一種利用煤礦廢棄物制備大壩水泥的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種大壩水泥的制備方法，具體涉及一種利用煤礦廢棄物制備大壩水 泥的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大壩水泥是指水化過程中釋放水化熱量較低的適用于澆筑壩體等大體積結(jié)構(gòu)的 硅酸鹽類水泥。大壩水泥以硅酸二鈣（f-c2s)為主導(dǎo)礦物，鋁酸三鈣含量較低，因而它具有 良好的工作性、低水化熱、高后期強度、高耐久性等通用硅酸鹽水泥所不可比擬的優(yōu)點，特 別適合于重點工程如水工混凝土、大體積混凝土、高強高性能混凝土等工程的施工應(yīng)用。該 品種水泥具有如下特點： (1) 后期強度高且強度增進率高。其28d強度與通用硅酸鹽水泥相當(dāng)，后期強度增進率 遠(yuǎn)高于通用硅酸鹽水泥； (2) 水化熱低。水化熱相當(dāng)于425 #低熱礦渣水泥的水平； (3) 干縮小。其不同齡期的干縮值為通用硅酸鹽水泥的50°/『70%; (4) 水泥耐磨性能好； (5) 水泥的燒成溫度低。燒成溫度比傳統(tǒng)硅酸鹽水泥低50~100°C，窯臺時產(chǎn)量提高20% 左右，煤耗降低18%~22%，有明顯的節(jié)能、降耗和增產(chǎn)的作用。
[0003] 煤矸石中的SiO2、Al2O3及Fe 2O3的總含量一般在80 %以上，它是一種天然粘土 質(zhì)原料，可以代替粘土配料燒制大壩水泥。而煤矸石一般作為煤炭廢棄物廢棄掉，造成資源 的嚴(yán)重浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種利用煤炭廢棄物制備大壩水泥的方 法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 本發(fā)明使用原料主要為煤矸石、石灰和石膏，其組成如下：
制備方法： 按煤矸石、石灰與石膏的重量比為35: (58. 43-57. 46): (6. 53-7. 53)的比例稱取原 料，加入0. 1-0. 3%硅酸二鈣作為晶型穩(wěn)定劑，再加入3%的硼酸，磨制使細(xì)度為0. 08nm，加入 20-30%的水成型，在硅鉬爐中燒至1380°C，保溫40min，在空氣中急速冷卻即得到大壩水泥 熟料，然后與5%的石膏調(diào)凝劑混合粉磨即得。
[0006] 本發(fā)明利用煤矸石生產(chǎn)大壩水泥具有以下優(yōu)點： (1) 煤矸石利用率高。生產(chǎn)每噸該水泥可利用煤矸石30%以上，消耗量大，改變了以往 利用煤矸石生產(chǎn)普通硅酸鹽摻量少的缺點，有效的利用了該廢棄物； (2) 節(jié)能降耗。利用煤矸石生產(chǎn)大壩水泥能耗大大降低，其能耗約為普通硅酸鹽水泥 的三分之二。其降低的能耗主要來自三個方面：①煤矸石中含有一定量的碳，提供的熱量較 高。②大壩水泥燒成溫度低。其燒成溫度1250~1350°C，遠(yuǎn)低于普通硅酸鹽水泥熟料的燒 成溫度 1400~1450°C ; 大壩水泥較普硅水泥具有獨特的優(yōu)點。該品種水化熱低，即在四大礦物中（C3S、C3A、 C2SX4AF)水化放熱量最少，利用其特性，可以制備出低（中）熱水泥，以滿足特殊工程及普 通工程的應(yīng)用； (3) 應(yīng)用領(lǐng)域廣。該水泥既可應(yīng)用于普通的工民建筑工程，也可應(yīng)用于水工大壩、大型 構(gòu)筑物和大型房屋的基礎(chǔ)，即大體積工程、大壩溢流面的面層和水位變動區(qū)，水下工程等。
[0007] 本發(fā)明以山東省煤礦廢棄物為主要原料研制特種大壩水泥、對其耐久性及水化機 理進行分析研究并對其工業(yè)生產(chǎn)的可行性進行分析。該研究達(dá)到了二次資源綜合利用、節(jié) 約能源的目的，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
【附圖說明】
[0008] 圖1為實施例2制備成的熟料的XRD衍射曲線。
[0009] 圖2為A2-2試樣水化168h熱流值曲線。
[0010] 圖3為A2-2試樣水化168h熱量值曲線。
【具體實施方式】
[0011] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步的說明。
[0012] 實施例1 按煤矸石、石灰與石霄的重量比為35 :58. 43 :6. 53的比例稱取原料，加入0. 1-0. 3%娃 酸二鈣作為晶型穩(wěn)定劑，再加入3%的硼酸，磨制使細(xì)度為0. 08nm，加入20-30%的水成型，在 硅鉬爐中燒至1380°C，保溫40min，在空氣中急速冷卻即得到大壩水泥熟料，然后與5%的石 膏調(diào)凝劑混合粉磨即得。
[0013] 實施例2 按煤矸石、石灰與石霄的重量比為35 :57. 46 :7. 53的比例稱取原料，加入0. 1-0. 3%娃 酸二鈣作為晶型穩(wěn)定劑，再加入3%的硼酸，磨制，使細(xì)度為0. 08nm，加入20-30%的水成型， 在硅鉬爐中燒至1380°C，保溫40min，在空氣中急速冷卻即得到大壩水泥熟料，然后與5%的 石膏調(diào)凝劑混合粉磨即得。圖1為制備成的熟料的XRD衍射曲線。
[0014] 具體的檢測數(shù)據(jù)如下： 熟料的化學(xué)組成如表1 (其中編號A2-1為實施例1，編號A2-2為實施例2,下同）
O
[0016] 從上表看出A2-1、A2-2水泥具有較好的抗壓強度，A2-1具有很高的3h、7h強度， 但28h增幅較??；而A2-2不僅具有很高的早期強度而且具有很高的后期強度。兩水泥試樣 的凝結(jié)時間正常，符合大壩水泥對凝結(jié)時間的技術(shù)指標(biāo)要求。
[0017] 選用A2-1、A2-2兩配比制備成大壩水泥，分別采用GB/T1346-1989、GB1/T 17671-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法分別進行標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、膠砂強度的測定。其結(jié)果 如下表。
[0018]
〇
[0019] 從上表看出，水泥的凝結(jié)時間正常，比較各齡期的抗折/抗壓強度A2-UA2-2水泥 3h、7h強度均遠(yuǎn)高于中、低熱水泥的強度指標(biāo)要求，A2-2水泥28h抗壓強度遠(yuǎn)高于中、低熱 水泥的強度指標(biāo)要求，均能優(yōu)于42. 5中、低熱水泥的強度指標(biāo)要求。
[0020] 水化放熱曲線 采用TAM-2型瑞典水化熱儀測定了 A2-2水泥水化放熱量曲線，其曲線如圖2、圖3所 不。
[0021] 從圖2看出水泥加水后在2. 5h有一較大的熱流值，前峰為CtAsS水化生成針、棒 狀鈣釩石（AFt，C3A 3CaS04 32H20)所致，后峰為鋁酸鹽礦物（C4AF)水化形成鐵鋁酸鹽礦物 所致；在2. 5h以后，C2S開始水化形成C-S-H凝膠所產(chǎn)生的熱流值較平穩(wěn)。結(jié)合圖3看出 在加水48h (2d)內(nèi)水泥的累積放熱量逐漸增加并趨于平穩(wěn)，從48h水化到72h時放熱量增 加值約為10kJ/kg，達(dá)到3h放量約為205kJ/kg，7h放熱量值為240 kj/kg，達(dá)到了低熱硅酸 鹽水泥標(biāo)準(zhǔn)（GB 200- 2003)。由于早期C*Asg X4AF的水化使水泥石具有較高的早期機械 強度，C2S不斷的水化提供了較高的后期機械強度。
[0022] 為了觀察大壩水泥的耐久性，選用了 A2-1、A2-2進行了抗硫酸鹽侵蝕、抗?jié)B性、抗干縮 試驗。
[0023] 抗硫酸鹽侵蝕性 混凝土結(jié)構(gòu)遭受侵蝕的主要離子是SO42、Mg2+，這些離子通過毛細(xì)孔的擴散進入砼的內(nèi) 部與水泥的水化產(chǎn)物如水化鋁酸鹽、C-S-H凝膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或生成膨脹產(chǎn)物（AFt)或生 成無膠凝性的產(chǎn)物，破壞了水泥的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致構(gòu)筑物的破壞。將A2-UA2-2水泥按標(biāo)準(zhǔn)方法 制成40 X 40 X 160mm砂漿試體，先在淡水中養(yǎng)護14h，然后在侵蝕液中浸泡28h、測定它們的 強度，觀察水泥砂漿試體經(jīng)侵蝕離子SO42、Mg2+浸蝕后強度的變化規(guī)律。并以淡水中養(yǎng)護的 同齡期強度為100%，換算成相對強度值，再從強度損失率來判斷水泥抗硫酸鹽侵蝕性能的 優(yōu)劣，其試驗結(jié)果如下表。 大壩水泥抗硫酸鹽侵蝕性能（MPa/%)
[0024] 上述實驗結(jié)果表明，A2-1、A2-2水泥在各侵蝕液中抗折強度均有不同程度的提 高，抗壓強度也能保持淡水中養(yǎng)護同齡期試體的強度，因而比普通硅酸鹽水泥具有較高的 抗硫酸鹽侵蝕能力。由于該水泥石體系中Ca(OH)2^量較低，形成的低鈣硅化的C一S- H 凝膠提高了該水泥的抗侵蝕能力。
[0025] 抗?jié)B性 水泥的抗?jié)B性是影響水泥混凝土耐久性（例如水泥的抗凍性、抗化學(xué)侵蝕性、抗大氣 穩(wěn)定性等性能）的一個重要因素。影響水泥抗?jié)B性的重要因素是水泥石結(jié)構(gòu)中大于1000A 的連通大孔的孔體積率，若該孔的體積率較低，則水分子或其它離子的迀移較為困難，水泥 的抗?jié)B性較好，否則，抗?jié)B性就較低。將A2-UA2-2水泥試樣制成?70X35mm的砂漿試體， 其中W/C=0. 44,灰/砂=1:2. 5。砂漿試體的抗?jié)B水性是指試體Id脫模后經(jīng)20±3°C、相對 濕度大于90%養(yǎng)護7h時，在滲透儀上，水壓為IMPa保持時間為IOh不透水為良好。
[0026] A2-1、A2-2水泥抗水滲透性
[0027] 從上表實驗數(shù)據(jù)中可以看出，與普硅水泥相比，A2-UA2-2滲水高度基本相同即抗 滲水性基本相同，均表現(xiàn)出較好的抗?jié)B性。說明活性礦物的水化填充了水泥石的孔隙，阻斷 了大孔的連通，切斷水分子的擴散通道，提高了水泥石的抗?jié)B水性。
[0028] 干縮性 在水泥的水化過程中，無水的熟料礦物轉(zhuǎn)變?yōu)樗铮滔囿w積逐漸增加，但水泥一水 體積的總體積卻在不斷縮小。例如： C3A+3CaS04 . 2H 2〇+25H20 ^ C3A . 3CaS04 . 3IH2O (I) 在（1)式中固相體積增加129. 55%，而體系的絕對體積減少6. 15%，產(chǎn)生了化學(xué)收縮；水 泥漿體中水分蒸發(fā)會引起干燥收縮；空氣中的〇)2在一定的溫度下，使水泥硬化漿體的水化 產(chǎn)物分解，釋放出水分而引起碳化收縮等。這些收縮將使水泥石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，影響了水 泥的一系列性能例如：物理強度、抗?jié)B性、抗凍性和抗化學(xué)侵蝕性等。測定了 A2-UA2-2水 泥不同齡期的干縮率，并與礦渣硅酸鹽水泥BO比較，以判斷該水泥抵抗干縮的能力，實驗 結(jié)果如表所示（"一"代表收縮）。膠砂干縮率按GB751-81方法測定，水灰比、灰砂比、養(yǎng)護 溫度、相對濕度分別為〇. 44、0. 4、20±3°C和60±5%，試體尺寸為25X25X250mm。
[0029] 水泥的干縮率（10 4)
[0030] 從上表看出，從7h到21h這段時間內(nèi)，各水泥的收縮率較大，在這段時間內(nèi)水泥石 結(jié)構(gòu)較為疏松，水分易于蒸發(fā)，而發(fā)生干燥收縮。但在21h以后，收縮率變化都較小，已趨于 穩(wěn)定。水化反應(yīng)產(chǎn)物越多，水泥石的結(jié)構(gòu)越致密，防止水分蒸發(fā)的能力越強，收縮變化較小。 與BO相比較，A2-1、A2-2水泥的收縮率較低，說明了這種水泥抵抗干縮能力不低于礦渣硅 酸鹽水泥。
【主權(quán)項】
1. 一種利用煤礦廢棄物制備大壩水泥的方法，其特征在于，包括如下步驟： 按煤矸石、石灰與石膏的重量比為35: (58. 43-57. 46): (6. 53-7. 53)的比例稱取原 料，加入0. 1-0. 3%硅酸二鈣作為晶型穩(wěn)定劑，再加入3%的硼酸，磨制使細(xì)度為0. 08nm，加入 20-30%的水成型，在硅鉬爐中燒至1380°C，保溫40min，在空氣中急速冷卻即得到大壩水泥 熟料，然后與5%的石膏調(diào)凝劑混合粉磨即得。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種利用煤礦廢棄物制備大壩水泥的方法，包括如下步驟：按煤矸石、石灰與石膏的重量比為35:（58.43-57.46）:（6.53-7.53）的比例稱取原料，加入0.1-0.3%硅酸二鈣作為晶型穩(wěn)定劑，再加入3%的硼酸，磨制使細(xì)度為0.08nm，加入20-30%的水成型，在硅鉬爐中燒至1380℃，保溫40min，在空氣中急速冷卻即得到大壩水泥熟料，然后與5%的石膏調(diào)凝劑混合粉磨即得。本發(fā)明實現(xiàn)了二次資源綜合利用、節(jié)約能源的目的，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
【IPC分類】C04B7/14
【公開號】CN105000813
【申請?zhí)枴緾N201510421076
【發(fā)明人】魏健, 于學(xué)峰, 洪飛
【申請人】山東省地質(zhì)科學(xué)研究院
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月17日