CN114956617A - 低碳排放水泥及其制备方法、混凝土 - Google Patents

低碳排放水泥及其制备方法、混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低碳排放水泥及其制备方法、混凝土，涉及建筑材料的技术领域，包括水泥熟料500～600份、工业固体废弃物200～300份、石灰石100～150份、石膏35～50份以及减水剂1～4份，其中，工业固体废弃物包括按质量百分数计的以下成分：SiO225～55％和Al2O320～35％，余量为杂质。本发明解决了传统水泥的污染耗能大、生产成本高以及不利于可持续发展的技术问题，达到了水泥的低碳环保、低成本，而且具有较好力学性能和较佳耐久性的技术效果。

Description

低碳排放水泥及其制备方法、混凝土
技术领域
本发明涉及建筑材料的技术领域，尤其是涉及一种低碳排放水泥及其制备方法、混凝土。
背景技术
在全球循环经济所倡导的碳达峰、碳中和的背景下，推动节能减排和促进资源的综合利用是社会发展的趋势，而水泥行业作为制造业中主要的碳排放源，通常有以下缺点：污染耗能大、生产成本高以及不适合用于可持续发展的建筑材料，因此为其寻求合理有效的“降碳、减碳”措施已迫在眉睫。同时，促进水泥行业的低碳发展对实现碳中和，改善生态环境具有的重要意义。
现阶段的水泥行业中减少二氧化碳排放的主要措施是使用辅助胶凝材料来替代水泥中的部分熟料来生产低碳水泥，传统的辅助胶凝材料主要是粘土，其供应有限，因此亟需新型的辅助胶凝材料以满足低碳水泥的需求。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种低碳排放水泥，不仅低碳环保、低成本，而且还具有较好的力学性能和较佳的耐久性。
本发明的目的之二在于提供一种低碳排放水泥的制备方法，工艺简单且高效。
本发明的目的之三在于提供一种混凝土，低碳环保，具有较好的力学性能和较佳的耐久性。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
第一方面，一种低碳排放水泥，包括按重量份数计的以下组分：
水泥熟料500～600份、工业固体废弃物200～300份、石灰石100～150份、石膏35～50份以及减水剂1～4份；
所述工业固体废弃物包括按质量百分数计的以下成分：
SiO2 25～55％和Al2O3 20～35％，余量为杂质。
进一步的，所述水泥熟料的成分包括CaO、SiO2、Al2O3以及Fe2O3。
进一步的，所述工业固体废弃物的目数为过200目孔筛。
进一步的，所述工业固体废弃物包括热活化处理的工业固体废弃物。
进一步的，所述热活化处理的工业固体废弃物的制备方法包括以下步骤：
工业固体废弃物经煅烧后得到所述热活化处理的工业固体废弃物；
其中，所述煅烧的温度为400～1000℃。
进一步的，所述煅烧的方式包括分阶段煅烧。
进一步的，所述分阶段煅烧包括以下步骤：
工业固体废弃物先在第一温度下进行第一次煅烧，再升温至第二温度下进行第二次煅烧，之后升温至第三温度下进行第三次煅烧，再升温至第四温度下进行第四次煅烧，之后升温至第五温度下进行第五次煅烧，再升温至第六温度下进行第六次煅烧，之后升温至第七温度下进行第七次煅烧，得到所述热活化处理的工业固体废弃物。
进一步的，所述第一温度为300～400℃，优选为400℃；
优选地，所述第二温度为400～500℃，优选为500℃；
优选地，所述第三温度为500～600℃，优选为600℃；
优选地，所述第四温度为600～700℃，优选为700℃；
优选地，所述第五温度为700～800℃，优选为800℃；
优选地，所述第六温度为800～900℃，优选为900℃；
优选地，所述第七温度为900～1000℃，优选为1000℃；
优选地，所述升温的速率为4～16℃/min，优选为10℃/min；
优选地，所述第一次煅烧、第二次煅烧、第三次煅烧、第四次煅烧、第五次煅烧、第六次煅烧以及第七次煅烧的时间均独立地为0.5～4小时，优选为1小时。
第二方面，一种上述任一项所述的低碳排放水泥的制备方法，包括以下步骤：
将各组分按比例混合，得到所述低碳排放水泥。
第三方面，一种混凝土，主要由上述任一项所述的低碳排放水泥制备而成。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的低碳排放水泥，包括按重量份数计的以下组分：水泥熟料500～600份、工业固体废弃物200～300份、石灰石100～150份、石膏35～50份以及减水剂1～4份；其中，工业固体废弃物包括按质量百分数计的以下成分：SiO2 25～55％和Al2O3 20～35％，余量为杂质。本发明利用特定组分组成的工业固体废弃物替代了部分水泥熟料，不仅实现了水泥的低碳排放，同时也消耗了大量的工业废渣，降低了碳排放和能源消耗，减少了环境污染和提高工业废渣的利用率，而且本发明的低碳排放水泥通过各组分及其重量配比的协同作用达到了具有较好力学性能和较佳耐久性的技术效果，适合用于可持续发展的建筑材料，解决了传统水泥的污染耗能大、生产成本高以及不利于可持续发展的问题。
本发明提供的低碳排放水泥的制备方法，工艺简单且高效。
本发明提供的混凝土，具有与上述低碳排放水泥相同的优势，在此不再赘述。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的第一个方面，提供了一种低碳排放水泥，包括按重量份数计的以下组分：
水泥熟料500～600份、工业固体废弃物200～300份、石灰石100～150份、石膏35～50份以及减水剂1～4份；
其中，工业固体废弃物包括按质量百分数计的以下成分：
SiO2 25～55％和Al2O3 20～35％，余量为杂质。
其中，SiO2典型但非限制性的质量百分数例如为25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％；Al2O3典型但非限制性的质量百分数例如为20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％、30％、31％、32％、33％、34％、35％。
本发明利用特定组分组成的工业固体废弃物替代了部分水泥熟料，不仅实现了水泥的低碳排放，同时也消耗了大量的工业废渣，降低了碳排放和能源消耗，减少了环境污染和提高工业废渣的利用率，而且本发明的低碳排放水泥通过各组分及其重量配比的协同作用达到了具有较好力学性能和较佳耐久性的技术效果，适合用于可持续发展的建筑材料，解决了传统水泥的污染耗能大、生产成本高以及不利于可持续发展的问题。
在本发明中，水泥熟料典型但非限制性的重量份数例如为500份、510份、520份、530份、540份、550份、560份、570份、580份、590份、600份；工业固体废弃物典型但非限制性的重量份数例如为200份、210份、220份、230份、240份、250份、260份、270份、280份、290份、300份；石灰石典型但非限制性的重量份数例如为100份、110份、120份、130份、140份、150份、160份、170份、180份、190份、200份；石膏典型但非限制性的重量份数例如为35份、36份、37份、38份、39份、40份、41份、42份、43份、44份、45份、46份、47份、48份、49份、50份；减水剂典型但非限制性的重量份数例如为1份、2份、3份、4份。
本发明的低碳排放水泥所选择的组分重量配比，有利于提高各组分之间的协同效果，能够保证水泥产品的力学性能和耐久性能，使其满足建筑材料的性能要求，而各组分的重量配比不在此范围内，将难以保证水泥产品的力学性能和耐久性能。
在本发明中，水泥熟料的成分包括但不限于CaO、SiO2、Al2O3以及Fe2O3，更有利于与工业固体废弃物和其他组分产生协同作用，进一步提高低碳排放水泥的力学性能和耐久性能。
在一种优选的实施方式中，本发明中的工业固体废弃物的目数为过200目孔筛，更有利于提升水泥产品的力学性能和耐久性能。
在本发明中，工业固体废弃物包括但不限于热活化处理的工业固体废弃物，具有较高的活性，因此更能够与水泥中的其他组分协同配合，提高水泥产品的综合性能，满足建筑材料的性能需求。
在一种优选的实施方式中，热活化处理的工业固体废弃物的制备方法包括以下步骤：
工业固体废弃物经煅烧后得到热活化处理的工业固体废弃物；
其中，所述煅烧的温度为400～1000℃，其典型但非限制性的温度例如为400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃，煅烧温度在此范围内更有利于提高工业固体废弃物的热活化效果，使其具有更高的活性，而煅烧的温度低于400℃或高于1000℃，均不利于提高热活化效果，难以使工业固体废弃物达到理想的活性。
在一种优选的实施方式中，本发明的煅烧的方式包括但不限于分阶段煅烧，利用分阶段煅烧的方法来活化工业固体废弃物，更有利于提高活性。
在一种优选的实施方式中，本发明的分阶段煅烧包括以下步骤：
工业固体废弃物先在第一温度下进行第一次煅烧，再升温至第二温度下进行第二次煅烧，之后升温至第三温度下进行第三次煅烧，再升温至第四温度下进行第四次煅烧，之后升温至第五温度下进行第五次煅烧，再升温至第六温度下进行第六次煅烧，之后升温至第七温度下进行第七次煅烧，得到热活化处理的工业固体废弃物。
本发明的工业固体废弃物在不同的温度下进行分阶段煅烧，能够更好地实现其热活化效果，提高活性。
在本发明中，第一温度可以为300～400℃，其典型但非限制性的温度例如为300℃、320℃、340℃、360℃、380℃、400℃，可以优选为400℃；第二温度可以为400～500℃，其典型但非限制性的温度例如为400℃、420℃、440℃、460℃、480℃、500℃，可以优选为500℃；第三温度可以为500～600℃，其典型但非限制性的温度例如为500℃、520℃、540℃、560℃、580℃、600℃，可以优选为600℃；第四温度可以为600～700℃，其典型但非限制性的温度例如为600℃、620℃、640℃、660℃、680℃、700℃，可以优选为700℃；第五温度可以为700～800℃，其典型但非限制性的温度例如为700℃、720℃、740℃、760℃、780℃、800℃，可以优选为800℃；第六温度可以为800～900℃，其典型但非限制性的温度例如为800℃、820℃、840℃、860℃、880℃、900℃，可以优选为900℃；第七温度可以为900～1000℃，其典型但非限制性的温度例如为900℃、920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃，可以优选为1000℃。
本发明中分阶段煅烧所选择的第一温度、第二温度、第三温度、第四温度、第五温度、第六温度以及第七温度，能够更好地活化工业固体废弃物，使其具有出色的活性，进而能够与水泥中的其他组分充分地协同配合，提高水泥产品的综合性能，满足建筑材料的性能需求，而第一温度、第二温度、第三温度、第四温度、第五温度、第六温度以及第七温度过高或过低，均会影响工业固体废弃物的热活化效果，不利于提高其活性。
在本发明中，升温的速率可以为4～16℃/min，其典型但非限制性的升温速率例如为4℃/min、6℃/min、8℃/min、10℃/min、12℃/min、14℃/min、16℃/min，可以优选为10℃/min，更有利于工业固体废弃物的热活化处理，提高活化效果。
在本发明中，第一次煅烧、第二次煅烧、第三次煅烧、第四次煅烧、第五次煅烧、第六次煅烧以及第七次煅烧的时间均独立地可以为0.5～4小时，其典型但非限制性的时间例如为0.5小时、1小时、1.5小时、2小时、2.5小时、3小时、3.5小时、4小时，可以优选为1小时，更有利于工业固体废弃物的热活化处理，提高活化效果。
一种热活化处理的工业固体废弃物的典型的制备方法，包括以下步骤：
工业固体废弃物经球磨机球磨后过200目孔筛，得到粉末状的工业固体废弃物；其中，工业固体废弃物包括按质量百分数计的以下成分：SiO225～55％和Al2O3 20～35％，余量为杂质；
将粉末状的工业固体废弃物在第一温度400℃下煅烧1小时，之后以10℃/min加热到第二温度500℃下并煅烧1小时，再以10℃/min加热到第三温度600℃下并煅烧1小时，之后以10℃/min加热到第四温度700℃下并煅烧1小时，再以10℃/min加热到第五温度800℃下煅烧1小时，之后以10℃/min加热到第六温度900℃下并煅烧1小时，再以10℃/min加热到第七温度1000℃下并煅烧1小时，然后冷却至环境温度，得到热活化处理的工业固体废弃物，提高了活性。
本发明的热活化处理方法能够有效提高工业固体废弃物的活性，进而提高其与各组分的协同作用效果，保证了水泥产品的力学性能和耐久性能，有利于提高水泥产品的综合性能。
综上所述，本发明提供的低碳排放水泥，利用特定组分组成(SiO225～55％和Al2O320～35％)的工业固体废弃物替代了部分水泥熟料，不仅实现了水泥的低碳排放，同时也消耗了大量的工业废渣，降低了碳排放和能源消耗，减少了环境污染和提高工业废渣的利用率；同时，工业固体废弃物经过特定的热活化处理后具有出色的活性，能够与其他组分更好地协同配合以提高低碳排放水泥的综合性能；本发明的低碳排放水泥通过各组分及其重量配比的协同作用达到了具有较好力学性能和较佳耐久性的技术效果，能够满足建筑材料的性能要求，适合用于可持续发展的建筑材料，解决了传统水泥的污染耗能大、生产成本高以及不利于可持续发展的问题。
根据本发明的第二个方面，提供了一种上述任一项所述的低碳排放水泥的制备方法，包括以下步骤：
将各组分按比例混合，得到低碳排放水泥。
本发明提供的低碳排放水泥的制备方法，工艺简单且高效。
根据本发明的第三个方面，提供了一种混凝土，主要由上述任一项所述的低碳排放水泥制备而成。
本发明提供的混凝土，不仅低碳环保，而且具有较好的力学性能和较佳的耐久性，能够满足建筑材料的性能要求，适合用于可持续发展的建筑材料。
下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
实施例1-4
实施例1-4提供一种低碳排放水泥，其组分及其重量份数见表1；
其中，水泥熟料为硅酸盐水泥熟料，减水剂为聚羧酸高效减水剂；
工业固体废弃物为热活化处理的工业固体废弃物，制备方法包括以下步骤：
(a)工业固体废弃物经球磨机研磨，其中，研磨的转速为200r/min，球质比为5:1，球磨1h，之后过200目孔筛，得到粉末状的工业固体废弃物；其中，工业固体废弃物包括按质量百分数计的以下成分：SiO2 40％和Al2O330％，余量为杂质；
(b)将粉末状的工业固体废弃物置于刚玉坩埚中，然后置于高温炉中进行分阶段煅烧，具体的，先在第一温度400℃下煅烧1小时，之后以10℃/min的速度加热到第二温度500℃下并煅烧1小时，再以10℃/min的速度加热到第三温度600℃下并煅烧1小时，之后以10℃/min的速度加热到第四温度700℃下并煅烧1小时，再以10℃/min的速度加热到第五温度800℃下煅烧1小时，之后以10℃/min的速度加热到第六温度900℃下并煅烧1小时，再以10℃/min的速度加热到第七温度1000℃下并煅烧1小时，然后立即将其从高温炉中移除，并扩散在金属板上以冷却至环境温度，得到热活化的工业固体废弃物，即为热活化处理的工业固体废弃物。
表1
Figure BDA0003717144240000091
实施例5
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的工业固体废弃物包括按质量百分数计的以下成分：SiO2 25％和Al2O3 20％，余量为杂质；其余均与实施例4相同。
实施例6
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的工业固体废弃物包括按质量百分数计的以下成分：SiO2 55％和Al2O3 35％，余量为杂质；其余均与实施例4相同。
实施例7
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的工业固体废弃物未经过热活化处理，其余均与实施例4相同。
实施例8
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的热活化处理的工业固体废弃物的制备方法的步骤(b)包括：
将粉末状的工业固体废弃物置于刚玉坩埚中，然后置于高温炉中进行分阶段煅烧，具体的，先在第一温度300℃下煅烧1小时，之后以10℃/min的速度加热到第二温度400℃下并煅烧1小时，再以10℃/min的速度加热到第三温度500℃下并煅烧1小时，之后以10℃/min的速度加热到第四温度600℃下并煅烧1小时，再以10℃/min的速度加热到第五温度700℃下煅烧1小时，之后以10℃/min的速度加热到第六温度800℃下并煅烧1小时，再以10℃/min的速度加热到第七温度900℃下并煅烧1小时，然后立即将其从高温炉中移除，并扩散在金属板上以冷却至环境温度，得到热活化处理的工业固体废弃物。
其余均与实施例4相同。
实施例9
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的热活化处理的工业固体废弃物的制备方法的步骤(b)包括：
将粉末状的工业固体废弃物置于刚玉坩埚中，然后置于高温炉中进行分阶段煅烧，具体的，先在600℃下煅烧1小时，之后以10℃/min的速度加热到800℃下并煅烧1小时，再以10℃/min的速度加热到1000℃下并煅烧1小时，然后立即将其从高温炉中移除，并扩散在金属板上以冷却至环境温度，得到热活化处理的工业固体废弃物。
其余均与实施例4相同。
实施例10
本实施例与实施例4的区别在于，本实施例的热活化处理的工业固体废弃物的制备方法的步骤(b)包括：
将粉末状的工业固体废弃物置于刚玉坩埚中，然后置于高温炉中进行分阶段煅烧，具体的，先在800℃下煅烧2小时，之后以10℃/min的速度加热到1000℃下并煅烧2小时，然后立即将其从高温炉中移除，并扩散在金属板上以冷却至环境温度，得到热活化处理的工业固体废弃物。
其余均与实施例4相同。
实施例11
本实施例为实施例1-10的低碳排放水泥的制备方法，包括以下步骤：
将各组分按比例混合，并研磨至细度为0.075mm，得到低碳排放水泥。
对比例1
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例提供的水泥中不含有工业固体废弃物，其余均与实施例4相同。
对比例2
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例提供的水泥中的工业固体废弃物的重量份数为100份，其余均与实施例4相同。
对比例3
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例提供的水泥中的工业固体废弃物的重量份数为400份，其余均与实施例4相同。
对比例4
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中，工业固体废弃物的包括按质量百分数计的以下成分：
SiO2 20％和Al2O3 15％，余量为杂质，
其余均与实施例4相同。
对比例5
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中，工业固体废弃物的包括按质量百分数计的以下成分：
SiO2 60％和Al2O3 15％，余量为杂质，
其余均与实施例4相同。
对比例6
本对比例与实施例4的区别在于，本对比例中，工业固体废弃物的包括按质量百分数计的以下成分：
SiO2 20％和Al2O3 40％，余量为杂质，
其余均与实施例4相同。
试验例
对实施例1-10和对比例1-6提供的水泥进行性能测试，结果见表2。
测试方法为力学性能和耐久性能测试。
表2
Figure BDA0003717144240000121
Figure BDA0003717144240000131
由表2的性能数据可知，本发明提供的低碳排放水泥，利用特定组分组成(SiO2 25～55％和Al2O3 20～35％)的工业固体废弃物替代了部分水泥熟料，不仅消耗了大量的工业废渣，降低了碳排放和能源消耗，而且通过各组分及其重量配比的协同作用达到了具有较好力学性能和较佳耐久性的技术效果，能够满足建筑材料的性能要求；同时，工业固体废弃物经过特定的热活化处理后具有出色的活性，能够与其他组分更好地协同配合，进一步提高了低碳排放水泥的力学性能和耐久性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种低碳排放水泥，其特征在于，包括按重量份数计的以下组分：
水泥熟料500～600份、工业固体废弃物200～300份、石灰石100～150份、石膏35～50份以及减水剂1～4份；
所述工业固体废弃物包括按质量百分数计的以下成分：
SiO2 25～55％和Al2O3 20～35％，余量为杂质。
2.根据权利要求1所述的低碳排放水泥，其特征在于，所述水泥熟料的成分包括CaO、SiO2、Al2O3以及Fe2O3。
3.根据权利要求1所述的低碳排放水泥，其特征在于，所述工业固体废弃物的目数为过200目孔筛。
4.根据权利要求1-3任一项所述的低碳排放水泥，其特征在于，所述工业固体废弃物包括热活化处理的工业固体废弃物。
5.根据权利要求4所述的低碳排放水泥，其特征在于，所述热活化处理的工业固体废弃物的制备方法包括以下步骤：
工业固体废弃物经煅烧后得到所述热活化处理的工业固体废弃物；
其中，所述煅烧的温度为400～1000℃。
6.根据权利要求5所述的低碳排放水泥，其特征在于，所述煅烧的方式包括分阶段煅烧。
7.根据权利要求6所述的低碳排放水泥，其特征在于，所述分阶段煅烧包括以下步骤：
工业固体废弃物先在第一温度下进行第一次煅烧，再升温至第二温度下进行第二次煅烧，之后升温至第三温度下进行第三次煅烧，再升温至第四温度下进行第四次煅烧，之后升温至第五温度下进行第五次煅烧，再升温至第六温度下进行第六次煅烧，之后升温至第七温度下进行第七次煅烧，得到所述热活化处理的工业固体废弃物。
8.根据权利要求7所述的低碳排放水泥，其特征在于，所述第一温度为300～400℃，优选为400℃；
优选地，所述第二温度为400～500℃，优选为500℃；
优选地，所述第三温度为500～600℃，优选为600℃；
优选地，所述第四温度为600～700℃，优选为700℃；
优选地，所述第五温度为700～800℃，优选为800℃；
优选地，所述第六温度为800～900℃，优选为900℃；
优选地，所述第七温度为900～1000℃，优选为1000℃；
优选地，所述升温的速率为4～16℃/min，优选为10℃/min；
优选地，所述第一次煅烧、第二次煅烧、第三次煅烧、第四次煅烧、第五次煅烧、第六次煅烧以及第七次煅烧的时间均独立地为0.5～4小时，优选为1小时。
9.一种权利要求1-8任一项所述的低碳排放水泥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将各组分按比例混合，得到所述低碳排放水泥。
10.一种混凝土，其特征在于，主要由权利要求1-8任一项所述的低碳排放水泥制备而成。
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