含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂及其应用方法

摘要

本发明涉及一种含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂及其应用方法，该种改性剂以高铝含量废渣和天然石灰石为原料，合理设计配料矿物组成，在1250～1350℃下煅烧15～60min，制得改性剂熟料；将改性剂熟料加入石膏制得CA和C12A7等铝酸盐矿物含量较高的通用硅酸盐水泥改性剂。将此改性剂熟料或改性剂以适当配比掺入到通用硅酸盐水泥中代替部分熟料，发挥早强矿物水化快且对矿渣、粉煤灰等混合材有激发作用的特点，形成较多的钙矾石(AFt)和水化铝(铁)酸盐等水化产物，调节硅酸盐水泥水化产物的种类与配比，达到提高通用硅酸盐水泥性能和降低生产成本的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂，特别涉及一种含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂及其应用的方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

硅酸盐水泥是世界范围内在建筑材料领域使用最广泛、用量最多的胶凝材料。其熟料由四种主要矿物组成(C₃S、C₂S、C₃A和C₄AF)，煅烧温度为1450℃。C₃S和C₂S是硅酸盐水泥熟料中的主要矿物，其水化产物主要是水化硅酸钙(C-S-H)和氢氧化钙，C₃S含量高且水化较快，对水泥的强度性能起主要作用。但若提高水泥熟料中C₃S矿物含量，会使生料的易烧性变差，煅烧温度升高。C₃A和C₄AF是熟料中的次要矿物，其水化产物主要是水化硫铝(铁)酸钙(钙矾石或AFt)。C₃A水化反应迅速，水化过程放出大量的热，凝结硬化快，早期强度较高，但易使水泥急凝，应控制其含量在较低范围。关于硅酸盐水泥中4大矿物的形成和匹配关系已经进行了深入系统的研究，鉴于硅酸盐水泥熟料的矿物组成特点，其水化过程中形成的水化产物主要是水化硅酸钙(C-S-H)、氢氧化钙和少量钙矾石等，使该水泥表现出早期强度偏低，水化过程体积收缩较大等缺点。当掺入较大比例的矿渣、粉煤灰或其他工业废渣作混合材时，还可导致水泥的强度明显降低，凝结时间延长。

近年来，通过在硅酸盐水泥熟料中引入非传统硅酸盐熟料体系的高胶凝性矿物以取代C₃A，获得一个新的具有高胶凝性的水泥熟料矿相体系，如：阿利特-硫铝酸盐水泥，其熟料的主要矿物组成为C₃S、C₂S、和C₄AF。另外，一些复合水泥的出现，如高铝-硅酸盐复合水泥，硫铝酸盐-硅酸盐复合水泥，其目的是利用两种水泥中所含有的不同强度矿物，进行水泥性能互补，发挥高铝水泥或硫铝酸盐水泥熟料中铝酸盐或硫铝酸盐矿物水化快且对矿渣、粉煤灰等混合材有激发作用的特点，水化过程可形成较多的钙矾石、水化铝酸盐和铝胶等水化产物，调节硅酸盐水泥水化产物的种类与数量配比，达到提高混合材硅酸盐水泥性能的目的。但是，高铝水泥或硫铝酸盐水泥的生产对原料要求较严，需要特定的工艺技术，市场售价较高，一般不适宜用作调节通用硅酸盐水泥的性能。

发明内容

为了在硅酸盐水泥体系中引入早强型铝酸盐矿物(CA、C₁₂A₇)，达到调节硅酸盐水泥水化产物的种类与配比，提高通用硅酸盐水泥(尤其是高混合材含量的硅酸盐水泥)性能和降低生产成本的目的。本发明提供一种含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂及其应用方法。

一种含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂，制备方法如下：

(1)以高铝含量废渣及天然石灰石为原料，以高铝含量废渣的化学组成为依据进行配料计算，根据原料组成不同，设计铝酸盐矿物(CA、C₁₂A₇)、C₂S和C₄AF矿物质量配比范围为，铝酸盐矿物：15～45％；C₂S：40～75％；C₄AF：5～20％，引入0～2％的CaF₂作矿化剂(以矿物总质量为基准外加)，制备改性剂的生料配合料；

(2)将生料配合料粉磨至0.08mm方孔筛筛余小于15％，于1250～1350℃煅烧15～60min，制得熟料；

(3)将熟料配以1～8％的石膏(以改性剂总质量为基准计算)，粉磨至0.08mm方孔筛筛余小于10％，制得水泥改性剂。

所述的高铝含量废渣为：粉煤灰、煤矸石、炉渣或矾土尾矿。

所述的高铝含量废渣与天然石灰石的质量比例为：(20～50)∶(50～80)。

一种含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂，其应用方法如下：

将含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂熟料以占5～30％的质量配比与硅酸盐水泥熟料和石膏、矿渣以及粉煤灰等混合材共同粉磨，控制细度达到340m²/kg；或者直接将含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂以占5～30％的质量配比与通用硅酸盐水泥混合均匀，控制细度达到340m²/kg，制得具有快硬、早强以及补偿收缩或微膨胀性能的通用硅酸盐水泥。

本发明提出一种采用高铝含量废渣(主要为：粉煤灰、煤矸石、炉渣或矾土尾矿等)和天然石灰石为原料配料，低温烧制CA和C₁₂A₇等铝酸盐矿物含量较高的通用硅酸盐水泥改性剂。该改性剂可大量利用工业废渣且煅烧温度低，既可降低生产成本，又具有环保意义。由于改性剂含有较大比例的早强型铝酸盐矿物，将其以适当配比掺入到通用硅酸盐水泥中代替部分熟料，发挥早强矿物水化快且对矿渣、粉煤灰等混合材有激发作用的特点，形成较多的钙矾石(AFt)和水化铝(铁)酸盐等水化产物，调节硅酸盐水泥水化产物的种类与配比，达到提高通用硅酸盐水泥性能的目的。在适当的掺加范围内，可明显提高通用硅酸盐水泥的各龄期强度。对于混合材掺加量为40％的硅酸盐水泥，其3d强度可提高5～20％，28d强度提高3～10％；凝结时间缩短15～30％；体积收缩率-3.0～+1.0×10^-4；替代部分硅酸盐水泥熟料，可降低生产成本。

具体实施方式

下面结合具体实施例来说明本发明的实质。有必要在此指出的是：这些实施例仅用于证实本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

(1)一种含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂的制备

①以粉煤灰和天然石灰石为原料，将粉煤灰中所含Al₂O₃以形成最多的CA矿物为依据进行配料计算，原料的化学组成见表1。

表1计算所需原料的化学组成

  Loss  SiO₂  Al₂O₃  Fe₂O₃  CaO  MgO  SO₃  ∑  粉煤灰  2.37  50.11  36.69  5.55  3.12  0.56  -  98.40  矾土尾矿  13.89  40.19  43.17  1.48  0.71  0.47  -  99.91  石灰石  42.77  2.12  0.33  0.24  52.79  1.43  -  99.58  石膏  18.10  5.02  0.45  0.24  30.17  0.24  42.50  96.72

根据表1中原料的化学组成计算，得到本实施例原料质量配比为：粉煤灰29.34％；石灰石69.14％；外加0.5％CaF₂作矿化剂，制备成改性剂的生料配合料；

②将配合料粉磨至0.08mm方孔筛筛余小于15％，于1330℃煅烧40min，制得改性剂熟料；

③将熟料配以6％的石膏(以改性剂总质量为基准计算)，粉磨至0.08mm方孔筛筛余小于10％，制得水泥改性剂。

(2)一种含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂的应用方法

①将含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂熟料与硅酸盐水泥熟料以10∶90的质量比例混合，得到的混合物与其质量5％石膏、20％矿渣和12％粉煤灰共同粉磨至细度为340m²/kg，制得改性通用硅酸盐水泥。

②将改性通用硅酸盐水泥成型，标准条件下养护，3天和28天龄期强度分别为：19.2和37.6MPa；标准条件下测试水泥的凝结时间为，初凝(h:min)：2:09；终凝(h:min)：4:46；将未加改性剂的通用硅酸盐水泥成型，标准条件下养护，3天和28天龄期强度分别为：17.5和35.6MPa；标准条件下测试水泥的凝结时间为，初凝(h:min)：5:12；终凝(h:min)：7:08。

实施例2

(1)以矾土尾矿和石灰石为原料，将矾土尾矿中所含Al₂O₃以形成最多的CA矿物为依据进行配料计算。根据表1中原料的化学组成计算，得到本实施例原料配比为：矾土尾矿32.77％；石灰石67.23％；外加上述原料质量的0.5％CaF₂作矿化剂，制备成改性剂的生料配合料；

②将配合料粉磨至0.08mm方孔筛筛余小于15％，于1350℃煅烧40min，制得熟料；

③将熟料配以8％的石膏(以改性剂总质量为基准计算)，粉磨至0.08mm方孔筛筛余小于10％，制得水泥改性剂。

(2)一种含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂的应用方法

①将含铝酸盐矿物的通用硅酸盐水泥改性剂与通用硅酸盐水泥以8∶92的质量比例混合均匀，控制细度达到340m²/kg，制得改性通用硅酸盐水泥。

②将改性通用硅酸盐水泥成型，标准条件下养护，3天和28天龄期强度分别为：20.3和37.9MPa；标准条件下测试水泥的凝结时间为，初凝(h:min)：1:53；终凝(h:min)：4:23；将未加改性剂的通用硅酸盐水泥成型，标准条件下养护，3天和28天龄期强度分别为：17.5和35.6MPa；标准条件下测试水泥的凝结时间为，初凝(h:min)：5:12；终凝(h:min)：7:08。