制造辅助胶凝材料(SCMs)的方法与流程

文档序号:11244362

本申请是申请日为2013年3月11日,发明名称为“制造辅助胶凝材料(scms)的方法”的中国专利申请2013800137440的分案申请。

本发明涉及一种制造辅助胶凝材料(scms)即火山灰的方法。

粉煤灰是一种辅助胶凝材料,其用于混凝土,砂浆和其它含水泥混合物的生产之中。粉煤灰是燃煤电厂的副产品,且每年在世界范围内有着巨大的产量。

在瑞典专利no532790中描述了一种消除由于燃煤化学成分和煤燃烧的工艺参数变化导致的粉煤灰质量波动方法。火山灰的处理工艺,即如专利方法的粉煤灰,显著地提高了混凝土的性能,并提供了更高等级的标准波特兰水泥替代量,这带来了显著的经济和环境效益。

粉煤灰通常含有约85%的微珠颗粒形式的玻璃态、无定形组分。根据astmc618,粉煤灰被分为两大类,c级和f级。f级粉煤灰通常包含按重量计含大于70%的氧化硅、氧化铝和铁氧化物,而c级的含量通常在70%-50%之间。f级是烟煤燃烧时产生的副产物。c级粉煤灰具有较高的钙含量,且是亚烟煤燃烧时产生的副产物。

深入研究证实,与不含粉煤灰的波特兰水泥混凝土相比,波特兰水泥被粉煤灰以超过50%的程度取代的高粉煤灰含量混凝土表现出更高的长期强度发展,较低的水渗透性和气体渗透性,高的氯离子耐受性等等。

同时高粉煤灰含量混凝土存在明显的缺点。一个缺点是在0到28天时段期间长的固化时间和非常慢的强度发展。在美国,这些负面效果将用以取代波特兰水泥的粉煤灰水平降低至平均为约15%。

严重的问题还涉及粉煤灰性能的稳定性。通常煤的化学组成的变化和锅炉操作参数的频繁改变特别引起晶相和准晶相(所谓的熔渣)的形成,这导致粉煤灰反应性(所谓的凝硬活性)的降低。

历史上,石灰石-火山灰混合物已经被2000多年前的古代罗马人使用,并且很多的古建筑物例如古罗马竞技场仍处于良好的状态。同时,尽管根据美国地质调查局的研究,数十亿吨天然火山灰发现于美国西部和世界其他大部分地区,在现代建筑工业中,在混凝土中使用天然火山灰仍是非常有限的。

天然火山灰属于火山起源和沉积成因的材料,如硅藻土。根据astmc618,其被认定为n级火山灰。天然火山灰在aci232.1r-00中的描述如下:“符合本文等级适用要求的原始或煅烧天然火山灰,如一些硅藻土;乳白燧石和页岩;凝灰岩和火山灰烬或浮石,其中任何一种都可能经煅烧处理或可能不经煅烧处理;并且很多材料需要煅烧以得到令人满意的性能,如某些粘土或页岩”。

使用天然火山灰的原因是非常有限,可做说明如下。

天然火山灰颗粒的微观结构的特征在于高孔隙率,这显著增加了含天然火山灰的混凝土的需水量,以实现所需的混凝土流动性/可加工性。然而,对水需求的增加导致不能令人满意的压缩强度发展。

另外,活性矿物(即无定形材料)的不均匀分布(例如由于风化),对含天然火山灰的混凝土的负面强度发展具有进一步的和不可接受的负面影响。

需要优化天然火山灰的粒径分布,以达到高火山灰含量的混凝土的一致性能。优化的颗粒分布是这样的:存在细和粗粒级。

根据美国混凝土学会aci232.1r-00的报告“在混凝土中使用原始或经处理的天然火山灰,天然火山灰的性质可以明显改变,这取决于它们的起源和因此化学活性矿物的可变比例。化学活性矿物通常含有无定形材料(例如无定形二氧化硅),其与波特兰水泥水化时释放的氢氧化钙反应(火山灰反应),并形成钙-硅酸盐-水合物凝胶[c-h-s凝胶],这是一种与波特兰水泥水化的所得产物类似的产物。

本发明解决了在混凝土中使用天然火山灰的问题。

因此,本发明涉及用于替代在砂浆和混凝土的生产中的波特兰水泥的辅助胶凝材料的制造方法,其中胶凝材料包括岩石和灰烬和沉积成因形式的天然火山灰,如硅藻土。

本发明的特征在于,通过在研磨设备中的研磨,对处于粉碎状态的所述火山灰进行高能机械加工,由此火山灰颗粒接受机械脉冲,且特征在于进行预定时间的研磨,导致包含80%波特兰水泥和20%天然火山灰、与标准砂的比例为1:2.75、还包含按照美国标准astmc109获得砂浆流所需的水的边长2英寸的砂浆立方体,在振动下合适地压实并在+20℃下在密封条件下硬化,在28天后的压缩强度≥包含波特兰水泥:砂比例为1:2.75且包含对应于波特兰水泥重量48.5%的水、且如所述立方体那样处理的边长2英寸立方体的压缩强度的75%。

该测试对应于美国标准astmc109。

将在下文中更详细地描述本发明。

本发明涉及一种制造用于替代在砂浆和混凝土的生产中的波特兰水泥的辅助胶凝材料的方法,其中胶凝材料包括火山起源和沉积成因的岩石和灰烬形式的天然火山灰,如硅藻土。

根据本发明,通过在研磨设备中的研磨,对处于粉碎状态的所述火山灰进行高能机械加工,由此火山灰颗粒接受机械脉冲。

研磨导致其表面性质改变(形式为表面孔隙率降低),以及与由水泥水化产生的碱性介质的化学反应性的改善。已经观察到,对火山灰颗粒的处理使颗粒表面发生局部熔化,由此产生具有高的无定形化程度的区域。通过这种处理,可以观察到,当用如此处理过的天然火山灰替代包含波特兰水泥、火山灰、砂和水的水泥浆体、砂浆和混凝土中的部分波特兰水泥时,天然火山灰表现出令人惊奇的优异效果。

进一步根据本发明,进行预定的时间研磨,导致包含80%波特兰水泥和20%天然火山灰、与标准砂的比例为1:2.75、且还包含按照美国标准astmc109获得砂浆流所需的水的边长2英寸的砂浆立方体,在振动下合适地压实并在+20℃下在密封条件下硬化,在28天后的压缩强度≥包含波特兰水泥:砂比例为1:2.75且还包含对应于波特兰水泥重量48.5%的水、且如所述立方体那样处理的边长2英寸立方体的压缩强度的75%。

根据astmc109,获得砂浆流体的需水量可变化,但大约是波特兰水泥和火山灰重量的40%-50%。

当使用天然火山灰时的压缩强度对应于共用粉煤灰和波特兰水泥时获得的强度。

本发明可以使用不同类型的研磨设备实现,例如介质研磨装备,如搅拌的、离心的、滚筒球磨,或非介质碾磨设备,如喷射的、冲击的、具有施加经受加工的颗粒的主导剪切机械脉冲并结合有空气分级的碾压机。

可以使火山灰在研磨设备中经受研磨,该研磨设备对于所研磨的材料采用开路循环或闭路程序(circuit)。

优选的粒径分布是:

≤5微米15-50%,

≤10微米30-65%

≤30微米90-95%。

根据优选的实施方案,在火山灰的所述加工期间或之后,将波特兰水泥、f级或c级粉煤灰、细石英、花岗岩采石场细粉、再生混凝土或高炉炉渣的细粒级或其混合物添加到所述火山灰中。

根据另一个优选的实施方案,使波特兰水泥、f级或c级粉煤灰、细石英、花岗岩采石场细粉、再生混凝土或高炉炉渣的细粒级或其混合物经受预研磨,以得到45微米的筛余小于5%的细度。

根据又一优选的实施方案,在火山灰的所述研磨工艺期间或之后,以粉末的形式向所述火山灰中加入减水剂、固化时间调节剂和强度促进混合物。

优选在混凝土或砂浆中,所述火山灰对替代波特兰水泥的替代是15%-约70%。

还优选在所述研磨设备中研磨火山灰,以实现30微米的筛余小于5%的最终产品细度。

本发明的若干实施方案已在上面描述。然而,本发明并不限于上述的示例性实施方案,而是可以在权利要求的范围内进行变化。

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