专利名称：一种单组分碱激发水泥的制备及其使用方法
技术领域：
本发明属于新型水泥材料领域，具体涉及一种单组分碱激发水泥的制备及其使用方法。
背景技术：
2011年我国水泥产量达20. 63亿吨，其中绝大部分是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥煅烧温度达1450°C，能耗物耗高、碳排放高、环境污染严重、耐酸耐蚀和耐久性差，且消耗大量的优质石灰岩资源，应逐渐限制与减少其使用。水泥的发展趋势要求其原料来源广、高废物利用、低能耗、低资源消耗、低污染、低碳排放且耐久性和耐腐蚀性好。最近研究比较活跃的碱激发水泥是由强碱盐的水溶液与活性固体氧化物粉末组成的双组分水泥，根据胶凝机理的差别主要有碱矿渣水泥和地聚物水泥两个基本类型。碱矿渣水泥的典型组元为R-M-A-S， 其固体粉末为水淬高炉矿渣磨细粉。前苏联的应用实践和蒲心诚等在国内的研究都证明，碱矿渣水泥具有高强、快硬、抗渗、耐久、耐蚀、低碳排放和对集料要求低等明显优于硅酸盐水泥的性能。从组成比较，碱矿渣水泥的需碱量以Na2O计约为5%左右，为地聚物水泥需碱量的1/2-1/3，需铝量也更低；其组成比更接近地壳，原料更加丰富；而其常温养护的早期强度上升快，后期强度持续升高，最终强度也很高，常温养护90天的抗压强度达到160MPa，故该类水泥的潜在优势明显。但矿渣是在炼铁高炉中1400-1600°C高温熔融后水淬冷却获得的，人造矿渣能耗高，而炼铁副产矿渣产量不能满足水泥需求，且其组成随炼铁的需要而变化，当大掺量加入制备碱矿渣水泥时会使水泥性质不稳定(注R-—价碱金属氧化物，M- 二价碱土金属氧化物，A-Al2O3, S-SiO2, C-CaO, H-H2O, N-Na2O)。
发明内容
本发明的第一个目的在于克服上述碱矿渣水泥的不足，提供一种在化学成分与矿渣类似的原料中加入R组分，在低于矿渣熔融的温度下煅烧得到单组分碱激发R-M-A-S水泥的制备方法。本发明方法包括如下顺序的步骤(I)准备原料I和原料2 :原料I为含Si02、Al203和CaO的物质，为玻璃体，或者为一种矿物或几种矿物的混合物，要求是需磨细到粒度为200目筛余物的质量比=10% ;原料2是在煅烧条件下能分解出游离的碱金属氧化物的物质；(2)生料配料将原料I与原料2按一定的比例混合；(3)生料煅烧将步骤(2)所得混合物在950°C 1200°C保温煅烧I. 5 3小时后，将煅烧产物趁热迅速从高温炉中取出快速冷却至室温；将冷却所得熟料重新磨细即得到单组分碱激发水泥，水泥粉细度要求为200目筛余物的质量比=10%。更进一步的要求是，步骤(I)中所述原料I的组成成分满足其在1100°C烧灼至恒重后，Al203+Si02+Ca0的质量兰烧后总质量的85%，并且，总质量的35% ^ Al2O3的质量兰总质量的5%。
所述原料I优选为硅铝质粘土原料与钙质原料混合而成。步骤(I)中所述原料2优选为水溶性碳酸钠或氢氧化钠。 步骤(2)中，所述原料I与原料2的混合比例应满足使混合后的物料在1100°C及以上的温度下煅烧至恒重后，产物的各组分的质量占总质量的百分比分别是=Al2O3为8 25%, SiO2 为 24 55%，CaO 为 10 55%，Na20+0. 658K20 为 6 25%。步骤(2)中，原料I与原料2的混合方式是以一起研磨的方式混合均匀；或者，研磨后的原料I的粉末与溶解在水中的原料2进行固液混合，搅拌达到混合均匀；其中，优选为第二种混合方式。步骤(3)中，当原料I中的钙质以游离的CaO和或Ca(OH)2的形式存在时，煅烧温度可低至950°C ;当原料I中的钙质以CaCO3的形式存在时煅烧温度需会1100°C。
本发明的第二个目的是提供上述单组分碱激发R-M-A-S水泥的使用方法，具体为水泥净浆试块制备与养护方法将上述步骤(3)所得水泥粉以一定的水灰比掺入干净的水混合均匀，水灰比为0. 25 0. 4，在满足可振动密实的条件下尽量取低值；将混合好的浆体移入模具中成形并振动密实，接着在50 80°C保湿养护2 3天得到水泥净浆试块，在常温保湿的条件下继续养护可进一步提高试块的强度。为了改善单组份碱激发水泥的性能，还可以在上述水泥粉与水的混合物料中加入各种集料和惰性增强料。本发明大幅度扩展了碱激发水泥的原料范围，各种含铝硅酸盐矿物均可作为该种碱激发水泥的硅铝质原料，而易于磨细与活化的粘土质岩石更成为水泥的首选原料。本发明的单组分碱激发水泥与双组分碱矿渣水泥相比，不仅存贮、运输与使用均更方便，且其成分更易于控制，故性能将更加稳定。本发明还具有重大的潜力，一方面，可期望制备的水泥有更高的胶凝活性。在单组分N-C-A-S系统中，由于常见粘土中各种共生矿物及惰性石英均可在煅烧时转变成活性碱铝硅酸盐，从而实际上提高了粘土的胶凝活性，使所制备的熟料的水化胶凝性能得到提高。另一方面，本发明可望降低成本。单组分N-C-A-S水泥的煅烧温度低于矿渣与硅酸盐水泥。且煅烧时生成可溶性的碱铝硅酸盐，与水作用时铝硅酸盐碱溶液溶解活性非晶相与玻璃体而凝胶，不需要再加入水玻璃。天然粘土岩中多含有一定量的碱金属元素，如以粘土矿物为主要组成矿物的页岩中Na2CHK2O的平均含量达4. 5%，若按碱矿渣水泥的需碱量5%计算，以页岩作为原料制备单组分碱激发水泥几乎不需外加工业碱。此三者均将使制备成本与能耗较碱矿渣水泥进一步大幅度降低。
具体实施例方式下面结合具体实验实例对本发明作进一步详细的描述。本发明实施例中所用设备为常规设备，所用原料为常规原料。本发明实施例中的原料I分别由三种含硅铝氧化物的原料萍乡高岭土、宁乡高岭土及临澧膨润土与钙质原料混合而得。前者的化学组成如表I所示；钙质原料为含Ca (OH)2达93%的熟石灰或含CaCO3达97%的双飞粉。原料2有99%Na0H和99%Na2C03两种。原料2溶于水配成液浆与已球磨至粒径为200目筛余小于总质量的10%的原料粉I均匀混合成泥浆状，然后在950 1200°C的温度下煅烧I. 5 3小时得到熟料，再将迅速冷却后的熟料粉球磨至细度为200目筛余占总质量的比例为10%的熟料粉。将熟料粉与水混合在水泥净浆搅拌机中搅拌2 5分钟后，浇注到40X40X40mm3的钢模中成型。振动密实后在3 90%的湿度和50 80°C的温度下养护2 3天制得单组份碱激发水泥净浆试块。各实例配方和工艺参数详见表2，各对应实例试块的抗压强度和软化系数等性能数据详见表3。表2与表3表明所制得的单组份碱激发水泥的2天抗压强度与3天抗压强度相接近。继续常温养护，强度持续增长。28天最大强度达52. 7MPa，水泥净浆试块的软化系数在0. 67 I. 39之间，平均为0. 9，可见，本发明水泥有良好的耐水性和综合性能，具有很好的应用潜力。表I三种娃招质粘土的化学组成单位wt%
权利要求
1.一种单组分碱激发水泥的制备方法，其特征在于包括如下顺序的步骤 (1)准备原料I和原料2:原料I为含Si02、Al203和CaO的物质，为玻璃体，或者为一种矿物或几种矿物的混合物，要求是需磨细到粒度为200目筛余物的质量比=10%;原料2是在煅烧条件下能分解出游离的碱金属氧化物的物质； (2)生料配料将原料I与原料2按一定的比例混合； (3)生料煅烧将步骤(2)所得混合物在950°C 1200°C保温煅烧I.5 3小时后，将煅烧产物趁热迅速从高温炉中取出快速冷却至室温；将冷却所得熟料重新磨细即得到单组分碱激发水泥，水泥粉细度要求为200目筛余物的质量比=10%。
2.根据权利要求I所述的单组分碱激发水泥的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述原料I的组成成分满足其在1100°C烧灼至恒重后，Al203+Si02+Ca0的质量3烧后总质量的85%，并且，总质量的35% ^ Al2O3的质量兰总质量的5%。
3.根据权利要求2所述的单组分碱激发水泥的制备方法，其特征在于所述原料I优选为硅铝质粘土与钙质原料混合而成。
4.根据权利要求I所述的单组分碱激发水泥的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述原料2优选为水溶性碳酸钠或氢氧化钠。
5.根据权利要求I所述的单组分碱激发水泥的制备方法，其特征在于步骤(2)中，所述原料I与原料2的混合比例应满足使混合后的物料在1100°C及以上的温度下煅烧至恒重后，产物的各组分的质量占总质量的百分比分别是=Al2O3为8 25%，SiO2为24 55%，CaO 为 10 55%, Na20+0. 658K20 为 6 25%。
6.根据权利要求I所述的单组分碱激发水泥的制备方法，其特征在于步骤(2)中，原料I与原料2的混合方式是以一起研磨的方式混合均匀；或者，研磨后的原料I的粉末与溶解在水中的原料2进行固液混合，搅拌达到混合均匀；其中，优选为第二种混合方式。
7.根据权利要求I所述的单组分碱激发水泥的制备方法，其特征在于步骤(3)中，当原料I中的钙质以游离的CaO和或Ca(OH)2的形式存在时，煅烧温度可低至950°C ;当原料I中的钙质以CaCO3的形式存在时煅烧温度需会1100°C。
8.—种如权利要求I所述单组分碱激发水泥的使用方法，其特征在于具体为水泥净浆试块制备与养护方法将步骤(3)所得水泥粉以一定的水灰比掺入干净的水混合均匀，水灰比为0. 25 0. 4，在满足可振动密实的条件下尽量取低值；将混合好的浆体移入模具中成形并振动密实，接着在50 80°C保湿养护2 3天得到水泥净浆试块，在常温保湿的条件下继续养护可进一步提高试块的强度。
9.根据权利要求8所述的单组分碱激发水泥的使用方法，其特征在于在所述水泥粉与水的混合物料中加入各种集料和惰性增强料。
全文摘要
本发明属于新型水泥材料领域，具体涉及一种单组分碱激发水泥的制备及其使用方法。本发明的技术要点是，由含SiO2、Al2O3及CaO的原料1与含Na2O的原料2按比例混合，该比例应使混合物料在≥1100℃下的煅烧产物的各组分的质量占总质量的百分比分别是Al2O3为8～25%，SiO2为24～55%，CaO为10～55%，Na2O+0.658K2O为6～25%。混合物在950～1200℃煅烧1.5～3h后磨细即得到水泥粉。水泥粉加水混合成浆后在50～80℃养护2～3天即得强度良好的水泥净浆试块；继续常温养护则强度持续增长。本发明大幅度扩展了碱激发水泥的原料范围，水泥存贮、运输与使用均更方便，并可望提高水泥的胶凝活性及降低成本。
文档编号C04B7/38GK102730996SQ20121023841
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者卢爱军, 彭美勋, 易亚, 王正红, 王玲, 申少华, 肖秋国, 董颖艳, 陈勇 申请人:湖南科技大学