一种多固废早强水泥及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于建筑材料技术领域。更具体地，涉及一种多固废早强水泥及其制备方法。


背景技术：

[0002]
高贝利特水泥是一种在传统硅酸盐水泥基础上发展而来的无机胶凝材料，因其具有水化热低、后期强度高、耐腐蚀性好及低耗能、低排放等特点，于20世纪30年代兴起并得到推广，但由于主导矿物成分c
2
s(硅酸二钙，亦称贝利特，含量一般在45％以上)的水化速度较慢，致使其早期强度偏低，这在一定程度上限制了高贝利特水泥的应用。硫铝酸盐水泥是继硅酸盐水泥和铝酸盐水泥之后的第三系列水泥，主要矿物成分为c
4
a
3
s无水硫铝酸钙)和c
2
s，且c
4
a
3
s含量高于c
2
s；c
4
a
3
s是一种早强矿物，可快速水化生成钙矾石，保证了硫铝酸盐水泥的早期强度，但后期强度因c
2
s含量偏低增长不显著，这与高贝利特水泥的性质恰恰相反；此外，c
4
a
3
s形成的温度仅为1100～1200℃，硫铝酸盐水泥的制备能耗比高贝利特水泥更低。因此，综合高贝利特水泥和硫铝酸盐水泥两者的优势，制备早期强度高、后期强度发展好的高贝利特硫铝酸盐水泥显得特别有意义。
[0003]
高贝利特硫铝酸盐水泥与普通硫铝酸盐水泥的矿物成分基本一致，但c
2
s的含量要高于c
4
a
3
s；制备所采用的原料也基本相同，通常以石灰石、铝矾土和天然石膏为主。然而，随着天然资源的长期大量开采，水泥的生产原料越来越匮乏，采用各种固体废弃物来替代石灰石、铝矾土和天然石膏等材料成为研究者们关注的热点。固体废弃物(简称固废)是人类生活和生产活动中产生的固态、半固态废弃物质，在工业领域，固体废弃物主要包括采矿废石、冶炼废渣、各种煤矸石、炉渣及建筑垃圾等；随着工业化、城市化进程的加快，上述固体废弃物绝大多数未经任何处理，便被简单填埋或露天堆存，既浪费土地，又污染环境；相关资料表明，固体废弃物与水泥、混凝土等建筑材料生产所需原材料具有组分类似、矿物相近的特性，是放错了地方的资源。因此，采用固体废弃物制备高贝利特硫铝酸盐水泥，既能减少水泥生产时二氧化碳的排放，又能促进固体废弃物的资源化利用，对实现能源、资源和环境的协调发展意义重大。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是克服现有采用固废原料制备的水泥由于胶凝组分活性不足，导致早强性能不足，且随着水化反应的进行，仅依靠胶凝作用起到粘结，内聚强度无法进一步提升的缺陷和不足，提供一种多固废早强水泥及其制备方法。
[0005]
本发明的目的是提供一种多固废早强水泥。
[0006]
本发明另一目的是提供一种多固废早强水泥的制方法。
[0007]
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
[0008]
一种多固废早强水泥，包括以下重量份数的原料：60-80份第一废渣，5-10份第二废渣，20-40份第三废渣；
[0009]
所述第一废渣为白云母尾矿、高岭土尾矿、滑石尾矿中的至少一种；
[0010]
所述第二废渣为球形钢渣颗粒；所述球形钢渣颗粒的粒径分布范围为1-10μm；
[0011]
所述第三废渣为木质纤维。
[0012]
上述技术方案巧妙的采用三种不同形貌结构的固体废弃物组合，来作为水泥原料，其中包含呈片层结构的第一废渣，呈球形结构的钢渣颗粒，以及呈纤维状的木质纤维；其中，纤维状木质纤维充当内部连接/桥接作用，且带有丰富的羟基，具有良好的亲水效果，而层状结构作为桥接后的网络结构缺陷的大面，起到填补作用，且层状的第一废渣中也包含活性的硅羟基，再者，球形的钢渣颗粒可以起到填充的作用，最终三者相互配合形成致密结构，且由于木质纤维和第一废渣中的羟基相互之间可以形成氢键，引起两者在体系内部可以自组装形成规律的补强结构；上述反应过程可迅速完成，有效提升产品的早强性能；且随着水泥水化反应的进一步进行，除水泥水化以外，上述三者相互配合形成的补强结构进一步提升了强度的稳定性。
[0013]
优选地，所述第一废渣为强酸改性第一废渣；所述强酸为盐酸、硫酸或硝酸中的任意一种。
[0014]
优选地，所述第一废渣的粒径分布范围为1-50μm。
[0015]
优选地，所述球形钢渣颗粒为多孔颗粒；所述多孔颗粒中嵌入有二氧化硅；所述多孔颗粒中二氧化硅去除后，多孔颗粒中孔隙为通孔。
[0016]
上述技术方案进一步地在钢渣颗粒孔隙中嵌入二氧化硅，在实际产品使用过程中，由于孔隙内的二氧化硅进一步的可以参与水泥的水化反应，从而使得水化凝胶网络穿透球形钢渣颗粒，并将其串联至水泥水化凝胶网络结构中，并以此为结合位点，提高水泥水化凝胶网络和第一废渣、第二废渣及第三废渣形成的结构之间的结合力，使产品的强度性能得到进一步提升。
[0017]
优选地，所述木质纤维为木质纤维短纤；所述木质纤维短纤为长度分布为10-100nm。
[0018]
上述技术方案采用短纤，若纤维的长度大于100nm，则容易因为纤维过长引起纤维在使用过程中难以在水泥体系中扩散渗透，无法起到均匀分布；若长度过短，则容易无法起到良好的补强效果。
[0019]
一种多固废早强水泥的制备方法，具体制备步骤包括：
[0020]
原料准备：
[0021]
按重量份数计，依次取60-80份第一废渣，5-10份第二废渣，20-40份第三废渣；
[0022]
产品制备：
[0023]
将第一废渣、第二废渣和第三废渣混合均匀，即得产品；
[0024]
所述第一废渣为白云母尾矿、高岭土尾矿、滑石尾矿中的至少一种；
[0025]
所述第二废渣为球形钢渣颗粒；所述球形钢渣颗粒的粒径分布范围为1-10μm；
[0026]
所述第三废渣为木质纤维。
[0027]
优选地，所述具体制备步骤还包括：
[0028]
对第一废渣进行强酸改性：
[0029]
将第一废渣和质量分数为3-10％的强酸按质量比为1：3-1：10混合后，水热反应，再经过滤，洗涤，干燥后，于温度为150-200℃条件下煅烧，即完成对第一废渣的改性；
[0030]
所述强酸为盐酸、硫酸或硝酸中的任意一种。
[0031]
优选地，所述球形钢渣的制备步骤包括：
[0032]
将钢渣球磨后，和有机弱酸溶液混合，进行冷冻，再进行解冻，如此冷冻解冻循环10-20次后，过滤，洗涤和干燥，得预处理钢渣；
[0033]
按重量份数计，依次取20-30份预处理钢渣，60-100份无水乙醇，3-5份脂肪酸，10-15份正硅酸乙酯，混合后，加热回流反应，再经过滤，洗涤和干燥，得球形钢渣。
[0034]
上述技术方案巧妙的利用了冷冻解冻循环，实现了钢渣形成内部通孔的技术目的；首先，在钢渣和有机弱酸混合过程中，水分携带有机弱酸逐渐向钢渣孔隙内部渗透，在冷冻过程中，由于冰晶体积的膨胀，引起孔隙的扩展，解冻后，水分携带有机弱酸进一步向内扩散渗透，随着冷冻解冻循环的进行，最终将内部孔隙打通，形成通孔结构。
[0035]
优选地，所述第一废渣的粒径分布范围为1-50μm。
[0036]
优选地，所述木质纤维为木质纤维短纤；所述木质纤维短纤为长度分布为10-100nm。
具体实施方式
[0037]
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0038]
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
[0039]
实施例1
[0040]
对第一废渣进行强酸改性：
[0041]
将第一废渣和质量分数为3％的强酸按质量比为1：3混合倒入水热反应釜中，于温度为150℃，压力为2.0mpa，搅拌转速为300r/min条件下，水热搅拌反应3h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼，直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼干燥，得干燥滤饼，再将干燥滤饼转入马弗炉中，于温度为150℃条件下煅烧60min后，随炉冷却至室温，出料，得改性第一废渣；所述强酸为盐酸；所述第一废渣为白云母尾矿；所述第一废渣的粒径分布范围为1-10μm；
[0042]
第二废渣的制备：
[0043]
将钢渣倒入球磨罐中，并按球料质量比为10：1加入球磨珠，于转速为400r/min条件下，球磨混合4h后，出料，筛分出粒径分布范围为1-5μm的粉体，得球磨料；再将球磨料和质量分数为3％的醋酸溶液按质量比为1：5混合，得混合液；再将混合液于温度为-20℃条件下，进行冷冻，直至完全冷冻，再于室温条件下进行解冻，直至完全解冻，如此冷冻解冻循环10次后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中干燥至恒重，得预处理钢渣；
[0044]
按重量份数计，依次取20份预处理钢渣，60份无水乙醇，3份脂肪酸，10份正硅酸乙酯，混合后，加热回流反应，再经过滤，洗涤和干燥，得第二废渣；
[0045]
产品的制备：
[0046]
按重量份数计，依次取60份第一废渣，5份第二废渣，20份第三废渣，1份聚羧酸减水剂，倒入混料机中用搅拌器以200r/min转速搅拌混合1h后，出料，包装，即得多固废早强水泥；
[0047]
所述第三废渣为木质纤维；所述木质纤维为木质纤维短纤；所述木质纤维短纤为长度分布为10-20nm。
[0048]
实施例2
[0049]
对第一废渣进行强酸改性：
[0050]
将第一废渣和质量分数为5％的强酸按质量比为1：5混合倒入水热反应釜中，于温度为160℃，压力为3.0mpa，搅拌转速为400r/min条件下，水热搅拌反应4h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼，直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼干燥，得干燥滤饼，再将干燥滤饼转入马弗炉中，于温度为180℃条件下煅烧70min后，随炉冷却至室温，出料，得改性第一废渣；所述强酸为硝酸；所述第一废渣为高岭土尾矿；所述第一废渣的粒径分布范围为1-40μm；
[0051]
第二废渣的制备：
[0052]
将钢渣倒入球磨罐中，并按球料质量比为20：1加入球磨珠，于转速为500r/min条件下，球磨混合5h后，出料，筛分出粒径分布范围为3-8μm的粉体，得球磨料；再将球磨料和质量分数为4％的草酸溶液按质量比为1：8混合，得混合液；再将混合液于温度为-30℃条件下，进行冷冻，直至完全冷冻，再于室温条件下进行解冻，直至完全解冻，如此冷冻解冻循环15次后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼转入烘箱中干燥至恒重，得预处理钢渣；
[0053]
按重量份数计，依次取25份预处理钢渣，80份无水乙醇，4份脂肪酸，12份正硅酸乙酯，混合后，加热回流反应，再经过滤，洗涤和干燥，得第二废渣；
[0054]
产品的制备：
[0055]
按重量份数计，依次取70份第一废渣，8份第二废渣，30份第三废渣，2份聚羧酸减水剂，倒入混料机中用搅拌器以260r/min转速搅拌混合2h后，出料，包装，即得多固废早强水泥；
[0056]
所述第三废渣为木质纤维；所述木质纤维为木质纤维短纤；所述木质纤维短纤为长度分布为30-100nm。
[0057]
实施例3
[0058]
对第一废渣进行强酸改性：
[0059]
将第一废渣和质量分数为10％的强酸按质量比为1：10混合倒入水热反应釜中，于温度为180℃，压力为4.0mpa，搅拌转速为500r/min条件下，水热搅拌反应5h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼，直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼干燥，得干燥滤饼，再将干燥滤饼转入马弗炉中，于温度为200℃条件下煅烧80min后，随炉冷却至室温，出料，得改性第一废渣；所述强酸为硫酸；所述第一废渣为滑石尾矿；所述第一废渣的粒径分布范围为15-50μm；
[0060]
第二废渣的制备：
[0061]
将钢渣倒入球磨罐中，并按球料质量比为30：1加入球磨珠，于转速为600r/min条件下，球磨混合6h后，出料，筛分出粒径分布范围为1-10μm的粉体，得球磨料；再将球磨料和质量分数为5％的赖氨酸溶液按质量比为1：10混合，得混合液；再将混合液于温度为-40℃条件下，进行冷冻，直至完全冷冻，再于室温条件下进行解冻，直至完全解冻，如此冷冻解冻循环20次后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤
饼转入烘箱中干燥至恒重，得预处理钢渣；
[0062]
按重量份数计，依次取30份预处理钢渣，100份无水乙醇，5份脂肪酸，15份正硅酸乙酯，混合后，加热回流反应，再经过滤，洗涤和干燥，得第二废渣；
[0063]
产品的制备：
[0064]
按重量份数计，依次取80份第一废渣，10份第二废渣，40份第三废渣，3份聚羧酸减水剂，倒入混料机中用搅拌器以300r/min转速搅拌混合3h后，出料，包装，即得多固废早强水泥；
[0065]
所述第三废渣为木质纤维；所述木质纤维为木质纤维短纤；所述木质纤维短纤为长度分布为10-100nm。
[0066]
对比例1
[0067]
本对比例相比于实施例1而言，区别在于：未添加第三废渣，其余条件保持不变。
[0068]
对比例2
[0069]
本对比例相比于实施例1而言，区别在于：未添加第二废渣，其余条件保持不变。
[0070]
对比例3
[0071]
对第一废渣进行强酸改性：
[0072]
将第一废渣和质量分数为3％的强酸按质量比为1：3混合倒入水热反应釜中，于温度为150℃，压力为2.0mpa，搅拌转速为300r/min条件下，水热搅拌反应3h后，过滤，收集滤饼，并用去离子水洗涤滤饼，直至洗涤液呈中性，再将洗涤后的滤饼干燥，得干燥滤饼，再将干燥滤饼转入马弗炉中，于温度为150℃条件下煅烧60min后，随炉冷却至室温，出料，得改性第一废渣；所述强酸为盐酸；所述第一废渣为白云母尾矿；所述第一废渣的粒径分布范围为1-10μm；
[0073]
第二废渣的制备：
[0074]
将钢渣倒入球磨罐中，并按球料质量比为10：1加入球磨珠，于转速为400r/min条件下，球磨混合4h后，出料，筛分出粒径分布范围为1-5μm的粉体，得球磨料，即为第二废渣；
[0075]
产品的制备：
[0076]
按重量份数计，依次取60份第一废渣，5份第二废渣，20份第三废渣，1份聚羧酸减水剂，倒入混料机中用搅拌器以200r/min转速搅拌混合1h后，出料，包装，即得多固废早强水泥；
[0077]
所述第三废渣为木质纤维；所述木质纤维为木质纤维短纤；所述木质纤维短纤为长度分布为10-20nm。
[0078]
对实施例1-3及对比例1-3所得产品进行性能测试，具体测试方法和测试结果如下所述：
[0079]
按gb/t 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》早期抗裂试验方法和混凝土抗压强度法sl 352-2006对混凝土抗裂性能和早期强度性能进行测试；具体测试结果见表1；
[0080]
表1：产品性能测试结果
[0081][0082][0083]
由表1测试结果可知，本申请技术方案所得产品不仅具有良好的早强性能，且可以保持混凝土性能稳定不开裂。
[0084]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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