一种以煤矸石为原料的胶凝材料及其制备方法与流程

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种以煤矸石为原料的胶凝材料及其制备方法。

背景技术：

目前，我国有规模较大的煤矸石山约为2600座，占地面积约1.5×10⁸m²，贮存煤矸石总量超过50亿吨，并且仍以每年1.5亿～2.0亿吨的速度增加。但是，我国对煤矸石的综合利用率仅为64%，主要用于发电燃料、生产建材产品、土地复垦和塌陷回填等，大量的风化煤矸石仍未得到有效利用。大量的风化煤矸石若不加处理，不仅会占用大量土地资源，还会产生扬尘，污染大气，若排入水系会造成河流淤塞，其中有毒的化学物质也会对人体和生物造成危害，甚至还会引发火灾、滑坡等灾害。2015年国家发展和改革委员会等部门联合修订发布《煤矸石综合利用管理办法》，明确煤矸石综合利用以大宗量利用为重点，将煤矸石发电、煤矸石建材及制品等大宗量利用煤矸石作为主攻方向。因此，探索出一条风化煤矸石大宗量、资源化和高附加值利用的途径，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种以煤矸石为原料的胶凝材料及其制备方法，该胶凝材料能耗低、凝结快、长期强度高。

实现本发明目的的技术解决方案是：一种以煤矸石为原料的胶凝材料，按质量份计，该胶凝材料原料含有以下成分：熟料92～95份、石膏3～7份和减水剂0.5～1.5份；其中，按质量份计，熟料原料包括以下组分：活化煤矸石60～75份、生石灰25～40份、激发剂0.5～2份、水70～90份。

作为优选，所述激发剂为碱性氧化物或碱金属盐；所述石膏为天然石膏或磷石膏。

作为优选，所述减水剂为聚羧酸减水剂、木质素磺酸钙、奈系减水剂中的至少一种。

作为优选，熟料通过将熟料原料造粒、蒸汽养护、水热合成、干燥、煅烧后得到。

上述以煤矸石为原料的胶凝材料的制备方法，利用机械-微波复合活化技术，通过化学强化、水热合成和低温煅烧风化煤矸石和石灰的混合料来制备以煤矸石为原料的胶凝材料，包括以下步骤：

第一步：将风化煤矸石粉磨至80μm方孔筛筛余小于5%，然后微波活化（功率1kw~1.5kw，频率2000hz~3000hz）3min~8min得到活化煤矸石粉；

第二步：将活化煤矸石粉、生石灰、激发剂、水进行均匀混合，消解3～6h。消解后的原料在造粒机中成球得到生料；

第三步：把生料在95~120℃蒸汽养护箱蒸养8～16h，得到水热合成料，然后把水热合成料送入105℃的烘箱干燥3～5h，获得预烧料；

第四步：将预烧料在700℃~850℃条件下煅烧0.5h~1.5h，然后在快速冷却至室温得到熟料；

第五步：将所述熟料的92～95份与石膏3～7份、减水剂0.5～1.5份混合混匀后，用超细水泥磨磨细至胶凝材料比表面积≥380m²/kg，得到所述的胶凝材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于机械-微波复合活化、化学强化、水热合成和低温煅烧形成的新型胶凝材料，可以实现风化煤矸石大宗量资源化利用，减少土地的占用，节约自然资源，改善环境。

2.本发明以煤矸石为原料制得的胶凝材料凝结快、强度高，煤矸石利用率高；各龄期的强度达到p·f32.5水泥相应强度要求。

3.本发明制备方法简单，不需要大型的设备和复杂的工艺，其组成和性能灵活可调，易于控制，适用性好，不需高温煅烧、成本低、能耗低。

附图说明

附图1为本发明所述工艺流程示意图。

具体实施方式

本发明采用的风化煤矸石主要矿物为高岭石、蒙脱石和伊利石等粘土类矿物，具有稳定的晶体结构，基本上没有活性。但是对煤矸石进行机械-微波复合活化，可制得具有火山灰活性的活化煤矸石。在化学强化和水热合成过程中，硅氧四面体发生结构重组，溶解释放出离子态硅铝单体，活性al2o3和sio2与cao形成c3ah6和c2sh2，经过低温煅烧之后，分解生成以β–c2s、c12a7、c2as、莫来石、石英、碳酸钙等为主要矿物的熟料。由于β–c2s的晶粒尺寸小、晶格缺陷多，所以新型胶凝材料活性高，反应快。结合图1，本发明所述的胶凝材料通过如下实施例制得。

【实施例1】

一种以煤矸石为原料的胶凝材料（按质量份计）含有以下成分：

煤矸石75份

生石灰25份

氢氧化钠1.3份

消解水50份

成型水40份

将风化煤矸石磨细至80μm筛余4.5%，然后经过微波活化5min，形成活化煤矸石粉，将75份活化煤矸石粉、25份生石灰、1.3份氢氧化钠、50份水进行均匀混合，在常温下消解6h。消解后的原料加入40份水造粒成球，把成球后的规则样品放入蒸汽养护箱97℃蒸养12h，结束之后把蒸养料送入窑炉煅烧800℃保温1h，快速冷却。取熟料92份，掺入8份天然石膏、0.5份聚羧酸减水剂均匀混合，用超细水泥磨磨细至比表面积为385m²/kg，得到以煤矸石为原料的胶凝材料。

【实施例2】

一种以煤矸石为原料的胶凝材料（按质量份计）含有以下成分：

煤矸石70份

生石灰30份

硫酸钠2份

消解水50份

成型水40份

将风化煤矸石磨细至80μm筛余4.0%，然后经过微波活化4min，形成活化煤矸石粉，将70份活化煤矸石粉、30份生石灰、2份硫酸钠、50份水进行均匀混合，在常温下消解6h。消解后的原料加入40份水造粒成球，把成球后的规则样品放入蒸汽养护箱99℃蒸养12h，结束之后把蒸养料送入窑炉煅烧750℃保温1h，快速冷却。取熟料94份，掺入6份天然石膏、1.0份木质素磺酸钙均匀混合，用超细水泥磨磨细至比表面积为386m²/kg，得到以煤矸石为原料的胶凝材料。

【实施例3】

一种以煤矸石为原料的胶凝材料（按质量份计）含有以下成分：

煤矸石65份

生石灰35份

氢氧化钠1.94份

消解水50份

成型水40份

将风化煤矸石磨细至80μm筛余4.4%，然后经过微波活化8min，形成活化煤矸石粉，将65份活化煤矸石粉、35份生石灰、1.94份氢氧化钠、50份水进行均匀混合，在常温下消解6h。消解后的原料加入40份水造粒成球，把成球后的规则样品放入蒸汽养护箱97℃蒸养12h，结束之后把蒸养料送入窑炉煅烧850℃保温0.5h，快速冷却。取熟料93份，掺入7份天然石膏、1.5份奈系减水剂均匀混合，用超细水泥磨磨细至比表面积为385m²/kg，得到以煤矸石为原料的胶凝材料。

【实施例4】

一种以煤矸石为原料的胶凝材料（按质量份计）含有以下成分：

煤矸石60份

生石灰40份

氢氧化钠1.3份

消解水50份

成型水40份

将风化煤矸石磨细至80μm筛余4.1%，然后经过微波活化7min，形成活化煤矸石粉，将60份活化煤矸石粉、40份生石灰、1.3份氢氧化钠、50份水进行均匀混合，在常温下消解6h。消解后的原料加入40份水造粒成球，把成球后的规则样品放入蒸汽养护箱98℃蒸养12h，结束之后把蒸养料送入窑炉煅烧800℃保温1h，快速冷却。取熟料92份，掺入8份天然石膏、0.8份聚羧酸减水剂均匀混合，用超细水泥磨磨细至比表面积为388m²/kg，得到以煤矸石为原料的胶凝材料。

【对比例1】

一种以煤矸石为原料的胶凝材料（按质量份计）含有以下成分：

煤矸石67份

生石灰33份

消解水50份

成型水40份

将风化煤矸石磨细至80μm筛余4.3%，未经微波活化，机械活化后形成活化煤矸石粉，将67份活化煤矸石粉、33份生石灰、50份水进行均匀混合，在常温下消解6h。消解后的原料加入40份水造粒成球，把成球后的规则样品放入蒸汽养护箱97℃蒸养12h，结束之后把蒸养料送入窑炉煅烧780℃保温1.5h，快速冷却。取熟料93份，掺入7份天然石膏、0.5份聚羧酸减水剂均匀混合，用超细水泥磨磨细至比表面积为385m²/kg，得到以煤矸石为原料的胶凝材料。

【对比例2】

一种以煤矸石为原料的胶凝材料（按质量份计）含有以下成分：

煤矸石75份

生石灰25份

消解水50份

成型水40份

将风化煤矸石磨细至80μm筛余4.7%，然后经过微波活化5min，形成活化煤矸石粉，将75份活化煤矸石粉、25份生石灰、1.5份氢氧化钠、50份水进行均匀混合，在常温下消解6h。消解后的原料加入40份水造粒成球，把成球后的规则样品放入蒸汽养护箱97℃蒸养12h，结束之后把蒸养料送入窑炉煅烧820℃保温1.0h，快速冷却。取熟料95份，掺入5份天然石膏、1.0份木质素磺酸钙均匀混合，用超细水泥磨磨细至比表面积为388m²/kg，得到以煤矸石为原料的胶凝材料。

【对比例3】

一种以煤矸石为原料的胶凝材料（按质量份计）含有以下成分：

煤矸石60份

生石灰40份

氢氧化钠1.3份

消解水50份

成型水40份

将风化煤矸石磨细至80μm筛余4.8%，未经微波活化，机械活化后形成活化煤矸石粉，将60份活化煤矸石粉、40份生石灰、1.3份氢氧化钠、50份水进行均匀混合，在常温下消解6h。消解后的原料加入40份水造粒成球，把成球后的规则样品放入蒸汽养护箱100℃蒸养12h，结束之后把蒸养料送入窑炉煅烧850℃保温0.5h，快速冷却。取熟料92份，掺入8份天然石膏、1.5份奈系减水剂均匀混合，用超细水泥磨磨细至比表面积为381m²/kg，得到以煤矸石为原料的胶凝材料。

按通用水泥相应标准试验方法测得实施例1~4和对比例1~3的凝结时间、胶砂试件强度，结果见下表1。

表1以煤矸石为原料的胶凝材性能测定结果

从对比例1和实施例1可以看出，未进行微波活化的煤矸石活性较低，经过水热合成和低温煅烧后28d抗压强度只有5.2mpa，经过微波活化的煤矸石火山灰活性高，最终形成的胶凝性矿物多，28d抗压强度达到35.7mpa。从对比例2可以看出，化学激发剂对胶凝材料物理力学性能影响较大，无激发剂掺入，胶凝材料的活性矿物总量低，28d抗压强度没有达到32.5mpa。从对比例3可以看出，未经微波活化的煤矸石，尽管加入激发剂激发，但是胶凝材料的抗压强度仍未达到10mpa。综上，机械-微波复合活化与化学强化作用效果明显，新型胶凝材料各龄期的强度可以达到p·f32.5水泥相应强度要求。