为反应物料质量的2％、3％、4％、5％、6％、7％、 8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％。

在一优选的实施方式中，在超细磨机粉磨后，还包括管道除铁步骤；

所述管道除尘步骤是：将物料传送通过钕铁硼永磁装置，装置表面磁场强度值不低于12000Gs。

进一步管道除铁可以大幅降低低碳胶凝材料的单质铁及磁铁矿含量，提升低碳胶凝材料性能，并且选出的铁还具有较高的价值。

本发明的技术方案中，通过控制反应物料组成、RO相分离、辊压出裂纹和蒸湿处理、调整固化的工业烟气与反应物料的质量比，才制备出了高性能低碳胶凝材料，经测算，本发明技术方案通过二氧化碳固化和微结构畸化制备得到的碳酸钙微晶按重量份数计为2-10份。若低于此比例，难以达到固化效果，若高于此比例，水化活性降低。

与现有技术相比，根据本发明的一种低碳胶凝材料及其制备方法，具有如下优点：

1、本发明中，通过利用钢渣、高炉矿渣、粉煤灰等大宗固废按一定的比例进行配伍，利用辊压机对辊挤压产生微裂纹及蒸湿技术实现游离氧化钙和氧化镁的部分消解，利用RO相分离技术和微结构畸化技术实现材料活性提升、消除安定性问题并改善易磨性，同时激发活化能，实现低碳排放的胶凝材料的制备。

2、本发明中，钢渣和高炉矿渣中主要的活性矿物有β-硅酸二钙(β-C₂S) 和硅酸三钙(C₃S)，二者成分与传统水泥成分有较大的相似度，可以替换水泥，减少碳排放量。另外，现有技术中，制备水泥步骤为“两磨一烧”，均需要消耗大量能源，统计来看，制备一吨水泥需排放约0.8吨CO₂，但本发明中，由于RO相分离、工业烟气固化、蒸湿和微结构畸化的作用，仅需一次粉磨即可，大量减少能源消耗，制备过程生产一吨胶凝材料碳排放可低于0.2吨CO₂/吨。而且，生产过程还能吸收固化工业烟气中的CO₂，进一步减少碳排放量。

3、本发明的低碳胶凝材料原料来源广泛、成本低廉、已采购，且制备出的胶凝材料具有良好的力学性能3天抗压强度达到23MPa，抗折强度达到 4.2MPa，放置180天后抗压强度进一步提升，达到45MPa以上。

4、本发明工艺步骤中，还包括除铁工艺，即分离RO相和管道除铁步骤，上述操作可以最大程度实现RO相的回收并大幅提高物料易磨性，降低加工电耗成本而进一步达到降低碳排放的目的。

附图说明

从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，本发明的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：

图1为本发明实施例1制得的低碳胶凝材料的SEM照片。

具体实施方式

若未特别指明，实施例中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

在本发明中，所用硅酸盐水泥熟料生产厂商为大连水泥集团有限公司。

在本发明中，重量份可以是μg、mg、g、kg等本领域公知的重量单位，也可以是其倍数，如1/10、1/100、10倍、100倍等。

在本发明中，kW·h/t指粉磨一吨反应物料所消耗千瓦时的电量。所述碳排放量指生产过程中所有工艺消耗能源的总和所产生的平均温室气体排放量。

本发明提供一种低碳胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

将钢渣粉磨至细度为300m²/kg，然后与高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、石灰和激发剂按比例混匀；将混匀后的反应物料经过磁选和筛分，分离出RO相后，传送进辊压机，辊压至物料表面产生裂纹时，蒸湿处理并通入工业烟气固化，得到含碳酸钙微晶材料；将固化后得到的材料传送至超细磨机粉磨，控制物料细度大于500m²/kg后，进行管道除铁步骤：将物料传送通过钕铁硼永磁装置，装置表面磁场强度值不低于12000Gs，即可得到低碳胶凝材料。

所述辊压机处理时，压强为8-10MPa，辊压至物料表面产生裂纹时，其细度为100m²/kg以上。

所述蒸湿处理是指，控制体系温度达到80℃-100℃，湿度达到90％以上，反应0.5min-1h，根据反应物料的组成和含水率控制反应时间，更优选的反应时间为0.5-1h。

所述工业烟气固化是指，在0.1-0.5MPa，20-80℃条件下，通入工业烟气，反应2-4h。

所述工业烟气的通入体积为反应物料质量的1-20％，具体指，将反应所用的钢渣、高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、石灰和激发剂的总质量记为100份，则通入工业烟气的体积为5-20份，而在所述工业烟气中，二氧化碳的体积百分比为10-80％；因此，本发明中二氧化碳的体积占反应物料总质量的0.5-16％。

本发明主要利用转炉渣、高炉渣、粉煤灰等大宗固废和石灰、激发剂合理配伍、利用工业尾气中二氧化碳和各种固废中普遍10-15％的含水率，通过辊压机联合粉磨挤压产生微裂纹蒸湿水化及矿化固废中的游离氧化钙及氧化镁等影响安定性的因素进行第一步处理，经过蒸湿、微结构畸化初步处理的微粉进入超细磨中进行进一步机械能活化，最终形成安定性合格的低碳胶凝材料。两套机械能活化工艺过程中引入在线除铁步骤，进行多道除铁工艺，可以实现 RO相的回收并大幅提高物料易磨性，降低加工电耗成本以达到降低碳排放的目的。其中，制备每吨胶凝材料所用的碳排放量低于0.2吨，制备得到的低碳胶凝材料3天抗压强度达到23MPa，抗折强度达到4.2MPa。

下面通过实施例1-4具体说明：

本发明实施例中，所使用大宗固废的成分为：

实施例1

反应物料的配比：钢渣40份、高炉矿渣30份、粉煤灰15份、脱硫石膏 5份、石灰7份和激发剂：硅酸盐水泥熟料3份。

制备方法：

S2.将混匀后的反应物料经过磁场强度值为12000Gs的磁选和筛分，分离出RO相后，传送进辊压机，以压强为8MPa，辊压至物料表面产生裂纹时，其细度为100m²/kg以上，进行蒸湿处理，控制体系温度90℃，湿度95％，反应1h；

S3.蒸湿完成后，通入工业烟气固化，固化的反应条件是，是在0.3MPa， 25℃条件下，通入工业烟气反应2h，将固化后得到的材料传送至超细磨机粉磨，控制物料细度大于500m²/kg时，传送通过钕铁硼永磁装置，装置表面磁场强度值不低于12000Gs，进一步除铁；除铁后即可得到低碳胶凝材料。

将通入的工业烟气中的二氧化碳的体积占上述反应物料质量的百分比记为固碳量，以固碳量为变量，根据GB/T17167-1999《水泥胶砂强度检验方法》测试制备胶凝材料的力学性能，根据GB/T 750-1992《水泥压蒸安定性试验方法》测试压蒸体积安定性，结果如表1所示。

当固碳量为5％时，生成的低碳胶凝材料微观结构如图1所示。

表1不同固碳量制备胶凝材料的力学性能、安定性和能耗对比

分析与讨论：

由图1可以看出：在制备得到的低碳胶凝材料颗粒表面及微裂纹处生成了大量的碳酸钙微晶体，畸化了微结构，改善了其体积安定性和易磨性。

由表1可以看出，当固碳量为0％时，材料28d抗压强度仅为18.7MPa，抗折强度仅为4.3MPa，压蒸体积安定性不合格，制备能耗最高，说明若不添加二氧化碳固化、微结构畸化，材料微观结构无法产生变化，从而无法提升材料活化性能导致力学性能不佳，易磨性差，而固碳量15％时，由于生成了过多的碳酸钙，消耗了过多的硅酸二钙和硅酸三钙等矿物，降低了低碳胶凝材料的水化活性，强度下降，但压蒸体积安定性和粉磨电耗指标相对于固碳量0％也有所改善，另外，固碳量15％可以更多的消耗二氧化碳，减少碳排放。

实施例2

反应物料的配比：钢渣40份、高炉矿渣30份、粉煤灰15份、脱硫石膏 5份、石灰7份和激发剂：硅酸钠3份。

工业烟气通入体积为反应物料质量的20％，工业烟气中含有的二氧化碳体积百分比为35％。

其余反应条件与实施例1相同。

采用与实施例1相同的检测方法，制备得到的低碳胶凝材料，压蒸体积安定性：合格。粉磨电耗38kW·h/t。3天抗压强度21.0MPa，28天抗压强度 41.6MPa，3天抗折强度4.1MPa，28天抗折强度6.7MPa。

实施例3

反应物料的配比：钢渣40份、高炉矿渣30份、粉煤灰15份、脱硫石膏 5份、石灰7份和激发剂：氢氧化钠3份。

其余反应条件与实施例1相同。

采用与实施例1相同的检测方法，制备得到的低碳胶凝材料，压蒸体积安定性：合格。粉磨电耗37kW·h/t。3天抗压强度19.5MPa，28天抗压强度 42.3MPa，3天抗折强度3.8MPa，28天抗折强度6.9MPa。

实施例4

低碳胶凝材料：钢渣35份、高炉矿渣25份、粉煤灰15份、脱硫石膏10 份、石灰10份、硅酸盐水泥熟料2份、硅酸钠3份。

工业烟气通入体积为反应物料质量的15％，工业烟气中含有的二氧化碳体积百分比为30％。

S2.将混匀后的反应物料经过磁场强度值为12000Gs的磁选和筛分，分离出RO相后，传送进辊压机，以压强为9MPa，辊压至物料表面产生裂纹时，其细度为100m²/kg以上，进行蒸湿处理，控制体系温度100℃，湿度98％，反应0.5h；

S3.蒸湿完成后，通入工业烟气固化，固化的反应条件是，是在0.5MPa， 28℃条件下，通入工业烟气反应3h，将固化后得到的材料传送至超细磨机粉磨，控制物料细度大于500m²/kg时，传送通过钕铁硼永磁装置，装置表面磁场强度值不低于12000Gs，进一步除铁；除铁后即可得到低碳胶凝材料。

采用与实施例1相同的检测方法，制备得到的低碳胶凝材料，压蒸体积安定性：合格。粉磨电耗40kW·h/t。3天抗压强度22.3MPa，28天抗压强度 41.9MPa，3天抗折强度4.1MPa，28天抗折强度7.0MPa。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims

1.一种低碳胶凝材料，其特征在于，将钢渣、高炉矿渣、粉煤灰、脱硫石膏、石灰和激发剂作为反应物料，按比例混匀，经RO相分离、蒸湿、工业烟气固化、微结构畸化和超细机械能活化制备而得，制备得到的低碳胶凝材料3天抗压强度达到23MPa，抗折强度达到4.2MPa，粉磨步骤电耗可低至37kW·h/t。

2.如权利要求1所述的低碳胶凝材料，其特征在于，按重量份数计，所述反应物料包括以下组分：钢渣20-70份、高炉矿渣20-60份、粉煤灰5-40份、脱硫石膏3-30份、石灰5-50份和激发剂3-20份。

3.如权利要求1所述的低碳胶凝材料，其特征在于，所述高炉矿渣的活性指数不小于90；所述粉煤灰的活性指数不小于60；钢渣中RO相含量不高于10％，细度不低于300m²/kg；

所述工业烟气中，二氧化碳的体积百分比为10-80％；

4.如权利要求1所述的低碳胶凝材料，其特征在于，所述激发剂包括硅酸盐水泥熟料、硅酸钠和氢氧化钠中的一种或两种以上。

5.如权利要求1-4中任意一项所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S3.蒸湿完成后，通入工业烟气固化，再将固化后得到的材料传送至超细磨机磨粉，控制物料细度大于500m²/kg时，即可得到低碳胶凝材料。

6.如权利要求5所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于，在超细磨机粉磨后，还包括管道除铁步骤；

所述管道除铁步骤是：将物料传送通过钕铁硼永磁装置，装置表面磁场强度值不低于12000Gs。

7.如权利要求5所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述辊压机处理时，压强为8-10MPa，辊压至物料表面产生裂纹时，其细度为100m²/kg以上。

8.如权利要求5所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述蒸湿处理是指，控制体系温度达到80-100℃，湿度达到90％以上，反应0.5min-1h。

9.如权利要求5所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述工业烟气固化是指，在0.1-0.5MPa，20-80℃条件下，通入工业烟气，反应2-4h。

10.如权利要求9所述的低碳胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述工业烟气的通入体积为反应物料质量的1-20％。