专利名称：大掺量煤矸石复合水泥及其制备方法
技术领域：
本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种采用煤矸石工业废渣制备的复合水泥及其制备方法。
背景技术：
我国水泥年产量已达8亿吨，其中高温烧成的水泥熟料约6亿吨，到2010年我国水泥年需求量将超过10亿吨。水泥生产消耗大量资源、能源，严重污染环境。我国水泥性能偏低，造成用量进一步增加。社会发展需求水泥施工性更好、水化热更低、强度更高、体积更稳定、耐腐蚀性和耐久性更好。另外，我国每年排放出各类固态工业废弃物8亿多吨，堆积如山，造成极大的环境污染和资源浪费。传统的水泥科学对硅酸盐水泥研究比较透彻，但是对于含废弃物的体系研究深度不够，废渣在水泥中粗放式利用对性能不利。如能利用工业废渣开发出具有高强度、优异耐久性、低环境负荷三大特征的高性能水泥，将具有显著的社会意义和应用前景。
煤矸石是夹杂在煤层中的含碳量较低、比煤坚硬的岩石，是采煤和洗煤过程中排出固体废弃物的总称。在我国，仅2000年，煤矸石的排放量就达3.1亿吨，约占当年煤炭产量的10％左右。目前，煤矸石占地约22万公顷，近300座煤矸石山发生过或正在发生自燃。大量的煤矸石不仅占用了大量的土地和农田，而且严重污染了环境。减排煤矸石，并使其无害化、资源化已势在必行。目前，在我国煤矸石的利用率仅有10％，在水泥基材料中主要将其用作水泥的混合材、混凝土的掺合料、混凝土骨料等，但利用率尚处于较低水平。与其它固体废弃物相比，影响煤矸石工业废渣利用的关键是煤矸石的活性不高，如何激发其潜在活性是制约煤矸石工业废渣利用的瓶颈。如何利用煤矸石工业废渣，激发出潜在活性，经过一定的工艺处理后，研制出大掺量煤矸石复合水泥，其具有高强度、优异耐久性、低环境负荷三大特征。不仅可改善了生态环境，符合社会可持续发展原则，而且具有广阔的市场应用前景与实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高强度、高耐久性、低环境负荷的大掺量煤矸石工业废渣的复合水泥及其制备方法。
本发明提出的大掺量煤矸石复合水泥，由煤矸石、硅酸盐水泥熟料、特种激发剂、石膏调凝剂、矿物掺和料组成，各组分重量百分比为煤矸石 20-80％硅酸盐水泥熟料 20-50％激发剂 2-10％石膏调凝剂 0-5％矿物掺和料 0-30％上述各组分总量之和满足100％。
本发明中，煤矸石组分是复合水泥中一种主要的胶凝材料，具有一定的水硬活性，但这种活性是潜在的。由于煤矸石水化生成了C-s-H凝胶和钙矾石，使煅烧煤矸石表现出一定的水硬活性，但是在硅酸盐水泥的水化过程中，煤矸石的这种活性是靠水泥熟料水化生成的氢氧化钙激发而产生的。在本发明的大掺量煤矸石复合水泥中，由于水泥熟料少，水化生产的氢氧化钙也少，如何激发出煤矸石的潜在活性是关键。
硅酸盐水泥熟料组分是另一种胶凝材料，其保证了水泥体系中早期的强度，并水化产生氢氧化钙，为煤矸石进一步水化提供必要的组分。不掺特种激发剂的煤矸石水泥，由于体系中氢氧化钙的熟料有限，煤矸石的水化十分缓慢且水化反应不完全，体系中自由水蒸发后留下大量的孔隙，在水泥石结构上表现出孔隙率较大，结构的致密化程度低，水泥强度较低。
激发剂组分是一种用于激发煤矸石活性的碱复合激发剂，它含有碱及其其他活性物质，使得煤矸石的水化不完全依赖于水泥熟料水化产生的氢氧化钙数量和速度。主要包括氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钾钠、硅酸钠等组分。煤矸石在水化初期就开始以较快的速度参与水化反应，并产生强度，使得煤矸石的潜在水硬活性得以充分发挥。因此，在加入特种激发剂后，使得煤矸石在复合水泥中掺量可以达到80％，水泥仍表现出较好的早期和后期强度，复合水泥强度等级可以达到42.5。掺入特种激发剂组分后，煤矸石在碱性物质的作用下得到充分水化，其水化产物不断填充于原水空间，使其结构不断致密化，故水泥石的孔隙率小，结构致密度高，水泥强度大大提高。
石膏调凝剂组分是一种调节水泥水化凝结时间的组分。其在合适的掺量范围内，可以调整水泥熟料与煤矸石的水化速率，从而可以调整大掺量煤矸石复合水泥的凝结时间。一般选用二水石膏矿物或半水石膏矿物。
矿物掺和料是一种辅助胶凝材料，矿物掺和料的掺入不仅可以补充煤矸石复合水泥所需的活性成分，可以促进复合水泥的水化和硬化，同时，也起到填充、密实作用。矿物掺和料可以选用粉煤灰、矿渣微粉、石灰石粉、硅灰等。
本发明的制备方法是原材料的制备首先将大块状的煤矸石在破碎机破碎细粒，然后在高温煅烧炉中煅烧，煅烧温度在600℃-1000℃之间，升温时间控制在40-60分钟，煅烧时间控制在1.5-2.5小时，当恒温至规定时间时出料，并在空气中自然冷却，最后用球磨机粉磨至所要求的细度，比表面积控制在300-400m2/kg；激发剂也用球磨机粉磨至所要求的细度，比表面积控制在300-400m2/kg左右。激发剂按用量比例在煤矸石煅烧前加入，或在煅烧后加入；将经过煅烧的硅酸盐水泥熟料与石膏按用量比例在球磨机中粉磨至所要求的细度，比表面积控制在300-400m2/kg；将选定的矿物掺和料(如粉煤灰或水淬矿渣)在球磨机中粉磨至所需的细度，比表面积控制在300-400m2/kg左右；然后，将煤矸石粉料、水泥熟料粉料、矿物掺和料粉料按规定的比例进行混合制成大掺量的煤矸石复合水泥。
因煤矸石粉料、水泥熟料粉料、矿物掺和料的矿物硬度不同，粉磨至规定的细度所需的时间不同，一般要求将其分开粉磨。有时，生产、制备过程中，如果所选用的煤矸石粉料、水泥熟料粉料、矿物掺和料矿物硬度基本相同，也可按规定的比例共同粉磨而成。
本发明制备的大掺量煤矸石水泥具有以下优异的性能1、在复合水泥中采用特种激发剂对煤矸石工业废渣的活性进行激发，使得其潜在水活硬性得到充分发挥；2、复合水泥的标准稠度、凝结时间、安定性等等物理性能均满足国家标准和行业要求。当煤矸石掺量达到50％以上时，复合水泥强度等级可达到42.5；当煤矸石与矿物掺和料掺量达到70％以上时，复合水泥的强度等级可达到32.5；3、大掺量煤矸石复合水泥的水化热较低，是一种低热水泥，特别适用于大体积混凝土；4、复合水泥具有高强度、优异耐久性、低环境负荷三大特征，符合我国可持续发展战略。
具体实施例方式
大掺量煤矸石复合水泥，由煤矸石、硅酸盐水泥熟料、激发剂、石膏调凝剂、矿物掺和料组成。下面，将结合实施例来说明本发明的实施方案。
实施例1通过将各成分按上述制备方法进行粉磨成粉体，然后按下述重量比例进行混合而成。
煤矸石 50％硅酸盐水泥熟料 41％特种激发剂 6％石膏调凝剂 3％矿物掺和料 0本实施例制备的复合水泥可以达到42.5强度等级，水泥早期、后期强度发展均较好，耐久性也十分优异。
实施例2通过将各成分按上述制备方法进行粉磨成粉体，然后按下述重量比例进行混合而成。
煤矸石50％硅酸盐水泥熟料20％激发剂7％石膏调凝剂3％矿物掺和料20％本实施例制备的复合水泥可以达到32.5强度等级，水泥早期、后期强度发展平缓，水化热十分低。
实施例3通过将各成分按上述制备方法进行粉磨成粉体，然后按下述重量比例进行混合而成。
煤矸石40％硅酸盐水泥熟料20％激发剂7％石膏调凝剂3％矿物掺和料30％本实施例制备的复合水泥可以达到32.5强度等级以上，水泥早期、后期强度发展较好，水化热低，耐久性优异。
上述实施例中，所用的激发剂可以由氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钠、硅酸钾钠等组成；所用的石膏调凝剂可以是半水石膏或二水石膏等；所用的矿物掺和料可以用粉煤灰、矿渣微粉、石灰石粉、硅灰等。
权利要求
1.一种大掺量煤矸石复合水泥，其特征在于由煤矸石、硅酸盐水泥熟料、特种激发剂、石膏调凝剂、矿物掺和料组成，各组分重量百分比为煤矸石20-80％硅酸盐水泥熟料20-50％激发剂2-10％石膏调凝剂0-5％矿物掺和料0-30％上述各组分总量之和满足100％。
2.根据权利要求1所述的复合水泥，其特征在于所说的激发剂由氢氧化钠、氢氧化钙、硅酸钾钠、硅酸钠组成。
3.根据权利要求1所述的复合水泥，其特征在于所说的石膏调凝剂为二水石膏或半水石膏。
4.根据权利要求1所述的复合水泥，其特征在于所说的矿物掺和料为粉煤灰、矿渣微粉、石灰石粉、硅灰之一种或几种。
5.一种大掺量煤矸复合水泥的制备方法，其特征在于具体步骤如下首先将大块状的煤矸石在破碎机破碎细粒，然后在高温煅烧炉中煅烧，煅烧温度在600℃-1000℃之间，升温时间控制在40-60分钟内，煅烧时间控制在1.5-2.5小时，当恒温至规定时间时出料，并在空气中自然冷却，最后用球磨机粉磨至所要求的细度，比表面积控制在300-400m2/kg；激发剂也用球磨机粉磨至所要求的细度，比表面积控制在300-400m2/kg左右。激发剂按用量比例在煤矸石煅烧前加入，或在煅烧后加入；将经过煅烧的硅酸盐水泥熟料与石膏按用量比例在球磨机中粉磨至所要求的细度，比表面积控制在300-400m2/kg；将选定的矿物掺和料(如粉煤灰或水淬矿渣)在球磨机中粉磨至所需的细度，比表面积控制在300-400m2/kg左右；最后，将煤矸石粉料、水泥熟料粉料、矿物掺和料粉料按规定的用量比例进行混合制成大掺量的煤矸石复合水泥。
全文摘要
本发明为一种大掺量煤矸石复合水泥，由煤矸石、硅酸盐水泥熟料、激发剂、石膏调凝剂、矿物掺和料按适当的重量配比经一定的工艺混合组成。其中煤矸石的含量为20－80％的重量比。本发明的复合水泥的和稠度、凝结时间、安定性等物理性能指标均满足国家标准和行业要求。并具有高强度、优异耐久性、低环境负荷的特征，可适用于制造各种混凝土构筑物，特别适用于大体积混凝土构筑物。
文档编号C04B7/04GK1546410SQ200310108988
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月1日 优先权日2003年12月1日
发明者王培铭, 蒋正武, 孙振平 申请人:同济大学