本发明涉及水泥工业生产技术和工业固体废弃物综合利用领域，具体涉及一种改性硅酸盐水泥熟料及其制备方法。
背景技术：
：水泥是世界上用量最大的工业产品之一。硅酸盐水泥熟料烧成温度高，消耗大量优质石灰石资源，还会产生大量co2温室气体和sox、nox等有害气体。同时硅酸盐水泥熟料矿物组成主要为c3s、c2s、c3a和c4af，硅酸盐水泥早期强度较低、凝结时间长，水化后期可能产生收缩裂痕，影响水泥的力学性能。硫铝酸盐水泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀和低碱度等优良特性；硫铝酸盐水泥配置的混凝土抗渗性和抗裂性能好，长期强度稳定增长，耐久性良好。建筑工程的水泥技术正在向高强度、高流动性的方向发展，但是随着胶凝材料用量增大，水泥水化热高、收缩率大等一系列问题也更加突出，水泥施工中的裂缝控制难度也随着增大。对于大体积水泥，水泥凝结硬化期间水泥水化产生的水化热不易传导到外界，这些热量会导致水泥内部温度不断上升，内外温差将在水泥表面产生很大的拉应力，当这部分拉应力超过水泥的抗拉强度时，会在水泥表面产生裂缝。冷拌式水泥乳化沥青混凝土是将水泥、乳化沥青、级配碎石和水经冷拌、冷铺和碾压后形成，该材料由于沥青的粘结和水泥的凝固共同作用构成的复合力，形成一种兼具水泥混凝土刚性和沥青混合料柔性的新型路面材料，具有良好的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性，能够延长道路使用寿命。工业石膏的主要成分为硫酸钙，含有磷、氟、有机物等多种有害杂质。工业石膏中的有害杂质使其性能不如天然石膏，从而限制了其应用范围及规模。工业石膏主要用于石膏建材制品、化肥工业、陶瓷装饰材料及土壤改良剂等方面，综合利用率较低，长期大量堆积，不仅浪费土地资源，而且易造成环境污染境。技术实现要素：本发明的目的是针对普通硅酸盐水泥性能缺陷，提供一种改性硅酸盐水泥熟料及其制备方法，制备一种早期强度高、后期强度增长率高，凝结时间快，烧成温度低，体积收缩小的改性硅酸盐水泥熟料。一种改性硅酸盐水泥熟料，熟料矿物组成为60～70％c3s、10～20％c2s、5～10％c4af、3～8％f-cao含量控制为0.5～1.5％，立升重控制为1280～1400g/l，熟料硅酸盐矿物总量大于70％。所述的的改性硅酸盐水泥熟料的化学组成为60～70％cao、19～26％sio2、4.5～7.0％al2o3、1.5～3.5％fe2o3、1.5～3.5％so3和少量其他氧化物。所述的改性硅酸盐水泥熟料采用生料的原料组成为75～85％石灰石、1～15％硅质原料、0.5～15％铝质原料、0.5～3％铁质原料、2～5％工业石膏。水泥生料中，石灰石cao控制为48～53％；所述硅质原料选自硅石、砂岩、页岩或炉渣中的一种或多种，硅质原料sio2控制为65～90％；所述铝质原料选自粘土、页岩、高岭土、煤矸石或粉煤灰中的一种或多种，铝质原料al2o3控制为15～25％；所述铁质原料选自硫酸渣、转炉渣、铁矿石或铁尾矿中的一种或多种，铁质原料fe2o3控制为40～70％；所述工业石膏为脱硫石膏、磷石膏、氟石膏或盐石膏中的一种或多种，工业石膏so3控制为30～48％。本发明提供一种改性硅酸盐水泥熟料及其制备方法，具体包括以下步骤：通过破碎、均化、配料、烘干、粉磨制成水泥生料，将水泥生料送入预分解窑进行预热、分解、高温煅烧，再经过篦冷机快速冷却制备成改性硅酸盐水泥熟料，具体为：(1)将石灰石、硅质原料、铝质原料、铁质原料、工业石膏等原材料分别破碎至粒径≤70mm，并经过预均化后储存；(2)将石灰石、硅质原料、铝质原料、铁质原料、工业石膏等原材料按合适比例混合均匀，送至烘干兼粉磨系统进行粉磨，筛选粉磨后的合格成品得到水泥生料储存于生料均化库；(3)将均化后的生料送至预分解窑，在预热器内预热分解，然后在回转窑内高温煅烧，煅烧温度为1300～1350℃，煅烧时间为8-10min，得到液相量为20-30％的部分熔融状的物料，利用篦式冷却机将出窑物料快速冷却。步骤(2)中水泥生料的水分含量≤1.0wt％，20mm方孔筛筛余物≤2.0wt％。步骤(3)中预热器为两列5级悬浮预热器，分解炉规格为φ7.5*31m，预分解窑规格为φ4.8*74m，篦式冷却机规格4.2*34m；预热分解系统中一级筒出口温度为280～300℃，分解炉出口温度为820～850℃，回转窑煅烧温度1300～1350℃，篦冷机冷却熟料至环境温度+65～100℃；在预热分解系统中增加了脱硫净化装置，可避免工业石膏高温分解产生的so3污染空气；在预热分解系统中设置了旁路放风系统，可避免生料中的挥发性组分造成系统结皮堵塞。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1.本发明制备的熟料主要矿物组成为c3s、c2s、c4af、具有早期强度高、后期强度增长率高，凝结时间短，烧成温度低，体积收缩小等优点。硫铝酸盐矿物具有水化速度快、早期强度高和耐久性好等优点，将硫铝酸盐矿物()引入硅酸盐水泥熟料中，将显著改善传统硅酸盐水泥的性能。2.本发明生料配料过程中利用工业石膏代替部分石灰石，工业石膏含有硫、铝、铁等多种微量元素的富氧矿物，有助于增加熟料液相量、降低液相粘度，降低熟料煅烧温度，有利于促进熟料中硅酸三钙和硫铝酸钙矿物形成。生料系统组分增多，降低了物料最低共熔温度，使熟料煅烧时提前出现液相，降低了熟料煅烧温度。水泥生料中富氧矿物含量增加，物料达到共熔温度后液相量增加，液相粘度降低，氧化钙和硅酸二钙溶解于液相中，生成硅酸三钙和硫铝酸钙。3.本发明预热分级系统增设了旁路放风系统，可避免生料中的挥发性组分循环富集造成系统结皮堵塞，旁路窑灰可作为混合材使用。生料中的碱、氯、硫等挥发性物质在预热系统中循环富集，冷却融结形成表面粘结的纤维状或网状交织物，可能引起系统结皮堵塞，需要在窑尾和预热器之间设置旁路放风装置抽出部分烟气放掉，减少挥发性组分的循环和富集。4.本发明利用工业石膏代替部分石灰石，减少水泥工业对优质石灰石的消耗，降低co2温室气体排放量，符合国家节能减排环保政策。水泥生料中利用工业石膏代替部分石灰石，工业石膏分解产生氧化钙和sox，不会产生co2气体，大部分sox与氧化钙生产硫铝酸钙矿物。5.本发明大量消耗煤矸石、铁尾矿及工业石膏等工业固体废弃物，真正变废为宝，有利于保护和改善生态环境，具有重要的经济效益、社会效益与环境效益。具体实施方式下面结合实施例来进一步对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例1利用改性硅酸盐水泥熟料的制备方法，在葛洲坝荆门水泥有限公司新型干法预分解窑进行试验，具体的操作步骤为：(1)将石灰石破碎至70mm方孔筛筛余＜10％，预均化后储存于石灰石堆棚，将页岩、高岭土、硫酸渣等原料均化后储存于联合储库。(2)将82％石灰石，8％页岩，8％高岭土和2％铁粉按质量分数的比例混合均匀，其中控制石灰石cao为51～52％，页岩sio2为68～70％，高岭土al2o3为16～20％，硫酸渣fe2o3为65～70％。(3)将上述混合物料送入立磨中进行烘干粉磨，筛选其中水份含量≤1.0wt％，20mm方孔筛筛余≤2.0wt％的成品作为水泥生料，送入生料均化库储存。(4)将均化后的生料喂入预热器和分解炉内预热分解，预热器为两列5级悬浮预热器，分解炉规格为φ7.5*31m，控制一级筒出口温度为300℃，分解炉出口温度为850℃；然后物料在回转窑中高温煅烧，预分解窑规格为φ4.8*74m，控制煅烧温度为1450℃；物料经4.2*34m篦式冷却机快速冷却至100℃得到硅酸盐水泥熟料。控制熟料指标为f-cao在0.5～1.5％，立升重在1280～1350g/l。熟料率值范围为：kh＝0.92±0.02，sm＝2.65±0.1，im＝1.55±0.1。其中实施例1中原料的化学成分见表1-1：名称losssio2al2o3fe2o3caomgoso3k2ona2o石灰石40.904.021.460.4851.360.560.050.360.07页岩10.6568.635.471.1311.810.480.061.40.35高岭土6.7261.8517.875.081.971.040.430.790.44铁粉1.7217.372.7566.074.762.743.470.370.29实施例1中熟料化学分析结果见表1-2：实施例1中熟料物理性能见表1-3：种类初凝/min终凝/min标准稠度/％3天抗压/mpa28天抗压/mpa熟料1101602533.256.4实施例2利用改性硅酸盐水泥熟料的制备方法，在葛洲坝荆门水泥有限公司新型干法预分解窑进行试验，具体的操作步骤为：(1)将石灰石破碎至70mm方孔筛筛余＜10％，预均化后储存于石灰石堆棚，将页岩、高岭土、硫酸渣、磷石膏等原料均化后储存于联合储库。(2)将78％石灰石，10％页岩，8％高岭土，1％铁粉和3％磷石膏按质量分数的比例混合均匀，其中控制石灰石cao为51～52％，页岩sio2为68～70％，高岭土al2o3为16～20％，硫酸渣fe2o3为65～70％，磷石膏so3为35～42％。(3)将上述混合物料送入立磨中进行烘干粉磨，筛选其中水份含量≤1.0wt％，20mm方孔筛筛余≤2.0wt％的成品作为水泥生料，送入生料均化库储存。(4)将均化后的生料喂入预热器和分解炉内预热分解，预热器为两列5级悬浮预热器，分解炉规格为φ7.5*31m，控制一级筒出口温度为290℃，分解炉出口温度为840℃；然后物料在回转窑中高温煅烧，预分解窑规格为φ4.8*74m，控制煅烧温度为1350℃；物料经4.2*34m篦式冷却机快速冷却至85℃得到改性硅酸盐水泥熟料。控制熟料指标为f-cao在0.5～1.5％，立升重在1280～1400g/l。熟料率值范围为：kh＝0.86±0.02，sm＝3.2±0.1，im＝2.0±0.1。其中实施例2中原料的化学成分见表2-1：名称losssio2al2o3fe2o3caomgoso3k2ona2o石灰石40.904.021.460.4851.360.560.050.360.07页岩10.6568.635.471.1311.810.480.061.40.35高岭土6.7261.8517.875.081.971.040.430.790.44磷石膏19.537.161.730.4429.990.0840.190.630.05铁粉1.7217.372.7566.074.762.743.470.370.29实施例2中熟料化学分析结果见表2-2：实施例2中熟料物理性能见表2-3：种类初凝/min终凝/min标准稠度/％3天抗压/mpa28天抗压/mpa熟料901402538.165.2将实例2与实例1比较可知，在生料中加入3％的磷石膏可使熟料煅烧温度大概降低100℃，制备的改性硅酸盐水泥熟料早期强度高，后期强度增进率较高，熟料凝结速度较快。实施例3利用改性硅酸盐水泥熟料的制备方法，在葛洲坝荆门水泥有限公司新型干法预分解窑进行试验，具体的操作步骤为：(1)将石灰石破碎至70mm方孔筛筛余＜10％，预均化后储存于石灰石堆棚，将页岩、高岭土、硫酸渣、磷石膏等原料均化后储存于联合储库。(2)将75％石灰石，8％页岩，10％高岭土，2％铁粉和5％脱硫石膏按质量分数的比例混合均匀，其中控制石灰石cao为51～52％，页岩sio2为68～70％，高岭土al2o3为16～20％，硫酸渣fe2o3为65～70％，磷石膏so3为40～45％。(3)将上述混合物料送入立磨中进行烘干粉磨，筛选其中水份含量≤1.0wt％，20mm方孔筛筛余≤2.0wt％的成品作为水泥生料，送入生料均化库储存。(4)将均化后的生料喂入预热器和分解炉内预热分解，预热器为两列5级悬浮预热器，分解炉规格为φ7.5*31m，控制一级筒出口温度为280℃，分解炉出口温度为830℃；然后物料在回转窑中高温煅烧，预分解窑规格为φ4.8*74m，控制煅烧温度为1350℃；物料经4.2*34m篦式冷却机快速冷却至90℃得到改性硅酸盐水泥熟料。控制熟料指标为f-cao在0.5～1.5％，立升重在1280～1400g/l。熟料率值范围为：kh＝0.84±0.02，sm＝2.7±0.1，im＝1.5±0.1。其中实施例3中原料的化学成分见表3-1：实施例3中熟料化学分析结果见表3-2：实施例3熟料物理性能见表3-3：种类初凝/min终凝/min标准稠度/％3天抗压/mpa28天抗压/mpa熟料1001452537.864.7将实例3与实例1比较可知，在生料中加入5％的脱硫石膏可使熟料煅烧温度大概降低100℃，制备的改性硅酸盐水泥熟料早期强度高，后期强度增进率较高，熟料凝结速度较快。当前第1页12