一种分步煅烧制备贫钙富硅生态水泥的方法

摘要

本发明属于水泥材料领域，具体涉及一种分步煅烧制备贫钙富硅生态水泥的方法，其技术要点是，由硫酸钠、硅铝氧化物和单质碳三种原料混合粉磨后分步煅烧并速冷得到煅烧料，将煅烧料与石灰石膏一起粉磨制得生态水泥。本发明制备的水泥具有廉价、低耗、低碳排放和利废等特点，具有广阔的发展前景。

说明书

技术领域

本发明属于新型水泥材料领域，具体涉及一种分步煅烧制备贫钙富硅生态水泥的方法。

背景技术

我国是世界水泥产量最高的国家，所生产水泥绝大部分是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥煅烧温度达1450℃，能耗物耗高、碳排放高、环境污染严重、耐酸耐蚀和耐久性差，且消耗大量的优质石灰岩资源。科学家们一直在寻求环境更友好和性价比更高的新水泥品种。最近研究比较活跃的碱激发水泥是由强碱盐的水溶液与活性固体氧化物粉末组成的双组分水泥，其中尤以典型组元为Na₂O-Ca(Mg)O-Al₂O₃-SiO₂的碱矿渣水泥最具性价比。前苏联的应用实践和国内的研究都证明，碱矿渣水泥具有高强、快硬、抗渗、耐久、耐蚀、低碳排放和对集料要求低等明显优于硅酸盐水泥的性能。而其化学组成比硅酸盐水泥更接近地壳，所以其主要原料更加丰富廉价。但碱矿渣以炼铁副产品为原料，成分和性能不稳定，而以工业碱和水玻璃为激发剂更使其成本偏高而难以与硅酸盐水泥竞争。

专利CN105502973A用工业碱煅烧硅铝氧化物原料，然后将冷却的煅烧料与石灰石膏一起粉磨制得贫钙富硅生态水泥。作为一种复合水泥，该水泥的煅烧温度低、煅烧所加工业碱也较碱激发水泥有明显减少，但利用昂贵的工业碱（烧碱或纯碱）提供Na₂O组份使其制备成本仍然偏高。只有以廉价原料提供Na₂O组份制备高含碱金属的水泥，才能大幅度降低成本。本发明申请即是在此背景下提出的。

发明内容

本发明的目的是提供一种分步煅烧制备贫钙富硅生态水泥的方法。

本发明采用的技术方案：一种分步煅烧制备贫钙富硅生态水泥的方法，包括如下顺序的步骤：

（1）分别准备硫酸钠、硅铝氧化物和单质碳三种原料；其中，硫酸钠指在其1000℃煅烧后的剩余质量中，Na₂SO₄>85%的原料；硅铝氧化物指主要化学组成必含SiO₂和Al₂O₃的物质，要求其在1000℃煅烧后的剩余质量中，SiO₂<85%，Al₂O₃>10%>2+Al₂O₃>80%；

（2）将干燥的硫酸钠、单质碳和硅铝氧化物混匀并磨细至全过100目筛的细度；其中硫酸钠的加量按其所含Na₂SO₄与硅铝氧化物的质量比为4.0~25.0%确定，单质碳的加量为Na₂SO₄质量的5.0%~20.0%；

（3）将步骤（2）所得的混合粉体加热至850~950℃保温2~3小时，再迅速升温至1050~1150℃保温2~3小时，然后在空气中速冷至室温得到煅烧料；

（4）在煅烧料中加入石灰和石膏，混合均匀并磨细至达到200目筛余量≤10%的细度即得水泥；其中，石灰的加量按所含等当量Ca(OH)₂的质量为煅烧料的15%~40%确定，石膏的加量按等当量CaSO₄·2H₂O的质量为煅烧料的0~50%确定。

所述的单质碳指木炭、石墨、炭黑或煤及其任意多种的混合物，优选为无烟煤。

作为优选，所述的石灰泛指含有Ca(OH)₂和或>

作为优选，所述的石膏指含有CaSO₄、CaSO₄·0.5H₂O和>4·2H₂O中的任一种或多种的混合物，包括天然二水石膏、天然硬石膏、天然混合石膏、建筑石膏、煅烧无水石膏或各种工业废石膏。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明创新了一种碱激发硅铝氧化物胶凝活性的方法，所用的到含氧化钠的原料为廉价的硫酸钠，可降低水泥的制备成本；

（2）本发明提供了一种制备新型水泥的新方法，其原料煅烧时排出的硫氧化物可用常见的石灰脱硫法脱除，生成的废石膏可作为本水泥的掺和料使用，故与主流的硅酸盐水泥相比，具有碳排放低、能耗低和污染排放少的特点。

（3）由于多数工业固体废物为硅铝氧化物，可利用该方法处理固体废物，将后者转化成有用的建筑材料而消化掉。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步详细说明本发明，但本发明并不限于此。

实施例中牵涉到的硅铝氧化物有5种天然岩石、一种煤矸石和一种矿山尾矿，它们的化学成分满足其在1000℃煅烧后的剩余质量中，SiO₂<85%，Al₂O₃>10%>2+Al₂O₃>80%（见表1）；所用硫酸钠为工业无水硫酸钠，其中Na₂SO₄的含量≥98.5%；用含单质碳90%的无烟煤作为单质碳原料；所用石灰的具体种类为生石灰、熟石灰、和电石渣，前二者分别为分析纯的CaO和Ca(OH)₂，而电石渣则含85%（质量比）的Ca(OH)₂；所用石膏包括天然二水石膏、脱硫石膏、建筑石膏、硬石膏和煅烧石膏等五种，其中天然二水石膏和脱硫石膏均含90%的CaSO₄·2H₂O，建筑石膏含90%的CaSO₄·0.5H₂O，硬石膏和煅烧石膏均含90%的CaSO₄，氟石膏含45%的CaSO₄·2H₂O和45%的CaSO₄。

本发明中制备过程如下：将干燥的无水硫酸钠、硅铝氧化物和无烟煤三者混合后用水泥实验小磨研磨约30分钟，具体研磨时间以磨后粉料全过100目筛为准。其中，其中硫酸钠的加量按其所含Na₂SO₄与硅铝氧化物的质量比为4.0~25.0%确定，所用无烟煤按所含单质碳的质量为Na₂SO₄质量的5.0%~20.0%。混合粉体置于马弗炉中升温至850~950℃保温3小时，再快速升温至1050~1150℃保温2小时，然后直接取出在空气中速冷至室温。冷却后的煅烧料及后续加入的石灰和石膏分别粉磨，三者的粉磨时间约半小时，具体粉磨时间以达到200目筛余量≤10%的细度要求为准。三种经过粉磨的物料粉用混料机按比例混匀即得水泥粉体。所得水泥中，石灰的加量按所含等当量Ca(OH)₂的质量为煅烧料的15%~40%，石膏的加量按所含等当量CaSO₄·2H₂O的质量为煅烧料的0~50%。相关的实施例工艺参数详见表2。

按GB/T17671~1999的方法对表2所示的实施例的水泥胶砂进行养护和强度检测。相应的水泥强度性能数据详见表3。由表3可知，所制水泥强度性能均超过砌筑水泥的要求，多数达到PC32.5和PO42.5的要求，少数达到PO52.5的要求，说明用该方法处理并用来制备水泥的效果良好。