CN116947340A - 一种硅酸盐水泥熟料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅酸盐水泥熟料及其制备方法，属于建筑材料技术领域，硅酸盐水泥熟料，按重量百分比计，包括以下组分：石灰石86‑91%；红砂0‑4.5%；黏土7‑14%；铁矿石0.02‑0.10%；煤灰2.0‑2.5%；所述铁矿石中P2O5含量大于5.0%、CeO2大于5.0%、F大于5.0%，同时公开了硅酸盐水泥熟料的制备方法，得到的水泥熟料矿物组成优异，硅酸三钙含量超过60%，其中M1型硅酸三钙含量＞40%；熟料游离钙含量小于1.5%；熟料强度发挥优异，7d强度可超过50MPa。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种硅酸盐水泥熟料及其制备方法。
背景技术
目前，我国仍是水泥使用大国，据统计，全国现有水泥熟料生产企业1200多家，水泥熟料生产线近1700条，生产能力约18.4亿吨。由此可见，水泥熟料的生产与应用的前景巨大，但仅仅保证熟料现有性能与质量已不能满足当下快速发展的市场及日益加强的市场要求，因此，还需进一步提升熟料质量。
据计算，2021年全国水泥行业碳排放总量约为13.45亿吨，占全国碳排放总量的13%左右，是次于电力行业（40%）和钢铁行业（14%）的第三大碳排放行业。由于水泥行业自身的工艺特点，化石燃料燃烧及电力消耗产生的碳排放分别只占全厂碳排放的35%和5%左右，而生产过程中碳酸盐分解产生的碳排放占全厂碳排放的60%左右。为改善生态环境，并贯彻落实双碳政策与决策，以及建材行业发展目标-“宜业尚品、造福人类”，科学做好水泥行业节能降碳改造升级，推动水泥行业节能降碳和绿色转型，进一步发展高性能水泥熟料势在必行。
因此，仍需在现有技术基础上进一步改善熟料性能，提高混合材掺量，进一步降低原材料中碳酸盐分解产生的碳排放，以达到对水泥熟料产品的要求，同时满足社会发展需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅酸盐水泥熟料，采用常用的钙质材料-石灰石、硅质材料-红砂、铝铁质材料-黏土，以及掺入特定的助剂-铁矿石，铁矿石中P2O5含量大于5.0%、CeO2大于5.0%、F-大于5.0%，制得硅酸盐水泥熟料。该硅酸盐水泥熟料在煅烧时，煅烧温度可降低至1380℃，大幅降低了熟料能耗；生料易烧性良好；熟料矿物组成优异，硅酸三钙含量超过60%，其中M1型硅酸三钙含量＞40%；熟料游离钙含量小于1.5%；熟料强度发挥优异，7d强度可超过50MPa。
本发明通过下述技术方案实现：
一种硅酸盐水泥熟料，按重量百分比计，包括以下组分：
石灰石 86-91%；
红砂 0-4.5%；
黏土 7-14%；
铁矿石 0.02-0.10%；
煤灰 2.0-2.5%；
所述铁矿石中P2O5含量大于5.0%、CeO2大于5.0%、F-大于5.0%。
进一步的，所述石灰石为钙质材料，CaO含量大于50%，细度控制0.08mm小于20%。
进一步的，所述红砂为硅质材料，SiO2含量大于80%，细度控制0.08mm小于20%
进一步的，所述黏土为铝铁质材料，Al2O3含量大于20%、Fe2O3含量大于20%，细度控制0.08mm小于20%。
本发明中同时提出一种硅酸盐水泥熟料的制备方法，在煅烧带煅烧温度降至1380℃即可获得预期的熟料，而现有技术中采用石灰石、红砂、黏土制备熟料时，煅烧段温度需要达到1450-1600℃，较于现有技术，本发明中基于该原料配方，以及制备方法明显降低燃料的消耗，减少废气的排放，同时也降低了生产成本。
制备方法具体包括以下步骤：
A、按前述原料组分比取原料进行烘干、研磨，使生料细度为15-20%，研磨达标后备用；
B、再将步骤A的生料送入预热器，进入预分解与煅烧过程，煅烧带煅烧温度为1380℃±50℃，煅烧时间为20-25min；
C、将步骤B得到的熟料进行急冷后，储存。
进一步，采用上述配方得到的硅酸盐水泥熟料，熟料矿物组成中M1型硅酸三钙的占比不低于40%。
进一步，采用上述配方得到的硅酸盐水泥熟料，熟料矿物组成中硅酸三钙的占比不低于60%。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
一、本发明中，选用的材料为常规的钙质材料、硅质材料以及铝铁质材料，原料选择范围宽。本发明中选用的铁矿石须具有一定要求：铁矿石中Fe2O3含量大于60%、P2O5含量大于5.0%、CeO2大于5.0%、F-大于5.0%，此铁矿石中含多样的离子种类，可提供多种离子半径以及离子电负性，增加硅酸三钙中的杂质固溶量，得到硅酸三钙含量更高的熟料。同时，由于物料之间的离子置换、填充等作用，硅酸三钙的晶型发生改变，提高M1型硅酸三钙在总硅酸三钙中的占比，M1型硅酸三钙在总硅酸三钙中的占比可达到80%及以上，打破采用用常规的钙质材料、硅质材料以及铝铁质材料只能制备M1型硅酸三钙在总硅酸三钙中的占比＜50%的瓶颈。此类铁矿石为天然矿石材料，原料来源较为固定。
二、本发明中，制备得到的M1型硅酸三钙高含量的水泥熟料具有早期、后期强度高的优异物理性能，M1型比M3型强度高10%，适用于高速交通、轨道交通、水电等一批重大/重点基础工程对水泥熟料更高要求的领域/环境中，当然，将本水泥熟料应用于区域内常规建筑工程等领域中时，达到同样强度的情况下，也可以减少水泥熟料的添加，符合目前推行的双碳政策与决策，达到节能降碳的目的，推动水泥行业向节能降碳和绿色转型。
三、本发明中，采用本方案中的钙质材料、硅质材料、铝铁质材料和铁矿石制备水泥熟料时，操作方法简便，且在煅烧阶段中，第二阶段的保温温度控制为1380℃左右即可，而现有工艺中，煅烧温度普遍为1450℃-1600℃，可见，与现有技术相比，采用本方案的原料可以降低煅烧温度，明显降低燃料的消耗，减少废气的排放，同时也降低了生产成本。
四、本发明中，采用常规原、燃材料，在较低煅烧温度的条件下，可得到M1型硅酸三钙占比显著提高的高质量熟料，熟料矿物晶体发育较好，游离钙含量小于1.0%，硅酸三钙含量超过60%；水泥物理性能优异，7d强度超过50MPa。
附图说明
图1是实施例1的熟料XRD测试结果图。
图2是实施例2熟料XRD拟合结果图。
图3是实施例3的熟料岩相图（400X）。
图4是实施例4的熟料岩相图（400X）。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种硅酸盐水泥熟料，涉及建筑材料技术领域，包含如下重量百分比的成分：石灰石87.6%，红砂4.0%，黏土8.4%，铁矿石0.02%，煤灰2.3%，其中铁矿石与煤灰为外掺。
本实施例中，使用的铁矿石中P2O5含量为6.26%、CeO2含量为6.86%、F-含量为6.95%，混合均匀后制样备用。
实际生产中，铁矿石可根据具体需求进行选择，经试验，铁矿石中P2O5含量大于5.0%、CeO2大于5.0%、F-大于5.0%均能使得到的熟料具备较优异的物理性能。
为进一步考察本方案的可重复性、以及考察生成硅酸盐水泥熟料的性能，本实施例采用小试制得熟料，再对制得的熟料的性能进一步考察。
再将上述原料按下述制备方法制备熟料：
原料经过烘干、研磨的预处理后，人工混样5-10min后，采用小磨混样5-8min，保证生料细度控制为15%±2%（80mm筛网）；添加10wt%水进行压片，放入80℃-90℃烘箱中烘干24h后备用。煅烧制度为两段式，第一阶段为室温升至950℃后保温30min，物料进入预分解过程，第二阶段为升温至1380℃后保温30min，升温速率均为20℃/min，保温结束后立即取出急冷，得到硅酸盐水泥熟料。
实施例2
一种硅酸盐水泥熟料，包含如下重量百分比的成分：石灰石87.5%，红砂4.5%，黏土8.0%，铁矿石0.04%，煤灰2.3%，其中铁矿石与煤灰为外掺，混合均匀后制样备用。煅烧制度同实施例1。
实施例3
一种硅酸盐水泥熟料，包含如下重量百分比的成分：石灰石86.0%，红砂0.0%，黏土14.0%，铁矿石0.06%，煤灰2.3%，其中铁矿石与煤灰为外掺，混合均匀后制样备用。煅烧制度同实施例1。
实施例4
一种硅酸盐水泥熟料，包含如下重量百分比的成分：石灰石90.9%，红砂2.1%，黏土7.0%，铁矿石0.10%，煤灰2.3%，其中铁矿石与煤灰为外掺，混合均匀后制样备用。煅烧制度同实施例1。
为进一步考察煅烧温度对熟料的影响，实施例5-8分别采用如实施例1-4中的组分配比，调整煅烧阶段的保温温度，进一步考察制备方法对熟料性能的影响。其中，T1为第一阶段保温温度，T2为煅烧阶段保温温度。
对比例1
本对比例中，按质量份数比取石灰石87.6%，红砂4.0%，黏土8.4%，煤灰2.26%，采用如实施例所述的制备方法制备得到水泥熟料。煅烧制度同实施例1。
对比例2
本对比例与对比例1相比，区别仅在于，将熟料的制备方法中煅烧阶段调整为：第一阶段为950℃下保温30min，第二阶段为1450℃下保温30min，保温结束后立即取出急冷，制得水泥熟料。
对比例3
本对比例与实施例1相比，区别仅在于，所述铁矿石为常规铁矿石，主要物质为含铁氧化物，微量元素氧化物含量极低。同样的，按实施例1的制备方法制备得到水泥熟料。
再将实施例1-8、对比例1-3中烧制好的熟料，采用振动磨研磨3.5min后放入干燥器待测，采用得到的熟料矿物组成如下表2所示。熟料采用XRD衍射分析仪进行检测，检测结果采用TOPAS进行全谱拟合，拟合因子Rwp均小于8，说明就拟合结果可信（国际标准中要求Rwp＜15%）。如图1-2，图1是实施例1的熟料XRD测试结果图，图2是实施例2熟料XRD拟合结果图。将实施例与对比例试样进行胶砂成型，检测熟料的物理性能，测试方法为GB-T 17671-2021水泥胶砂强度检验方法（ISO法)、GBT 1346-2011 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法，检测结果见3。实施例3的熟料岩相图（400X）见附图3，实施例4的熟料岩相图（400X）见附图4。
表2 熟料矿物组成（%）
表3 水泥物理性能
由实施例1-4与实施例5-8以及对比例2的结果可知，采用较高温度（1450℃）煅烧后，配方自身易烧性较好，铁矿石具有一定的矿化作用，可能存在过烧现象，熟料中硅酸三钙含量较高，但M1型硅酸三钙占比明显降低，强度发挥也有所降低。
由上述可知，采用本发明方法，可以制备一种熟料，其M1型硅酸三钙含量可超过40%，，硅酸三钙总体含量占比超过60%，游离钙含量较低，熟料矿物组成优异，物理性能发挥优秀，可满足各类施工要求；煅烧温度较低，在满足熟料煅烧、促进矿物生长发育的同时，降低了煤耗用量，满足了绿色低碳熟料的发展要求，为水泥行业的长久发展提供了新的可能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种硅酸盐水泥熟料，其特征在于，按重量百分比计，包括以下组分：
石灰石 86-91%；
红砂 0-4.5%；
黏土 7-14%；
铁矿石 0.02-0.10%；
煤灰 2.0-2.5%；
所述铁矿石中P2O5含量大于5.0%、CeO2大于5.0%、F大于5.0%。
2.根据权利要求1所述的一种硅酸盐水泥熟料，其特征在于：所述石灰石为钙质材料，CaO含量大于50%，细度控制0.08mm小于20%。
3.根据权利要求1所述的一种硅酸盐水泥熟料，其特征在于：所述红砂为硅质材料，SiO2含量大于80%，细度控制0.08mm小于20%。
4.根据权利要求1所述的一种硅酸盐水泥熟料，其特征在于：所述黏土为铝铁质材料，Al2O3含量大于20%、Fe2O3含量大于20%，细度控制0.08mm小于20%。
5.一种硅酸盐水泥熟料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、按权利要求1所述原料组分比取原料进行烘干、研磨，使生料细度为15-20%，研磨达标后备用；
B、再将步骤A的生料送入预热器，进入预分解与煅烧过程，煅烧带煅烧温度为1380℃±50℃，煅烧时间为20-25min；
C、将步骤B得到的熟料进行急冷后，储存。
6.如权利要求1-5任一项所述的硅酸盐水泥熟料，其特征在于：熟料矿物组成中M1型硅酸三钙的占比不低于40%。
7.如权利要求1-5任一项所述的硅酸盐水泥熟料，其特征在于：熟料矿物组成中硅酸三钙的占比不低于60%。
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