一种基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料及其制备方法与流程

本发明属于水泥熟料制备领域，尤其涉及一种基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料。

背景技术

随着经济的发展，公路建设也在发展，公路的通行量和负荷也随着公路里程的增加与日俱增，对筑路材料的要求也相应地提高了，目前使用最多的筑路材料是水泥混凝土。由于水泥混凝土路面要承受高速高载车辆反复的冲击、震动和摩擦作用，长期以往会造成路面的损坏，耐久性下降。因此，要求水泥混凝土路面有良好的力学性能，尤其是抗折强度要高，还要有足够的耐磨性，道路水泥能达到一般通用水泥难以达到的这些特性要求。

我国每年要排放大量的各种工业废渣，而此些大量的工业废渣如果得不到有效的利用，将不仅占用大量土地，还会对区域水体、大气、生态等环境因素造成不安全因素，带来环境及安全隐患；废渣的运输及堆场的使用、维护也给企业的发展带来负担。由此看来，如果能够很好地利用工业废渣，不仅可以解决其利用及污染问题，还可以降低自然资源、能源的消耗，减少其带来的生态环境问题，而且可降低生产成本，符合可持续发展的战略要求。

公开号为cn102092971a的发明专利，公开了一种使用脱碱赤泥、粘土、铝矾土、石灰石、石膏、粉煤灰及粒化高炉矿渣制备道路硅酸盐水泥的方法。公开号为cn104496228a的发明专利，公开了一种使用石灰石、钢渣粉、砂岩、粉煤灰、矿渣粉及石膏制备道路硅酸盐水泥熟料以及道路硅酸盐水泥的方法。上述道路硅酸盐水泥的制备均使用了至少一种天然矿物，而我国的石灰石、粘土、石膏等矿物资源储量有限，大量开采不利于可持续发展。公开号cn103145355a的发明专利，公开了一种以镍渣、石灰石、粉煤灰制备复合硅酸盐水泥的生产方法。该技术中石灰石的大量使用，产生了高的能源、资源消耗以及co2的排放，不符合低碳绿色的发展要求；其镍渣的掺量较低，且强度等级较低。

因此，现亟需一种能够在降低天然矿物的含量的基础上具有良好力学性能的道路硅酸盐水泥熟料。

技术实现要素：

发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够在降低自然资源消耗的基础上，依然具有优越的抗压强度、抗折强度等力学性能的道路硅酸盐水泥熟料；

本发明的第二目的是提供该道路硅酸盐水泥熟料的制备方法。

技术方案：本发明基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料，按重量份数包括：镍渣20～30份、电石渣55～70份、锆硅渣2～4份、铝土矿尾矿1～3份、脱硫石膏5～10份和矿化剂1～2份。

本发明通过将镍渣、电石渣、锆硅渣、铝土矿尾矿、脱硫石膏和矿化剂进行复配，制备的水泥熟料不仅力学性能强，且减少了自然资源的消耗，经济环保；其中，镍渣和脱硫石膏的协同作用，能够降低液相温度，增加液相量，降低液相粘度和表面张力，从而促进c3s(3cao·sio2)的形成及晶种的发育成长，同时镍渣的使用降低了铁粉、粘土的消耗，而脱硫石膏和电石渣的协同使用，降低石灰石消耗率的同时减小了co2排放和环境压力，降低了熟料烧成热耗；锆硅渣和铝土矿尾的协同使用，不仅有助于熟料的煅烧，且降低了水泥熟料生产对粘土等自然资源的消耗，解决了工业废渣堆放对土地的占用问题和对环境的污染问题，产生了经济和社会效益。进一步说，矿化剂按重量分别比可包括铅锌尾矿65～80％和磷渣20～35％，本发明通过采用铅锌尾矿和磷渣复合而成的矿化剂，从而铅锌尾矿中的zno固溶在铁铝酸盐矿相中，降低了液相黏度，且其半径较小，具有较强的极化能力，进一步增加了ca²⁺的扩散速度，促进c3s的形成，而磷渣中的p2o5不仅起到矿化，且同时能够阻止β-c2s(2cao·sio2)向γ-c2s转化，进一步稳定了β-c2s晶格，提高了水泥熟料的力学性能；此外，两者的协同提高了道路硅酸盐水泥的早期强度，降低游离氧化钙含量。其中，优选的，磷渣按重量百分比可包括：p2o51.5～5％、cao45～55％、sio235～45％、al2o33～8％和fe2o30～1.5％。铅锌尾矿按质量百分比可包括：zno1.5～3％、sio250～65％、al2o310～15％、fe2o310～15％、cao10～15％、pbo0.5～1.5％和余量杂质。

进一步说，镍渣按重量百分比可包括：sio240～45％、mgo15～23％、fe2o318～25％、al2o34～8％、cao1.5～4％和cr2o31～3％。电石渣按重量百分比可包括：cao65～75％、sio21～3％、al2o31～4％、fe2o30～1％、mgo0～1％和烧失量20～30％。锆硅渣按重量百分比可包括：sio285～95％、zrocl23～9％、zrsio41～3％、和余量杂质。铝土矿尾矿按重量百分比可包括：al2o345～55％、sio220～30％、fe2o35～12％、cao3～8％、tio21～3％和k2o1～3％。

本发明制备基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料的方法，包括如下步骤：

(1)按重量份数将镍渣、电石渣、锆硅渣、铝土矿尾矿、脱硫石膏及矿化剂进行混合、粉磨、均化，制得水泥生料；

(2)将该水泥生料预热后，在1280～1350℃条件下煅烧30～35min，冷却制得水泥熟料。

本发明通过采用快烧和急冷制备水泥熟料，在降低熟料烧成热耗的同时提高了生产效率，不仅高效且降低了成本。更进一步说，预热是在740～800℃条件下反应2～5min。

本发明的反应原理如下：

2cao+sio2→2cao·sio2(c2s)

2cao·sio2+cao→3cao·sio2(c3s)

cao+al2o3→cao·al2o3

7cao·al2o3+5cao→12cao·7al2o3

12cao·7al2o3+9cao→7(3cao·al2o3)(c3a)

cao+fe2o3→cao·fe2o3

cao·fe2o3+cao→2cao·fe2o3

7(2cao·fe2o3)+2cao+12cao·7al2o3→7(4cao·al2o3·fe2o3)(c4af)

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该水泥熟料用于制备的道路水泥不仅28d抗压强度可达63.9～75.2mpa，强度等级达到62.5级，28d抗折强度可达9.8～18.2mpa，28d砂浆磨损量小于2.5kg/m²，水泥稳定性强，耐磨性高，工作性能优良，且降低了石灰石、粘土等自然资源消耗的同时，解决了废渣的利用及环境问题，节约了资源，降低了生产成本，安全环保；同时该水泥熟料的制法简单，无需复杂的工序，成本低。

附图说明

图1为本发明水泥熟料制备的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本发明采用的镍渣按重量百分比包括：sio240～45％、mgo15～23％、fe2o318～25％、al2o34～8％、cao1.5～4％和cr2o31～3％。

电石渣按重量百分比包括：cao65～75％、sio21～3％、al2o31～4％、fe2o30～1％、mgo0～1％和烧失量20～30％。

锆硅渣按重量百分比包括：sio285～95％、zrocl23～9％、zrsio41～3％、和余量杂质。

铝土矿尾矿按重量百分比包括：al2o345～55％、sio220～30％、fe2o35～12％、cao3～8％、tio21～3％和k2o1～3％。

磷渣按重量百分比包括：p2o51.5～5％、cao45～55％、sio235～45％、al2o33～8％和fe2o30～1.5％。

铅锌尾矿按质量百分比包括：zno1.5～3％、sio250～65％、al2o310～15％、fe2o310～15％、cao10～15％、pbo0.5～1.5％和余量杂质。

实施例1

组分：镍渣20份、电石渣65份、锆硅渣4份、铝土矿尾矿2份、脱硫石膏7份、矿化剂2份(铅锌尾矿1.3份、磷渣0.7份)。

基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料的制备方法包括如下步骤，如图1所示：

(1)对电石渣进行干燥，对镍渣进行破碎、粉磨；

(2)将镍渣、电石渣、锆硅渣、铝土矿尾矿、脱硫石膏及矿化剂进行混合、粉磨、均化，制得水泥生料；其中，该水泥生料中生料率值为：石灰饱和系数(kh)为0.87，硅率(sm)为1.87，铝率(im)为0.77。

(3)将制备的生料在780℃条件下预热4min后采用回转窑进行煅烧，煅烧温度为1280～1350℃，煅烧35min，随后通过篦冷机进行急冷，单位冷却风量2.6nm³/kg·cl，制得道路硅酸盐水泥熟料。该熟料中的c4af含量为18％、c3a为2.4％、c3s为48.3％、c2s为28.7％和余量(无水硫铝酸钙)及其他矿物。

性能检测1

将上述实施例1制备的水泥熟料制备成水泥进行性能检测，获得的结果如下表1所示。其中，水泥的制备方法包括如下步骤：将煅烧所得熟料分别破碎，加入5％的脱硫石膏(熟料95％)粉磨至细度为80μm筛筛余小于5％，制得道路硅酸盐水泥。

表1实施例1道路硅酸盐水泥性能检测结果

实施例2

组分：镍渣25份、电石渣60份、锆硅渣3份、铝土矿尾矿3份、脱硫石膏7.5份、矿化剂1.5份(铅锌尾矿1.05份、磷渣0.45份)。

基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料的制备方法包括如下步骤：

(1)对电石渣进行干燥，对镍渣进行破碎、粉磨；

(2)将镍渣、电石渣、锆硅渣、铝土矿尾矿、脱硫石膏及矿化剂进行混合、粉磨、均化，制得水泥生料；其中，该水泥生料中生料率值为：石灰饱和系数(kh)为0.88，硅率(sm)为1.89，铝率(im)为0.66。

(3)将制备的生料在780℃条件下预热4min后采用回转窑进行煅烧，煅烧温度为1280～1350℃，煅烧30min，随后通过篦冷机进行急冷，单位冷却风量2.8nm³/kg·cl，制得道路硅酸盐水泥熟料。该熟料中的c4af含量为21％、c3a为2.1％、c3s为51.2％、c2s为21.8％和余量及其他矿物。

性能检测2

将上述实施例2制备的水泥熟料制备成水泥进行性能检测，获得的结果如下表2所示。其中，水泥的制备方法包括如下步骤：将煅烧所得熟料分别破碎，加入5％的脱硫石膏(熟料95％)粉磨至细度为80μm筛筛余小于5％，制得道路硅酸盐水泥。

表2实施例2道路硅酸盐水泥性能检测结果

实施例3

组分：镍渣30份、电石渣60份、锆硅渣2份、铝土矿尾矿2份、脱硫石膏5份、矿化剂1份(铅锌尾矿0.75份、磷渣0.25份)。

基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料的制备方法包括如下步骤：

(1)对电石渣进行干燥，对镍渣进行破碎、粉磨；

(2)将镍渣、电石渣、锆硅渣、铝土矿尾矿、脱硫石膏及矿化剂进行混合、粉磨、均化，制得水泥生料；其中，该水泥生料中生料率值为：石灰饱和系数(kh)为0.90，硅率(sm)为1.79，铝率(im)为0.74。

(3)将制备的生料在780℃条件下预热4min后采用回转窑进行煅烧，煅烧温度为1280～1350℃，煅烧35min，随后通过篦冷机进行急冷，单位冷却风量2.7nm³/kg·cl，制得道路硅酸盐水泥熟料。该熟料中的c4af含量为16％、c3a为2.9％、c3s为50.3％、c2s为27.9％和余量及其他矿物。

性能检测3

将上述实施例3制备的水泥熟料制备成水泥进行性能检测，获得的结果如下表3所示。其中，水泥的制备方法包括如下步骤：将煅烧所得熟料分别破碎，加入5％的脱硫石膏(熟料95％)粉磨至细度为80μm筛筛余小于5％，制得道路硅酸盐水泥。

表3实施例3道路硅酸盐水泥性能检测结果

通过上述表1至表3可知，采用本发明的水泥熟料制备的水泥满足国家标准《道路硅酸盐水泥》gb13693-2005中规定的道路硅酸盐水泥的各项要求。本发明制备的道路硅酸盐水泥性能优异，配比适宜时其28天抗压强度可达62.5等级，抗折强度也可达52.5等级。

实施例4

组分：镍渣25份、电石渣55份、锆硅渣3份、铝土矿尾矿1份、脱硫石膏10份、矿化剂2份(铅锌尾矿1.6份、磷渣0.4份)。

基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料的制备方法包括如下步骤：

(1)对电石渣进行干燥，对镍渣进行破碎、粉磨；

(2)将镍渣、电石渣、锆硅渣、铝土矿尾矿、脱硫石膏及矿化剂进行混合、粉磨、均化，制得水泥生料；其中，该水泥生料中生料率值为：石灰饱和系数(kh)为0.89，硅率(sm)为1.91，铝率(im)为0.74。

(3)将制备的生料在740℃条件下预热5min后采用回转窑进行煅烧，煅烧温度为1280～1350℃，煅烧30min，随后通过篦冷机进行急冷，单位冷却风量2.7nm³/kg·cl，制得道路硅酸盐水泥熟料。该熟料中的c4af含量为22.3％、c3a为1.8％、c3s为50.7％、c2s为21.9％和余量及其他矿物。

性能检测4

将上述实施例4制备的水泥熟料制备成水泥进行性能检测，获得的结果如下表4所示。其中，水泥的制备方法包括如下步骤：将煅烧所得熟料分别破碎，加入5％的脱硫石膏(熟料95％)粉磨至细度为80μm筛筛余小于5％，制得道路硅酸盐水泥。

表4实施例4道路硅酸盐水泥性能检测结果

实施例5

组分：镍渣30份、电石渣70份、锆硅渣3份、铝土矿尾矿1份、脱硫石膏10份、矿化剂2份(铅锌尾矿1.3份、磷渣0.7份)。

基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料的制备方法包括如下步骤：

(1)对电石渣进行干燥，对镍渣进行破碎、粉磨；

(2)将镍渣、电石渣、锆硅渣、铝土矿尾矿、脱硫石膏及矿化剂进行混合、粉磨、均化，制得水泥生料；其中，该水泥生料中生料率值为：石灰饱和系数(kh)为0.91，硅率(sm)为1.90，铝率(im)为0.75。

(3)将制备的生料在800℃条件下预热2min后采用回转窑进行煅烧，煅烧温度为1280～1350℃，煅烧35min，通过篦冷机进行急冷，单位冷却风量2.8nm³/kg·cl，制得道路硅酸盐水泥熟料。该熟料中的c4af含量为17.2％、c3a为2.3％、c3s为53.2％、c2s为24.8％和余量及其他矿物。

性能检测5

将上述实施例5制备的水泥熟料制备成水泥进行性能检测，获得的结果如下表5所示。其中，水泥的制备方法包括如下步骤：将煅烧所得熟料分别破碎，加入5％的脱硫石膏(熟料95％)粉磨至细度为80μm筛筛余小于5％，制得道路硅酸盐水泥。

表5实施例5道路硅酸盐水泥性能检测结果

实施例6

设计5组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处在于煅烧的时间，具体为25min、30min、32min、35min、45min，煅烧温度为1300℃，分别将制备的水泥熟料进行性能检测。

性能检测6

将上述实施例6制备的水泥熟料制备成水泥进行性能检测，获得的结果如下表6所示。其中，水泥的制备方法包括如下步骤：将煅烧所得熟料分别破碎，加入5％的脱硫石膏(熟料95％)粉磨至细度为80μm筛筛余小于5％，制得道路硅酸盐水泥。

表6实施例6道路硅酸盐水泥性能检测结果

通过表6可知，煅烧时间过短，熟料煅烧未完全，熟料结粒较细、矿物晶体细小，发育不完全，熟料强度不高；煅烧时间过长，c3s含量增多而c2s减少，c3a减少而c4af增多，晶体变大，水泥早期水化热低，早期强度低而后期强度高。

实施例7

设计5组平行试验，基本步骤与实施例1相同，不同之处在于冷却时篦冷机的单位冷却风量，具体为1.6nm³/kg·cl、2.0nm³/kg·cl、2.4nm³/kg·cl、2.6nm³/kg·cl、2.8nm³/kg·cl，煅烧温度为1320℃，分别将制备的水泥熟料进行性能检测。

性能检测7

将上述实施例7制备的水泥熟料制备成水泥进行性能检测，获得的结果如下表7所示。其中，水泥的制备方法包括如下步骤：将煅烧所得熟料分别破碎，加入5％的脱硫石膏(熟料95％)粉磨至细度为80μm筛筛余小于5％，制得道路硅酸盐水泥。

表7实施例7道路硅酸盐水泥性能检测结果

通过表7可知，急冷可以防止c3s晶体长大而强度降低且难以粉磨，防止c3s分解和c2s的晶型转变使熟料强度降低，减少mgo晶体析出，使其凝结于玻璃体中，避免造成水泥安定性不良，减少c3a晶体析出，不使水泥出现快凝现象，并提高水泥的抗硫酸盐性能，使熟料产生应力，增大熟料的易磨性，急冷还可以收回热量，提高热的利用率。

对比例1

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于矿化剂只采用铅锌尾矿。具体如下所示。

组分：镍渣20份、电石渣65份、锆硅渣4份、铝土矿尾矿2份、脱硫石膏7份、铅锌尾矿2份。

基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料的制备方法包括如下步骤：

(1)对电石渣进行干燥，对镍渣进行破碎、粉磨；

(2)将镍渣、电石渣、锆硅渣、铝土矿尾矿、脱硫石膏及矿化剂进行混合、粉磨、均化，制得水泥生料；其中，该水泥生料中生料率值为：石灰饱和系数(kh)为0.865，硅率(sm)为1.88，铝率(im)为0.76。

(3)将制备的生料在780℃条件下预热4min后采用回转窑进行煅烧，煅烧温度为1280～1350℃，煅烧35min，随后通过篦冷机进行急冷，单位冷却风量2.5nm³/kg·cl，制得道路硅酸盐水泥熟料。该熟料中的c4af含量为17.6％，c3a为2.1％、c3s为47.8％、c2s为24.6％和余量及其他矿物。

将上述对比例1制备的水泥熟料制备成水泥进行性能检测，获得的结果如下表8所示。其中，水泥的制备方法包括如下步骤：将煅烧所得熟料分别破碎，加入5％的脱硫石膏(熟料95％)粉磨至细度为80μm筛筛余小于5％，制得道路硅酸盐水泥。

表8对比例1道路硅酸盐水泥性能检测结果

结合表8和表1可知，矿化剂只采用铅锌尾矿制备的水泥熟料的抗压强度和抗折强度相较于实施例1采用复合矿化剂而言较差，这是由于通过采用铅锌尾矿和磷渣复合而成的矿化剂，从而铅锌尾矿中的zno固溶在铁铝酸盐矿相中，降低了液相黏度，且其半径较小，具有较强的极化能力，进一步增加了ca²⁺的扩散速度，促进c3s的形成，而磷渣中的p2o5不仅起到矿化，且同时能够阻止β-c2s(2cao·sio2)向γ-c2s转化，进一步稳定了β-c2s晶格，提高了水泥熟料的力学性能；此外，两者的协同提高了道路硅酸盐水泥的早期强度，降低游离氧化钙含量。

对比例2

基本步骤与实施例1相同，不同之处在于原料中不加入锆硅渣，具体组分及其含量如下所示。

组分：镍渣22份、电石渣66份、铝土矿尾矿3份、脱硫石膏7份、矿化剂2份(铅锌尾矿1.3份，磷渣0.7份)。

基于工业废渣的道路硅酸盐水泥熟料的制备方法包括如下步骤：

(1)对电石渣进行干燥，对镍渣进行破碎、粉磨；

(2)将镍渣、电石渣、铝土矿尾矿、脱硫石膏及矿化剂进行混合、粉磨、均化，制得水泥生料；其中，该水泥生料中生料率值为：石灰饱和系数(kh)为0.90，硅率(sm)为1.78，铝率(im)为0.78。

(3)将制备的生料在780℃条件下预热4min后采用回转窑进行煅烧，煅烧温度为1280～1350℃，煅烧35min，随后通过篦冷机进行急冷，单位冷却风量2.6nm³/kg·cl，制得道路硅酸盐水泥熟料。该熟料中的c4af含量为19.6％、c3a为3.5％、c3s为46.8％、c2s为15.4％和余量及其他矿物。

将上述对比例2制备的水泥熟料制备成水泥进行性能检测，获得的结果如下表9所示。其中，水泥的制备方法包括如下步骤：将煅烧所得熟料分别破碎，加入5％的脱硫石膏(熟料95％)粉磨至细度为80μm筛筛余小于5％，制得道路硅酸盐水泥。

表9对比例2道路硅酸盐水泥性能检测结果

结合表9和表1可知，原料中不加入锆硅渣制备的水泥熟料的抗压强度和抗折强度较差，这是由于锆硅渣的加入，其同铝土矿尾的协同使用，能够促进熟料的煅烧，避免c2s减少，从而影响水泥熟料的综合力学性能。