CN1323755A - 用于水泥的无机矿物材料增强剂及其制备方法 - Google Patents

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本发明提供一种用于水泥的无机矿物材料增强剂,按重量计,它包含20-50%的明矾石,30-60%的无水石膏,10-25%的煤矸石和0-30%的海泡石。该增强剂显著地降低了水泥的生产成本,大幅度提高了水泥混合材的掺加量,同时又能充分地保证水泥的各项性能指标,甚至提高水泥的性能。另外该种增强剂也适用于混凝土。本发明还提供这种增强剂的制备方法。

Description

用于水泥的无机矿物材料增强剂及其制备方法
本发明涉及一种用于水泥的增强剂及其制备方法。本发明尤其是涉及一种用于水泥的无机矿物材料增强剂及其制备方法。
大家知道,一般来说水泥生产厂生产出来的水泥有粉煤灰水泥、矿渣水泥、复合水泥和道路水泥等,它们是通过在水泥熟料中分别添加粉煤灰、矿渣、粉煤灰和矿渣等混合材得到的,随着掺合料的增加水泥强度逐步下降,如何提高混合材的用量而保证水泥的质量一直是人们研究的目标。
目前国内外有多种水泥添加剂,例如在1987年11月26日申请的申请号为JP1987000298167的专利申请中披露了一种水泥组合物,它是在水泥中添加海泡石和纤维素基的混合物制得。该水泥组合物能用来制造强度高并且抗冲击性优异的模塑水泥体。由于在此水泥组合物中使用了有机成分,故费用较高。
又如在1988年6月22日申请的申请号为JP1988000154505的专利申请中披露了一种水泥组合物,它包含(A)100重量份水泥,(B)5-100重量份无机聚集体(它主要由球形聚集体如粒径为1-100微米的飞灰和1-20重量%的超细颗粒聚集体如粒径为0.01-1微米的微硅石组成),(C)3-50重量份,较好为5-300重量份海泡石,(D)0.2-10重量份增强纤维和(E)0.1-10重量份,较好为0.5-5重量份的纤维素混合物(甲基纤维素等)。该水泥组合物能用来制造强度高、抗冲击性好的模塑产品。同样由于使用了有机成分,该水泥添加剂的费用偏高。
近年来在国内也研制出多种用于水泥的添加剂。例如在1995年12月19日申请的申请号为95112816的专利申请中披露了一种水泥安定剂,它由明矾石、石膏和沸石或含活性SiO2为主的工业废渣组成,其中明矾石为25-50%,石膏为20-30%,沸石或含活性SiO2为主的工业废渣为25-50%。
上述所有这些水泥添加剂的主要目的都是为了改善和提高水泥的某种性能,但它们不能多掺加混合材,故价格偏高。
本发明针对已有技术中存在的上述问题,提供一种用于水泥的无机矿物材料增强剂。该增强剂能降低水泥的生产成本,大幅度提高水泥混合材的掺加量,同时又充分地保证水泥的各项性能指标,甚至提高水泥的性能。此外该种增强剂也适用于混凝土。本发明还提供这种增强剂的制备方法。
本发明提供的用于水泥的无机矿物材料增强剂按重量计包含20-50%的明矾石,30-60%的无水石膏,10-25%的煤矸石和0-30%的海泡石。
本发明采用的明矾石是一种硫酸铝钾固体,其化学组成为KAl3[SO4]2[OH]6。本发明也可以采用工业废料矾渣来代替明矾石。或者使用明矾石和矾渣的混合物。在本发明中,明矾石主要是用于缩短水泥的凝结时间,提高早期强度并保持后期强度。经研究认为当在水泥中加入水后,明矾石与水泥的有效成分结合生成大量的铁铝酸四钙,从而形成富铁钙矾石,这样就提高了水泥的抗折强度和抗压强度。
本发明采用的无水石膏是普通石膏经脱水后形成的一种高强石膏,其主要成分是CaSO4,它也称为硬石膏。在本发明中,无水石膏主要是用于提高水泥的强度。同样,也可以直接采用天然硬石膏。
本发明采用的煤矸石是一种煤的废料(劣质煤),它主要含有三氧化二铝和二氧化硅,其比例大约为1∶1,并含有少量的碳酸钙。添加煤矸石可用于调节粉煤灰和矿渣等废料中活性成分,即三氧化二铝的含量,克服因添加废料而使水泥质量不稳定的缺点。
本发明采用的海泡石是一种具链层状结构的含水硅酸镁纤维状粘土矿物。其矿物分子式为Si12Mg8O30(OH)6(OH2)4·6H2O。海泡石能吸附本身重量二倍的水分,形成结晶水后又缓慢地释放出来,从而提高水泥的后期强度。本发明也可以使用膨润土或白泥来代替海泡石,具有同样效果。
在本发明中,以增强剂的总重量计,明矾石的用量一般为20-50%,较好为25-40%;无水石膏的用量一般为30-60%,较好为35-50%;煤矸石的用量一般为10-25%,较好为15-25%;海泡石的用量一般为0-30%,较好为0-15%。针对水泥厂生产的三种水泥,该增强剂的最佳组成和各组分的含量(以重量计)是,用于粉煤灰水泥的增强剂包含30%的明矾石,50%的无水石膏,5%的海泡石和15%的煤矸石;用于矿渣水泥的增强剂包含25%的明矾石,50%的无水石膏和25%的煤矸石;用于复合水泥的增强剂包含37.5%的明矾石,37.5%的无水石膏,12.5%的煤矸石和12.5%的海泡石。
根据水泥质量的要求,本发明无机矿物材料增强剂占水泥总重量的3-8%,较好为4-8%。
本发明的无机矿物材料增强剂不仅适用于水泥,而且也适用于混凝土,用于混凝土时同样取得了优良的效果。
本发明的另一个方面是提供用于水泥的无机矿物材料增强剂的制备方法,该方法包括分别煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石1-4小时,冷却后与烘干冷却的海泡石按比例混合。
煅烧和烘干的温度和时间取决于加料的多少、所用的设备等因素。在所述制备方法中,煅烧明矾石的温度一般为450-600℃,较好为470-550℃,最佳为500℃。煅烧普通石膏的温度一般为650-850℃,较好为680-700℃,最佳为700℃。煅烧煤矸石的温度一般为500-1000℃,较好为800-900℃。由于煤矸石具有自燃的性能,故在实践中通常将其堆放在一起使其自燃而达到煅烧的目的。对海泡石进行烘干的温度一般为100-300℃,较好为120-200℃,烘干时间一般为1-3小时,较好为2小时左右。对明矾石、普通石膏和煤矸石的煅烧时间一般分别为1-4小时,较好为2-3小时。
将上述制得的无机矿物材料增强剂直接加到水泥熟料中,并添加粉煤灰、矿渣等废料而后球磨制得抗压强度和抗折强度高的水泥。
与已有技术中的添加剂相比,本发明制得的无机矿物材料增强剂具有意想不到的优异效果。首先由于使用了本发明的增强剂可以大幅度提高水泥混合材的掺加量,例如粉煤灰的掺加量可高达30-65%,矿渣的掺加量可高达20-70%,粉煤灰和矿渣的总掺加量可高达55-60%。以年产10万吨水泥厂的规模计算,使用本发明的增强剂可加大混合材的掺加量,实际产量可高达15万吨左右。平均生产成本每吨可降低20元左右,厂净利润可达200万元以上。其二可任意调节水泥的凝结时间从10分钟至12小时,这样就扩大了所制得的水泥的应用范围。其三是提高水泥的早期强度,例如3天后的抗压强度可高达26 MPa以上,而普通水泥只能达到18-21 MPa。其四是使水泥的抗折、抗冻和抗渗性能都有所提高。其五是降低水泥的水化热,例如3天的水化热为50-60 J/g,这样就便于了水泥的施工。其六本发明的增强剂还可用于混凝土,这样一种添加剂两种用途,提高了使用效率。另外本发明的增强剂属无机矿物材料,无毒无污染,性能稳定,储存在干燥环境下不会变质。
本发明将结合下述特定的实施例作进一步说明,应明白的是本发明并不局限于这些实施例。在下述实施例中,除另有说明外,份数均按重量计。在下述实施例中,凝结时间采用凝结时间测定仪测量;抗压强度采用抗压负载为30吨的抗压试验机测量;抗折强度采用抗折负载为11.7 MPa的抗折试验机测量;水化热采用水化热测定仪测量。在下述实施例中的明矾石、普通石膏、煤矸石和海泡石都可以商购或直接从矿区得到。
实施例1
分别在3个100厘米×100厘米×500厘米的立窑中以450℃、650℃和500℃的温度煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石4小时。冷却后取2份明矾石、4份无水石膏和2份煤矸石在搅拌器中搅拌混合制得增强剂。将该增强剂与30份矿渣和62份水泥熟料在球磨机中进行球磨,制得矿渣水泥。测量该水泥的三天和二十八天的抗压强度和抗折强度,以及水泥的凝结时间和三天的水化热,结果列于表1中。
实施例2
分别在3个100厘米×100厘米×500厘米的立窑中以550℃、700℃和850℃的温度煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石2.5小时。另外在一温度设置为300℃的烘箱内烘干海泡石,时间为1小时。冷却后取2.4份明矾石、4份无水石膏、1.2份煤矸石和0.4份海泡石在搅拌器中搅拌混合制得增强剂。将该增强剂与40份粉煤灰和52份水泥熟料在球磨机中进行球磨,制得粉煤灰水泥。按实施例1所述测量该水泥的性能。结果列于表1中。
实施例3
分别在3个100厘米×100厘米×500厘米的立窑中以600℃、850℃和1000℃的温度煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石1小时。另外在一温度设置为100℃的烘箱内烘干海泡石,时间为3小时。冷却后取3份明矾石、3份无水石膏、1份煤矸石和1份海泡石在搅拌器中搅拌混合制得增强剂。将该增强剂与30份粉煤灰、30份矿渣和32份水泥熟料在球磨机中进行球磨,制得复合水泥。按实施例1所述测量该水泥的性能。结果列于表1中。
实施例4
分别在3个100厘米×100厘米×500厘米的立窑中以550℃、700℃和900℃的温度煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石3小时。另外在一温度设置为110℃的烘箱内烘干海泡石,时间为2小时。冷却后取0.6份明矾石、0.9份无水石膏、0.6份煤矸石和0.9份海泡石在搅拌器中搅拌混合制得增强剂。将该增强剂与70份矿渣和27份水泥熟料在球磨机中进行球磨,制得矿渣水泥。按实施例1所述测量该水泥的性能。结果列于表1中。
实施例5
分别在3个100厘米×100厘米×500厘米的立窑中以600℃、700℃和950℃的温度煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石2.3小时。冷却后取3份明矾石、2.4份无水石膏和0.6份煤矸石在搅拌器中搅拌混合制得增强剂。将该增强剂与65份粉煤灰和29份水泥熟料在球磨机中进行球磨,制得粉煤灰水泥。按实施例1所述测量该水泥的性能。结果列于表1中。
实施例6
分别在3个100厘米×100厘米×500厘米的立窑中以550℃、770℃和650℃的温度煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石3小时。另外在一温度设置为120℃的烘箱内烘干海泡石,时间为2.5小时。冷却后取2份明矾石、3份无水石膏、1份煤矸石和1份海泡石在搅拌器中搅拌混合制得增强剂。将该增强剂与20份矿渣和73份水泥熟料在球磨机中进行球磨,制得矿渣水泥。按实施例1所述测量该水泥的性能。结果列于表1中。
实施例7
分别在3个100厘米×100厘米×500厘米的立窑中以550℃、700℃和800℃的温度煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石3.5小时。另外在一温度设置为200℃的烘箱内烘干海泡石,时间为2.5小时。冷却后取1.4份明矾石、2.8份无水石膏、0.7份煤矸石和2.1份海泡石在搅拌器中搅拌混合制得增强剂。将该增强剂与40份粉煤灰和53份水泥熟料在球磨机中进行球磨,制得粉煤灰水泥。按实施例1所述测量该水泥的性能。结果列于表1中。
实施例8
分别在3个100厘米×100厘米×500厘米的立窑中以500℃、700℃和800℃的温度煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石3小时。冷却后取2.4份明矾石、4.8份无水石膏和0.8份煤矸石在搅拌器中搅拌混合制得增强剂。将该增强剂与30份矿渣和62份水泥熟料在球磨机中进行球磨,制得矿渣水泥。测量该水泥的三天和二十八天的抗压强度和抗折强度,以及水泥的凝结时间和三天的水化热,结果列于表1中。
实施例9
将实施例4制得的增强剂与97份混凝土在搅拌机中搅拌。制得混凝土。该混凝土在28天时达到的抗压强度超过同配合比混凝土(不加增强剂)的15%。
对比例1
将4份无水石膏、64份水泥熟料和32份粉煤灰在球磨机中球磨,制得粉煤灰水泥。按实施例1所述测量该水泥的性能。结果列于表1中。表1
   序号                增强剂(份)   水泥熟料(份)   矿渣(份)   粉煤灰(份)      抗压强度(MPa)        抗折强度(MPa)  三天的水化热(J/g)  凝结时间
明矾石 无水石膏 煤矸石 海泡石 三天 二十八天 三天 二十八天
  实施例1    2     4     2    62    30    29    59     5.8     9.3    50    4小时
  实施例2   2.4     4    1.2  0.4    52    40    30    60     5.9     9.4    50    5小时
  实施例3    3     3     1   1    32    30    30    29    58     5.6     9.2    55    4小时
  实施例4   0.6    0.9    0.6  0.9    27    70    26    46     4.0     8.0    60    8小时
  实施例5    3    2.4    0.6    29    65    26    51     5.1     8.8    60   12小时
  实施例6    2     3     1   1    73    20    28    59     5.6     9.1    58  3.5小时
  实施例7   1.4    2.8    0.7  2.1    53    40    28    58     5.3     9.0    60   10分钟
  实施例8   2.4    4.8    0.8    62    30    29    60     5.4     9.2    56    4小时
  对比例1     4    64    32  16.75   42.9     3.1     7.1    --    6小时
从上面的实施例和所列的数据可以清楚地看出,添加有本发明增强剂的水泥(无论是粉煤灰水泥、矿渣水泥,还是复合水泥)的抗压强度和抗折强度都明显比不加入本发明增强剂的普通水泥的高,而且水化热下降,这样在水泥中加入水时所产生的热量少,故水泥的收缩和膨胀都很小、有利于水泥稳定。此外添加有本发明增强剂的水泥的凝结时间可以从10分钟调节到12小时,这样它就能适用于从抢险工程到大体积混凝土工程的广泛应用。

Claims (9)

1.一种用于水泥的无机矿物材料增强剂,按重量计,它包含20-50%的明矾石,30-60%的无水石膏,10-25%的煤矸石和0-30%的海泡石。
2.如权利要求1所述的增强剂,它包含25%的明矾石,50%的无水石膏和25%的煤矸石。
3.如权利要求1所述的增强剂,它包含30%的明矾石,50%的无水石膏,5%的海泡石和15%的煤矸石。
4.如权利要求1所述的增强剂,它包含37.5%的明矾石,37.5%的无水石膏,12.5%的煤矸石和12.5%的海泡石。
5.一种制备如权利要求1所述的用于水泥的无机矿物材料增强剂的方法,它包括分别煅烧明矾石、普通石膏和煤矸石1-4小时,冷却后与烘干冷却的海泡石按比例混合。
6.如权利要求5所述的方法,其中明矾石的煅烧温度为450-600℃。
7.如权利要求5所述的方法,其中普通石膏的煅烧温度为650-850℃。
8.如权利要求5所述的方法,其中煤矸石的煅烧温度为500-1000℃。
9.如权利要求5所述的方法,其中海泡石的烘干温度为100-300℃,烘干时间为1-3小时。
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