一種大摻量工業(yè)廢渣硅酸鹽水泥制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型低污染低能耗硅酸鹽水泥的制備方法，特別是一種大摻量工 業(yè)廢渣硅酸鹽水泥的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國鋼鐵、電力、化工等行業(yè)年平均排放的固態(tài)工業(yè)廢棄物已達(dá)10多億噸，具體 有:粉煤灰2億噸、礦渣近1億噸、鋼渣0.2億噸、煤矸石2億多噸、廢棄混凝土及建筑垃圾10多 億噸、城市污泥0.5億噸、工業(yè)尾礦2.6億噸，目前我國固體廢棄物綜合利用率不到40 %，已 累積固體廢棄物達(dá)70億噸，占地約7萬Km2,造成極大的環(huán)境污染與土地資源浪費(fèi)。在上述工 業(yè)廢棄物中，除了礦渣得到很好利用外，總量多達(dá)數(shù)億噸的粉煤灰、鋼渣、煤矸石、廢棄混凝 土及建筑垃圾有效利用率很低。與此同時(shí)，由于水泥普遍的生產(chǎn)和使用導(dǎo)致資源和能源的 消耗猛增，其粉塵與氣體的排放對自然環(huán)境造成的污染也日益嚴(yán)重。
[0003] 兩型社會的建設(shè)迫切需要實(shí)現(xiàn)對這些工業(yè)廢棄物進(jìn)行深加工、充分發(fā)揮其潛在活 性，使之成為水泥和水泥基材料中能夠調(diào)節(jié)性能的輔助性膠凝材料，大摻量替代水泥，以減 少水泥工業(yè)生產(chǎn)過程中的資源消耗與污染排放，為改善人類居住環(huán)境做出重要貢獻(xiàn)。因此， 將這些工業(yè)廢渣作為水泥混合材，實(shí)現(xiàn)大摻量混合材水泥生產(chǎn)是解決上述問題的最有效途 徑。
[0004] 為了充分發(fā)揮工業(yè)廢渣作為水泥中輔助膠凝材料的膠凝性能及其協(xié)同效應(yīng)，就要 充分利用粉煤灰等工業(yè)廢渣在水泥中的三大效應(yīng)，即火山灰效應(yīng)、形貌效應(yīng)、填充效應(yīng)。但 目前現(xiàn)有研究利用三大效應(yīng)提高水泥中工業(yè)廢渣摻量普遍出現(xiàn)的難點(diǎn)問題是：當(dāng)采用大摻 量工業(yè)廢渣時(shí)（工業(yè)廢渣摻量達(dá)到20%以上），水泥強(qiáng)度明顯降低，且工業(yè)廢渣摻量越大，水 泥強(qiáng)度下降越多，無法制得高強(qiáng)度等級水泥。
[0005] 專利號為CN02132606.1的專利采取的大摻量粉煤灰復(fù)合水泥生產(chǎn)方法需要將粉 煤灰磨成超細(xì)粉，且水泥熟料摻量為45%-55%，不僅對水泥的需求較大，還提高了生產(chǎn)成 本。專利號CN200610114203.9的專利提出一種可將粉煤灰摻量達(dá)到40%的高摻量水泥制備 方法，但該專利生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，其原料中的石膏需要在700-900°C煅燒，同時(shí)還需將減 水劑和激發(fā)劑加工成粉末狀方可使用。專利申請?zhí)朇N201410819526.2提出采用納米材料制 備大摻量粉煤灰水泥，但其專利中所采用的納米材料Sn0 2成本較高，且由于納米材料過于 細(xì)小容易產(chǎn)生顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，常規(guī)手段難以與其他材料混合均勻，不利于大規(guī)模工業(yè)化生 產(chǎn)。專利號CN201310477026.0提出采用納米勃姆石制備大摻量粉煤灰水泥，但其生產(chǎn)方法 中所采用的納米材料需要采用超聲分散，早期3天抗壓強(qiáng)度也僅有15MPa左右，距我國普通 硅酸鹽P042.5水泥3天抗壓強(qiáng)度要求大于等于22MPa相差較遠(yuǎn)。這主要是因?yàn)楣I(yè)廢渣作為 輔助性膠凝材料活性遠(yuǎn)低于水泥，二次水化火山灰效應(yīng)僅發(fā)生工業(yè)廢渣表面，反應(yīng)程度較 低，同時(shí)在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)條件下，水泥顆粒級配良好，顆粒間空間有限，僅能密實(shí)填充 少量的磨細(xì)后的工業(yè)廢渣，而粉煤灰等工業(yè)廢渣磨細(xì)后往往孔隙增多，需水性增大，不再具 有減水的形貌效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是要提供一種大摻量工業(yè)廢渣硅酸鹽水泥制備方法，解決工業(yè)廢渣 的堆放和再利用問題，同時(shí)降低水泥產(chǎn)業(yè)對環(huán)境的污染和對能源的消耗，保證原水泥強(qiáng)度 等級不降低的目的。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：制備方法是在普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上， 將水泥熟料顆粒磨細(xì)后，將水泥熟料+5%二水石膏粉磨超細(xì)制得超細(xì)水泥，利用較細(xì)的水 泥熟料顆粒密實(shí)填充在混合材顆粒間隙中，使膠凝體系整體在水化之前達(dá)到最緊密堆積狀 態(tài)，加速膠凝體系整體水化反應(yīng)過程并提高水化產(chǎn)物的密實(shí)程度，提高膠凝材料整體強(qiáng)度， 然后將化學(xué)活化的工業(yè)廢渣作為混合材等量取代70 %-80 %的超細(xì)水泥，大摻量工業(yè)廢渣 作為水泥混合材使用，混合均勻后即得該種水泥，該水泥其強(qiáng)度等級等同或高于原硅酸鹽 水泥強(qiáng)度等級；
[0008] 制備過程包括:兩磨一混，即磨制超細(xì)水泥、磨制活性工業(yè)廢渣和混料工藝，具體 方法過程如下：
[0009] (1)磨制超細(xì)水泥:利用球磨機(jī)將普通水泥熟料+5%二水石膏磨細(xì)制備而成，其基 本要求是粒徑分布區(qū)間ΧΙΟ < 〇.8μπι，Χ50 < 2μπι，Χ90 < 3μπι;其中X1Q為材料顆粒群 的粒徑分布為10 %時(shí)的粒徑，即小于此粒徑的顆粒體積占總體積的10 %，X5Q和X9Q與Χ?ο同 理;Xav為顆粒的平均粒徑；
[001 0] (2)活化工業(yè)廢渣制備：按照粉煤灰：20-60%、礦渣：30-70%、元明粉:2-3%和高 強(qiáng)石膏(a-CaS04 · 0.5H20) :4-8%混合磨細(xì)制備化學(xué)活化的工業(yè)廢渣，其粉磨細(xì)度要求是比 表面積35〇-45〇1112/1^，0.081111]1篩余量不大于3%;
[0011] (3)混料工藝：將化學(xué)活化的工業(yè)廢渣作為混合材等量取代70%-80%的超細(xì)水 泥，混合均勻即得該種水泥；當(dāng)工業(yè)廢渣取代率為70 %時(shí)，即70 %工業(yè)廢渣+30 %水泥熟料 混合均勻后，可制的PC52.5水泥，當(dāng)工業(yè)廢渣取代率為80%時(shí)，即80%工業(yè)廢渣+20 %水泥 熟料混合均勻后，可制的PC42.5水泥，且其它各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足國家GB175-2007通用硅 酸鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)。
[0012] 所述的二水石膏為天然二水石膏或脫硫石膏;所述的粉煤灰為以煤為燃料的火力 發(fā)電廠排放的m級及以下低品位粉煤灰;所述的礦渣為高爐冶煉生鐵時(shí)，所得以硅酸鹽與 硅鋁酸鹽為主要成分的熔融物，經(jīng)淬冷成粒后的?；郀t礦渣;所述的元明粉為工業(yè)級的 無水硫酸鈉;所述的高強(qiáng)石膏為a-CaS0 4.1/2H20，系α型半水石膏。
[0013] 有益效果：由于采用了上述技術(shù)方案，該制備方法分析了水泥熟料-工業(yè)廢渣膠凝 體系的粒徑分布區(qū)間和顆粒堆積狀況，采用粉體工程中的最緊密堆積理論，將水泥熟料顆 粒磨細(xì)后，利用較細(xì)的水泥熟料顆粒密實(shí)填充在混合材顆粒間隙中，使膠凝體系整體在水 化之前達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)，加速膠凝體系整體水化反應(yīng)過程并提高水化產(chǎn)物的密實(shí)程 度，最終提高膠凝材料整體強(qiáng)度，從而滿足了大摻量工業(yè)廢渣作為水泥混合材使用，且保證 水泥強(qiáng)度等級不降低這一要求;工業(yè)廢渣摻量可達(dá)70 %-80 %。
[0014] 優(yōu)點(diǎn)：
[0015] 1)水泥熟料取代率高，同時(shí)水泥強(qiáng)度不降低：工業(yè)廢渣作為水泥混合材取代70% 水泥熟料時(shí)，可制得PC52.5水泥，當(dāng)取代80 %水泥熟料時(shí)，可制得PC42.5水泥。而其他硅酸 鹽水泥，如普通硅酸鹽水泥，混合材摻量為5 % -20 %，復(fù)合硅酸鹽水泥，混合材摻量為20 % -50%。當(dāng)混合材含量繼續(xù)提高，水泥強(qiáng)度急劇下降。
[0016] 2)材料制備工藝簡單:水泥熟料僅需磨至一定細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)即可，工業(yè)廢渣按一定比 例稱量，同時(shí)加入一定量化學(xué)激發(fā)劑，磨至一定細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)即可，無需特殊工藝，僅需對現(xiàn)有 水泥生產(chǎn)磨制工藝進(jìn)行調(diào)整即可。
[0017] 3)生產(chǎn)工藝簡單易行：將制備好的水泥熟料和工業(yè)廢渣按按一定比例混合均勻 后，即可得到水泥成品，通過控制水泥熟料和工業(yè)廢渣的比例可配置不同強(qiáng)度等級的水泥， 其生產(chǎn)工藝簡單、方便，有利于工業(yè)化生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。
[0018] 4)原材料成本低廉:該水泥中主要原料為工業(yè)廢渣、粉煤灰和礦渣，同時(shí)無需高溫 煅燒，其成本較水泥熟料生產(chǎn)低廉許多。
[0019] 5)良好的施工性能及耐久性能:利用該方法生產(chǎn)的水泥各齡期強(qiáng)度等同或高于同 等級普通硅酸鹽水泥，并具有水化熱低(可配制大體積混凝土），早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度增進(jìn) 率大等各項(xiàng)優(yōu)良的施工性能，同時(shí)所配制的混凝土等水泥基材料具有抗?jié)B、抗硫酸鹽侵蝕、 抗化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)等各項(xiàng)優(yōu)良的耐久性能。
[0020] 6)顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益:利用工業(yè)廢渣大量替代水泥熟料，能夠 減緩水泥工業(yè)中對粘土和石灰石泥等不可再生資源的過快消耗，將工業(yè)廢渣變廢為寶，逐 步消除工業(yè)廢渣帶來的種種環(huán)境污染問題。本發(fā)明的所制得的大摻量工業(yè)廢渣硅酸鹽水泥 成本低廉，經(jīng)計(jì)算，每噸水泥造價(jià)可降低20 % -30 %。2014年我國水泥產(chǎn)量24.76億噸，而與 此同時(shí)粉煤灰產(chǎn)量約5.5億噸，礦渣產(chǎn)量約1.2億噸，如果每年有2~3億噸的工業(yè)廢渣用于 替代水泥熟料生成硅酸鹽水泥，其所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益將無法估量。
[0021] 優(yōu)點(diǎn):采用粉體工程中的最緊密堆積理論，將水泥熟料顆粒磨細(xì)后，利用較細(xì)的水 泥熟料顆粒密實(shí)填充在混合材顆粒間隙中，使膠凝體系整體在水化之前達(dá)到最緊密堆積狀 態(tài)，加速膠凝體系整體水化反應(yīng)過程并提高水化產(chǎn)物的密實(shí)程度，最終提高膠凝材料整體 強(qiáng)度，從而滿足了大摻量工業(yè)廢渣作為水泥混合材使用（工業(yè)廢渣摻量可達(dá)70%_80%)且 保證原水泥強(qiáng)度等級不降低這一要求。利用工業(yè)廢渣大量替代水泥熟料，能夠減緩水泥工 業(yè)中對粘土和石灰石泥等不可再生資源的過快消耗，將工業(yè)廢渣變廢為寶，提高工業(yè)廢渣 利用率，逐步消除工業(yè)廢渣帶來的種種環(huán)境污染問題，不僅保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，同時(shí)具有顯著 的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 制備方法是在普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將水泥熟料顆粒磨細(xì)后，將水 泥熟料+5%二水石膏粉磨超細(xì)制得超細(xì)水泥，利用較細(xì)的水泥熟料顆粒密實(shí)填充在混合材 顆粒間隙中，使膠凝體系整體在水化之前達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)，加速膠凝體系整體水化反 應(yīng)過程并提高水化產(chǎn)物的密實(shí)程度，提高膠凝材料整體強(qiáng)度，然后將化學(xué)活化的工業(yè)廢渣 作為混合材等量取代70 %-80 %的超細(xì)水泥，大摻量工業(yè)廢渣作為水泥混合材使用，混合均 勻后即得該種水泥，該水泥其強(qiáng)度等級等同或高于原硅酸鹽水泥強(qiáng)度等級。
[0023] 制備過程包括:兩磨一混，即磨制超細(xì)水泥、磨制活性工業(yè)廢渣和混料工藝，具體 方法過程如下：
[0024] (1)磨制超細(xì)水泥:利用