一种改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料及其制备方法，该材料的原料为按照质量比为70-100：0-30的玻璃尾砂和改性辅料；所述改性辅料为钙质材料或钙镁质材料或二者任意质量比的混合物；将所有原料混合后，采用机械粉磨、水热、低温煅烧和水热-煅烧中的任意一种方法处理即得。本发明通过对玻璃尾砂进行表面改性，着力提高玻璃尾砂表面胶凝性，降低水泥基材料收缩变形和提高早期力学性能。本发明充分利用工业废弃物玻璃尾砂、电石渣、菱镁矿尾矿等，开发新型水泥基辅助性胶凝材料，可减少水泥熟料用量，延长水泥基材料使用寿命，间接降低生产水泥能耗、减少二氧化碳排放，对节能减排和水泥混凝土工业的可持续发展具有重要意义。
【专利说明】一种改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于建筑材料领域，涉及用于水泥基材料，特别涉及一种利用玻璃尾砂制备水泥基辅助性胶凝性材料的方法。
【背景技术】
[0002]2013年，中国水泥产量达到24.1亿吨，广泛应用于工业、农业、国防、城市建设、水利以及海洋开发等工程建设中，有力地支撑了我国经济和社会的快速发展，然而，水泥工业是我国能源资源消耗最大的行业之一，约占全国能源消耗总量的5%，颗粒物排放量约占工业排放总量的30%左右，这就对我国工业能源、资源和环保的压力进一步加剧。受高能耗影响的水泥工业加剧了全社会对资源、能源和环境的压力，同时又制约了水泥工业的可持续发展，而降低水泥产量途径在目前国民经济建设是不可行的。
[0003]国内外都注重在水泥中掺入工业废弃物或工业废渣作为辅助性胶凝材料，使用辅助性胶凝材料能降低水泥用量，延长水泥基材料使用寿命，提高水泥的应用效率，从而间接降低生产水泥能耗、减少CO2排放，目前中国通过制定标准使工业废渣在水泥中作为混合材的应用技术得到广泛应用，其作用在于一方面保护环境、变废为宝和可持续发展，另一方面调节水泥性能，改善水泥混凝土的耐久性，延长安全使用期，有较高的经济效益。但由于辅助性胶凝材料活性较低，导致水泥基材料早期强度低，限制了工业废渣的掺量及复合水泥的应用范围。只有通过提高水泥熟料的使用效率一在力学性能不受影响的前提下增加混合材或掺合料的掺入量， 但目前混合材或掺合料的品种还不够丰富，主要是以粒化高炉矿渣、粉煤灰等为主，由于国民经济建设需要，矿渣和粉煤灰在混凝土中也存在供不应求、价格上涨等因素。为了更为有效地利用工业废弃物，寻找新型水泥基混合材或掺合料即水泥基辅助性胶凝材料，并提高其活性，使之成为具有性能调节功能的水泥基辅助性胶凝材料越来越引起人们的重视。
[0004]本发明采用的玻璃尾砂主要是玻璃厂生产原料石英砂经粉碎筛选后的废弃物，主要成分是石英，S12含量大于85%。玻璃尾砂具有粒度细、数量大、可回收利用，具有二次资源与环境污染双重特性，为固体废料堆积，不仅占用土地，也会污染环境。我国对石英尾砂综合利用主要集中在用于聚醋酸乙烯酯涂料、作为配料生产水泥熟料、提取超高纯石英砂、生产陶粒等方面，然而生产的这些制品附加值低，受运距限制，不易实现大规模生产。
[0005]发明专利CN1887763A《一种预处理的黄河淤砂或淤泥、由其获得的凝石胶凝材料及它们的制备方法》和CN100567194C《一种利用铁尾矿生产混凝土活性掺合料的方法》均公开采用热液蚀变反应分别对黄河淤砂或淤泥和磁铁石英岩型铁矿铁尾矿进行改性，获得混凝土掺合料，目的是分别消耗黄河淤砂或淤泥和尾矿，降低混凝土的造价。这两个发明都是制备水泥基辅助性胶凝材料的方法，均没有涉及到玻璃尾砂，并且发明中提到的蚀变剂配料较为复杂；另外，发明专利CN100567194C中铁尾矿制备混凝土掺合料方法较单一，实际生产中也存在一定的难处。
【发明内容】
[0006]本发明目的是提供一种改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料及其制备方法，进一步拓宽新型水泥基辅助性胶凝材料的范围。本发明利用惰性材料玻璃尾砂进行改性，增加其表面胶凝性，减少水泥基材料收缩变形且增加水泥基材料的早期强度，达到消耗玻璃尾砂工业废弃物、减少生广水泥熟料、提闻水泥基材料耐久性，对实现节能减排和水泥混凝土工业的可持续发展有重要的理论意义和实用价值。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现:
一种改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料，原料为按照质量比为70-100:0-30的玻璃尾砂和改性辅料；所述改性辅料为钙质材料或钙镁质材料或二者任意质量比的混合物。
[0008]作为本发明进一步的方案:所述玻璃尾砂和改性辅料的质量比为70-90:10-30 ；所述玻璃尾砂的主要成分是石英，S12含量大于85%，取自玻璃厂生产玻璃的原料石英砂经粉碎筛选后的废弃物；钙质材料的主要成分为CaO，取自电化厂湿法乙炔生产PVC的副产品电石渣；钙镁质材料的主要成分为CaO和MgO，取自菱镁矿尾矿。
[0009]所述的改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料的制备方法:将所有原料混合后，采用机械粉磨、水热、低温煅烧和水热-煅烧中的任意一种方法处理，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料。
[0010]作为本发明进一步的方案:所述的改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料的制备方法，具体包括以下四种:
方法1:将玻璃尾砂在球磨机进行机械粉磨时间为30mirTlh，至颗粒粒径为80 μ m方孔筛筛余10wt%±2wt%为止，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料；
方法2:将玻璃尾砂和改性辅料放在搅拌机中，干料搅拌，然后对混合搅拌好的物料进行水热处理，水热温度控制在100° C~200° C，处理时间为4~12小时，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料；
方法3:将玻璃尾砂和改性辅料放在搅拌机中，干料搅拌，然后对混合搅拌好的物料在马弗炉或强热鼓风高温沸腾炉进行煅烧处理，煅烧温度控制在700° C~900° C，保温时间为0.5~2小时，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料；
方法4:将玻璃尾砂和改性辅料放在搅拌机中，干料搅拌，然后对混合搅拌好的物料进行水热-煅烧处理；即先进行水热处理，水热温度控制在100° C~200° C，处理时间为4~12小时；再在马弗炉或强热鼓风高温沸腾炉煅烧进行煅烧处理，煅烧温度控制在600° C~800° C，保温时间为0.5^2小时，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料。
[0011]本发明具有以下有益效果:
1、对工业废弃物玻璃尾砂进行改性处理，使其表面具有胶凝性，提高水泥基材料中熟料水化产物与玻璃尾砂表面的粘结强度，减小水泥基材料收缩变形，在同掺量代替水泥改性玻璃尾砂比未改性的玻璃尾砂自收缩降低5%~?Ο%、干燥收缩降低10%~20%，增加水泥基材料早期力学性能，如抗压强度改性玻璃尾砂比未改性玻璃尾砂的早期强度提高10%~15%，能够改善水泥基材料的耐久性。
[0012]2、提高辅助性胶凝材料玻璃尾砂在水泥基材料的使用掺量，消耗工业废弃物，保护环境， 缓解我国混凝土浇筑量大而导致的辅助性胶凝材料如粉煤灰、矿粉等紧缺状况，降低混凝土造价，克服传统辅助性胶凝材料使用的一些缺点如活性低、早期强度低、耐久性差等因素，进而减少水泥熟料用量，间接降低生产水泥能耗、减少CO2排放，实现节能减排目的。
【具体实施方式】
[0013]下面通过具体的实施例来进一步解释本发明。
[0014]实施例1:
将玻璃尾砂置于球磨机内机械粉磨45min左右，至颗粒粒径为80 μ m方孔筛筛余10wt%±2wt%为止，得到改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料。
[0015]掺30wt%的改性玻璃尾砂的水泥浆体安定性按照GB175-2007《通用硅酸盐水泥》测试，安定性结果为合格。对掺改性玻璃尾砂的水泥基材料的强度和收缩变形测试进行相关实验，强度测试:采用GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》标准规定；自收缩测试:装置采用模具为Φ25πιπιΧ 300mm的塑料波纹管，千分表测试；干燥收缩测试:装置采用25mmX25mmX280mm三联试模，端部预埋不锈钢测头，用比长仪百分表进行测试。当掺入30%未改性玻璃尾砂与改性的机械粉磨玻璃尾砂等质量代替水泥，所得表面改性玻璃尾砂复合水泥浆体的28d强度比未改性玻璃尾砂的28d的抗压强度增加10.2%、28d的自收缩和干燥收缩分别减少5.1%> 10.2%。
[0016]实施例2:
按80:20的质量百分比取玻璃尾砂和钙质材料电石渣，放在搅拌机中，干料搅拌后进行水热处理，水热温度控制在150° C，处理8小时，将水热处理后的粉体材料烘干后获得表面改性玻璃尾砂。掺30%的改性玻璃尾砂的水泥浆体安定性按照GB175-2007《通用硅酸盐水泥》测试，安定性结果为合格。经实施例1所述的强度和收缩变形测试方法，掺入30wt%未改性玻璃尾砂与改性的水热处理改性表面玻璃尾砂等质量代替水泥，所得表面改性玻璃尾砂复合水泥浆体的28d强度比未改性玻璃尾砂的28d的抗压强度增加11.2%、自收缩和干燥收缩分别减少5.9%、11.3%。
[0017]实施例3:
按90:10的质量百分比取玻璃尾砂和钙质材料电石渣，放在搅拌机中，干料均匀搅拌后进行低温煅烧处理，在马弗炉中煅烧温度为850° C，保温时间为I小时，空气中急冷所得表面改性玻璃尾砂。掺30wt%的改性玻璃尾砂复合水泥浆体安定性按照GB175-2007《通用硅酸盐水泥》测试，安定性结果为合格。经实施例1所述的强度和收缩变形测试方法，掺入30wt%未改性玻璃尾砂与改性低温煅烧处理的改性表面玻璃尾砂等质量代替水泥，所得表面改性玻璃尾砂复合水泥浆体的28d强度比未改性玻璃尾砂的28d的抗压强度增加13.2%、自收缩和干燥收缩分别减少5.8%、12.3%。
[0018]实施例4:
按80:20的质量百分比取玻璃尾砂和钙镁质材料菱镁矿尾矿，放在搅拌机中，干料均匀搅拌后进行低温煅烧处理，在马弗炉中煅烧温度为850° C，保温时间为I小时，空气中急冷所得表面改性玻璃尾砂。掺30wt%的改性玻璃尾砂复合水泥浆体安定性按照GB175-2007《通用硅酸盐水泥》测试，安定性结果为合格。经实施例1所述测试方法，掺30wt%未改性玻璃尾砂与改性低温煅烧处理的改性表面玻璃尾砂等质量代替水泥，所得表面改性玻璃尾砂复合水泥浆体的28d强度比未改性玻璃尾砂的28d的抗压强度增加12.3%、自收缩和干燥收缩分别减少6.1%、13.3%ο
[0019]实施例5:
按90:10的质量百分比取玻璃尾砂和钙镁质材料菱镁矿尾矿，放在搅拌机中，干料均匀搅拌后先在150° C进行水热处理4小时，再进行低温煅烧处理，在马弗炉中煅烧温度为800° C，保温时间为0.5小时，空气中急冷所得表面改性玻璃尾砂。掺30wt%的改性玻璃尾砂的复合水泥浆体安定性按照GB175-2007《通用硅酸盐水泥》测试，安定性结果为合格。经实施例1所述测试方法，掺30wt%未改性玻璃尾砂与改性低温煅烧处理的改性表面玻璃尾砂等质量代替水泥，所得表面改性玻璃尾砂复合水泥浆体的28d强度比未改性玻璃尾砂的28d的抗压强度增加13.3%、自收缩和干燥收缩分别减少6.5%、14.3%。
[0020]实施例6:
按80:10:10的质量百分比取玻璃尾砂、钙质材料电石渣和钙镁质材料菱镁矿尾矿，放在搅拌机中，干料均匀搅拌后先在150° C进行水热处理4小时，再进行低温煅烧处理，在马弗炉中煅烧温度为800° C，保温时间为0.5小时，空气中急冷所得表面改性玻璃尾砂。掺30wt%的改性玻璃尾砂的复合水泥浆体安定性按照GB175-2007《通用硅酸盐水泥》测试，安定性结果为合格。经实例I所述测试方法，掺30wt%未改性玻璃尾砂与改性低温煅烧处理的改性表面玻璃尾砂等质量代替水泥，所得表面改性玻璃尾砂复合水泥浆体的28d强度比未改性玻璃尾砂的28d的抗压强度增加14.3%，自收缩和干燥收缩分别减少6.8%、15.4%。
【权利要求】
1.一种改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料，其特征在于:原料为按照质量比为70-100:0-30的玻璃尾砂和改性辅料；所述改性辅料为钙质材料或钙镁质材料或二者任意质量比的混合物。
2.根据权利要求1所述的改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料，其特征在于:所述玻璃尾砂和改性辅料的质量比为70-90:10-30。
3.根据权利要求1或2所述的改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料，其特征在于:所述玻璃尾砂主要成分是石英，S12含量大于85%，取自玻璃厂生产玻璃的原料石英砂经粉碎筛选后的废弃物；钙质材料的主要成分为CaO，取自电化厂湿法乙炔生产PVC的副产品电石渣；钙镁质材料的主要成分为CaO和MgO，取自菱镁矿尾矿。
4.一种如权利要求1或2所述的改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料的制备方法，其特征在于:将所有原料混合后，采用机械粉磨、水热、低温煅烧和水热-煅烧中的任意一种方法处理，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料。
5.根据权利要求4所述的改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下四种: 方法1:将玻璃尾砂在球磨机进行机械粉磨时间为30mirTlh，至颗粒粒径为80 μ m方孔筛筛余10wt%±2wt%为止，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料； 方法2:将玻璃尾砂和改性辅料放在搅拌机中，干料搅拌，然后对混合搅拌好的物料进行水热处理，水热温度控制在100° C~200° C，处理时间为4~12小时，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料； 方法3:将玻璃尾砂和改性辅料放在搅拌机中，干料搅拌，然后对混合搅拌好的物料在马弗炉或强热鼓风高温沸腾炉进行煅烧处理，煅烧温度控制在700° C~900° C，保温时间为0.5~2小时，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料； 方法4:将玻璃尾砂和改性辅料放在搅拌机中，干料搅拌，然后对混合搅拌好的物料进行水热-煅烧处理；即先进行水热处理，水热温度控制在100° C~200° C，处理时间为4~12小时；再在马弗炉或强热鼓风高温沸腾炉煅烧进行煅烧处理，煅烧温度控制在600° C~800° C，保温时间为0.5~2小时，即得改性玻璃尾砂水泥基辅助性胶凝材料。
【文档编号】C04B7/24GK104129935SQ201410366412
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】郝成伟, 邓敏, 陈登, 钱红梅, 姜蕾 申请人:皖西学院, 南京工业大学