CN1699253A - 钢渣－偏高岭土复合胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

钢渣－偏高岭土复合胶凝材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无水泥熟料的碱胶凝材料。钢渣－偏高岭土复合胶凝材料，由钢渣、偏高岭土、水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠混合而成，其各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶0.1－9∶0.66－8∶0.033－0.3∶0.022－0.2；其中，钢渣的细度为400－650m2/kg，碱度＞1.2；偏高岭土为煤系高岭土在650－800℃条件下锻烧，细度为500－700m2/kg；水玻璃的模数为1.0－2.0，水玻璃的波美度33－44°。本发明的材料具有胶凝性能的特点，可满足同标号普通硅酸盐水泥性能要求。

Description

钢渣-偏高岭土复合胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明属于无机非金属材料类，具体涉及一种无水泥熟料的胶凝材料及其制备方法。
背景技术
传统的水泥工业行业，由于其在水泥生产过程中消耗很大的资源和能源，排放大量的污染环境的物质以及产品在某些性能上的缺陷，使它面临可持续发展的挑战；另外，钢铁、电力、煤炭、冶金等传统基础行业在耗用大量天然资源和能源基础上还产生大量的工业废渣，使土地资源、生态环境面临着巨大的压力。上述种种因素，严重制约了国民经济的建设和可持续发展战略。其中以钢渣、煤系高岭土的排放量最大，且一直没有得到很好利用。
发明内容
为此，本发明的目的在于利用钢渣、偏高岭土的潜在水硬性特点，使用碱激发剂激发钢渣的水化活性和使偏高岭土聚合化，从而使钢渣与偏高岭土复合得到具有胶凝性能的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料。
本发明的技术方案是：钢渣-偏高岭土复合胶凝材料，由钢渣、偏高岭土、水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠混合而成，其各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.1-9)∶(0.66-8)∶(0.033-0.3)∶(0.022-0.2)；其中，钢渣的细度为400-650m2/kg，碱度＞1.2；偏高岭土为煤系高岭土在650-800℃条件下锻烧，细度为500-700m2/kg；水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度33-44°。
所述的各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.1-0.43)∶(0.66-1.12)∶(0.033-0.043)∶(0.022-0.029)，其中水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度33-36°；参照国标GB/T17671-1999实验方法，可达到标号32.5或32.5R的普通硅酸盐水泥的强度。
所述的各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.67-1.5)∶(1.0-2)∶(0.05-0.075)∶(0.033-0.05)，其中水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度36-40°；参照国标GB/T17671-1999实验方法，可达到标号42.5或42.5R的普通硅酸盐水泥的强度。
所述的各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(2.3-9)∶(1.98-8)∶(0.1-0.3)∶(0.07-0.2)，其中水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度40-44°；参照国标GB/T17671-1999实验方法，可达到标号52.5或52.5R的普通硅酸盐水泥的强度。
钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的制备方法，包括如下步骤：1).首先将碱度＞1.2的钢渣磨细到比表面积为400-650m2/kg，形成微细钢渣粉；取煤系高岭土在650-800℃条件下锻烧成细度为500-700m2/kg的偏高岭土；将氟化钠粉化形成粉料；然后按钢渣∶偏高岭土∶氟化钠的质量配比为＝1∶(0.1-9)∶(0.022-0.2)的比例进行机械混合使其均匀，然后进行密封、装包、封存，得钢渣-偏高岭土-氟化钠粉料；2).将NaOH固体徐徐加入硅酸钠溶液中溶解得到模数为1.0-2.0、波美度为33-44°的水玻璃溶液；按钢渣∶水玻璃溶液∶Na2SO4的质量配比为＝1∶(0.66-8)∶(0.033-0.3)选取水玻璃溶液∶Na2SO4；将硫酸钠加入到水玻璃溶液中混合配制而得混合溶液；3).将步骤2)配好的混合溶液徐徐加入钢渣-偏高岭土-氟化钠粉料中，搅拌0.8-1.2min，然后倒出浇注。
本发明采用水玻璃(模数1.0-2.0，波美度33-44°)、硫酸钠、氟化钠等激发剂对不同比例钢渣、偏高岭土进行激发可以得到32.5、42.5、52.5等不同强度等级的无水泥熟料胶凝材料，其需水量、标准稠度、凝结时间在化学外加剂(铵基磺酸盐、焦磷酸钠、氟化钠等)的调节作用下，均可满足同标号普通硅酸盐水泥性能要求，其可以配制C30-C50混凝土。
钢渣-偏高岭土复合胶凝材料是一种以无机SiO4、AlO4四面体为主要组成，结构上具有空间三维网状键接结构，未水化钢渣颗粒镶嵌于网络结构中的新型无机硅铝胶凝材料，水化产物为一种无定形结构。其胶凝体系反应历程可以分为以下两个步骤：
第一步：偏高岭土与无定型二氧化硅在水和强亲核试剂NaOH和KOH的作用下，发生Si-O和Al-O共价键的断裂，可以认为在水溶液中生成硅酸和氢氧化铝的混合溶胶，溶胶颗粒之间部分脱水缩合生成正铝硅酸。Na+和K+被吸附在分子键周围，平衡铝(+3价，四配位)所带的负电荷；
Figure A20051001869500041
第二步：正铝硅酸分子上的羟基在碱性溶液中或干燥条件下极不稳定，相互吸引形成氢键，进一步脱水缩合形成聚铝硅氧大分子链从而构成钢渣与偏高岭土复合胶凝材料的独特网状结构。
Figure A20051001869500042
而钢渣矿粉在胶凝材料体系中的作用原理体现在以下几个方面：
(1)激发剂中阴离子形成胶凝体系的初始网络；阳离子建立和维持碱性环境，加快偏高岭土在碱溶液中的的解聚-缩聚过程；钢渣对偏高岭土的促进作用在于，一方面钢渣水化释放出Ca2+和OH-，其中Ca2+与低聚合度的硅酸反应，OH-促进矿渣的解聚；另一方面钢渣中晶体的诱导作用。
(2)钢渣在水化早期主要作胶凝体系的微集料，水化后期生成部分的水化产物，偏高岭土在碱作用下生成的半晶质物质是该体系网络骨架的主要来源；钢渣复合胶凝材料水化产物主要有硅酸钙及其变体，其通式为：CaO·Al2O3·xSiO2·yH2O矿物，简称为C-S-Al-H。
(3)钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的水化反应是硅酸结构的解聚和聚合的可逆平衡过程，水化开始时，高聚合度玻璃体在OH-的作用下逐渐解聚，随着溶液中低聚合度的硅酸浓度的增加，反应向聚合方向进行，新生成的高聚合度的硅酸及其盐，填充和镶嵌在硅氧骨架网络中，使结构逐渐密实。
本发明利用钢渣、偏高岭土的潜在水硬性特点，使用碱激发剂(碱激发剂为水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠)激发钢渣的水化活性和使偏高岭土聚合化，从而使钢渣与偏高岭土复合得到具有胶凝性能的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料。
钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的发明不仅为钢渣、高岭土的应用提供一个方向，而且也可以使传统水泥行业能够走可持续发展的路线。
具体实施方式
一、钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的制备方法：
钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的制备方法，包括如下步骤：1).首先将碱度＞1.2的钢渣磨细到比表面积为400-650m2/kg，形成微细钢渣粉；取煤系高岭土在650-800℃条件下锻烧成细度为500-700m2/kg的偏高岭土；将氟化钠粉化形成粉料；然后按钢渣∶偏高岭土∶氟化钠的质量配比为＝1∶(0.1-9)∶(0.022-0.2)的比例进行机械混合使其均匀，然后进行密封、装包、封存，得钢渣-偏高岭土-氟化钠粉料；2).将NaOH固体徐徐加入硅酸钠溶液中溶解得到模数为1.0-2.0、波美度为33-44°的水玻璃溶液；按钢渣∶水玻璃溶液∶Na2SO4的质量配比为＝1∶(0.66-8)∶(0.033-0.3)选取水玻璃溶液∶Na2SO4；将硫酸钠加入到水玻璃溶液中混合配制而得混合溶液；3).将步骤2)配好的混合溶液徐徐加入钢渣-偏高岭土-氟化钠粉料中，搅拌0.8-1.2min，然后倒出浇注。
1、32.5或32.5R强度等级的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的制备：按钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.1-0.43)∶(0.66-1.12)∶(0.033-0.043)∶(0.022-0.029)；其中水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度33-36°；参照国标GB/T17671-1999实验方法，可达到标号32.5或32.5R的普通硅酸盐水泥的强度。具体实施实例如表1。
2、42.5或42.5R强度等级的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的制备：按钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.67-1.5)∶(1.0-2)∶(0.05-0.075)∶(0.033-0.05)；其中水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度36-40°；参照国标GB/T17671-1999实验方法，可达到标号42.5或42.5R的普通硅酸盐水泥的强度。具体实施实例如表2。
3、52.5或52.5R强度等级的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的制备：按钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(2.3-9)∶(1.98-8)∶(0.1-0.3)∶(0.07-0.21)；其中水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度40-44°；参照国标GB/T17671-1999实验方法，可达到标号52.5或52.5R的普通硅酸盐水泥的强度。具体实施实例如表3。
钢渣与偏高岭土复合胶凝材料必须处于干燥防潮的条件下，否则会结块失效。
                  表1  32.5或32.5R强度等级的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的配比
  强度等级  胶材配比   水玻璃溶液配比   强度(MPa)
 钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF   模数   固含量(％)   3d   28d
32.5  1∶0.1∶0.66∶0.033∶0.022   1   33   26.5   37.2
 1∶0.25∶0.75∶0.038∶0.025   1.42   35   26.7   38.9
 1∶0.43∶0.86∶0.043∶0.029   1.8   36   27.3   36.2
 1∶0.1∶0.77∶0.033∶0.022   1.1   34   28.2   35.9
 1∶0.25∶0.88∶0.038∶0.025   1.5   36   26.9   37.7
 1∶0.43∶1.0∶0.043∶0.029   2   35   27.1   39.4
32.5R  1∶0.1∶0.88∶0.033∶0.022   1   36   31.2   39.1
 1∶0.25∶1.0∶0.038∶0.025   1.42   33   30.5   40.5
 1∶0.43∶1.12∶0.043∶0.029   1.8   34   31.8   38.9
                 表2  42.5或42.5R强度等级的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的配比
  强度等级                  胶材配比   水玻璃溶液配比   强度(MPa)
           钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF 模数 固含量(％) 3d 28d
42.5   1∶0.67∶1.0∶0.05∶0.033   1   36   32.9   48.4
  1∶1∶1.2∶0.06∶0.04   1.42   38   33.5   49.1
  1∶1.5∶1.5∶0.075∶0.05   1.8   40   32.3   48.1
  1∶0.67∶1.17∶0.05∶0.033   2   44   31.1   47.9
  1∶1∶1.4∶0.06∶0.04   1   36   27.1   49.3
  1∶1.5∶1.75∶0.075∶0.05   1.42   38   27.3   50
42.5R   1∶0.67∶1.34∶0.05∶0.033   1   36   36.6   51.2
  1∶1∶1.6∶0.06∶0.04   1.42   38   35.6   52.3
  1∶1.5∶2∶0.075∶0.05   1.8   40   35.4   52.4
                表3  52.5或52.5R强度等级的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的配比
  强度等级                   胶材配比   水玻璃溶液配比   强度(MPa)
            钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF   模数 固含量(％) 3d 28d
52.5   1∶2.3∶1.98∶0.1∶0.07   1   41   45.5   60
  1∶4∶3.0∶0.15∶0.1   1.42   42   48.6   62
  1∶9∶6∶0.3∶0.2   1.8   41   46.4   61.5
  1∶2.3∶2.31∶0.1∶0.07   2   42   47.2   63.1
  1∶4∶3.5∶0.15∶0.1   1   44   46.1   60.5
  1∶9∶7∶0.3∶0.2   1.42   43   49.2   62.5
52.5R   1∶2.3∶2.64∶0.1∶0.07   1   41   50.2   66
  1∶4∶4.0∶0.15∶0.1   1.42   42   52.6   66.5
  1∶9∶8.0∶0.3∶0.2   1.8   44   53.1   64.6
二、钢渣-偏高岭土复合胶凝材料混凝土配制方法：
对上述钢渣-偏高岭土复合胶凝材料进行混凝土配制，先将粉料倒入搅拌容器中，再加入集料进行干拌1min，然后将激发剂溶入水中形成溶液，最后将溶液徐徐倒入搅拌容器中搅拌2min，确保搅拌均匀后倒出成型，在振动台上振动30s，进行标养到龄期后测试其强度，部分实验结果如表4。
                                    表4  钢渣-偏高岭土复合胶凝材料混凝土配合比(kg/m3)
  编号   胶凝材料 砂 石 碱激发剂溶液   强度(MPa)
  种类(即前述的强度等级)   用量   7d   28d
  1   32.5   400   739   1021   240   30.1   40.8
  2   32.5R   400   739   1021   240   35.6   41.3
  3   42.5   500   672   928   300   40.6   50.0
  4   42.5R   500   672   928   300   44.2   52.0
  5   52.5   600   605   835   360   52.3   60.7
  6   52.5R   600   605   835   360   57.8   62.2

Claims (5)

1.钢渣-偏高岭土复合胶凝材料，由钢渣、偏高岭土、水玻璃溶液、硫酸钠、氟化钠混合而成，其各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶0.1-9∶0.66-8∶0.033-0.3∶0.022-0.2；其中，钢渣的细度为400-650m2/kg，碱度＞1.2；偏高岭土为煤系高岭土在650-800℃条件下锻烧，细度为500-700m2/kg；水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度33-44°。
2.根据权利要求1所述的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料，其特征是：所述的各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶0.1-0.43∶0.66-1.12∶0.033-0.043∶0.022-0.029，其中水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度33-36°。
3.根据权利要求1所述的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料，其特征是：所述的各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶0.67-1.5∶1.0-2∶0.05-0.075∶0.033-0.05，其中水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度36-40°。
4.根据权利要求1所述的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料，其特征是：所述的各组份质量配比为：钢渣∶偏高岭土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶2.3-91.98-8∶0.1-0.3∶0.07-0.2，其中水玻璃的模数为1.0-2.0，水玻璃的波美度40-44°。
5.如权利要求1所述的钢渣-偏高岭土复合胶凝材料的制备方法，其特征是包括如下步骤：1).首先将碱度＞1.2的钢渣磨细到比表面积为400-650m2/kg，形成微细钢渣粉；取煤系高岭土在650-800℃条件下锻烧成细度为500-700m2/kg的偏高岭土；将氟化钠粉化形成粉料；然后按钢渣∶偏高岭土∶氟化钠的质量配比为＝1∶0.1-9∶0.022-0.2的比例进行机械混合使其均匀，然后进行密封、装包、封存，得钢渣-偏高岭土-氟化钠粉料；2).将NaOH固体徐徐加入硅酸钠溶液中溶解得到模数为1.0-2.0、波美度为33-44°的水玻璃溶液；按钢渣∶水玻璃溶液∶Na2SO4的质量配比为＝1∶0.66-8∶0.033-0.3选取水玻璃溶液∶Na2SO4；将硫酸钠加入到水玻璃溶液中混合配制而得混合溶液；3).将步骤2)配好的混合溶液徐徐加入钢渣-偏高岭土-氟化钠粉料中，搅拌0.8-1.2min，然后倒出浇注。
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