專利名稱：用于水泥的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于水泥的增強(qiáng)劑及其制備方法。本發(fā)明尤其是涉及一種用于水泥的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑及其制備方法。
大家知道，一般來(lái)說(shuō)水泥生產(chǎn)廠生產(chǎn)出來(lái)的水泥有粉煤灰水泥、礦渣水泥、復(fù)合水泥和道路水泥等，它們是通過(guò)在水泥熟料中分別添加粉煤灰、礦渣、粉煤灰和礦渣等混合材得到的，隨著摻合料的增加水泥強(qiáng)度逐步下降，如何提高混合材的用量而保證水泥的質(zhì)量一直是人們研究的目標(biāo)。
目前國(guó)內(nèi)外有多種水泥添加劑，例如在1987年11月26日申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮镴P1987000298167的專利申請(qǐng)中披露了一種水泥組合物，它是在水泥中添加海泡石和纖維素基的混合物制得。該水泥組合物能用來(lái)制造強(qiáng)度高并且抗沖擊性優(yōu)異的模塑水泥體。由于在此水泥組合物中使用了有機(jī)成分，故費(fèi)用較高。
又如在1988年6月22日申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮镴P1988000154505的專利申請(qǐng)中披露了一種水泥組合物，它包含(A)100重量份水泥，(B)5-100重量份無(wú)機(jī)聚集體(它主要由球形聚集體如粒徑為1-100微米的飛灰和1-20重量％的超細(xì)顆粒聚集體如粒徑為0.01-1微米的微硅石組成)，(C)3-50重量份，較好為5-300重量份海泡石，(D)0.2-10重量份增強(qiáng)纖維和(E)0.1-10重量份，較好為0.5-5重量份的纖維素混合物(甲基纖維素等)。該水泥組合物能用來(lái)制造強(qiáng)度高、抗沖擊性好的模塑產(chǎn)品。同樣由于使用了有機(jī)成分，該水泥添加劑的費(fèi)用偏高。
近年來(lái)在國(guó)內(nèi)也研制出多種用于水泥的添加劑。例如在1995年12月19日申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?5112816的專利申請(qǐng)中披露了一種水泥安定劑，它由明礬石、石膏和沸石或含活性SiO2為主的工業(yè)廢渣組成，其中明礬石為25-50％，石膏為20-30％，沸石或含活性SiO2為主的工業(yè)廢渣為25-50％。
上述所有這些水泥添加劑的主要目的都是為了改善和提高水泥的某種性能，但它們不能多摻加混合材，故價(jià)格偏高。
本發(fā)明針對(duì)已有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提供一種用于水泥的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑。該增強(qiáng)劑能降低水泥的生產(chǎn)成本，大幅度提高水泥混合材的摻加量，同時(shí)又充分地保證水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo)，甚至提高水泥的性能。此外該種增強(qiáng)劑也適用于混凝土。本發(fā)明還提供這種增強(qiáng)劑的制備方法。
本發(fā)明提供的用于水泥的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑按重量計(jì)包含20-50％的明礬石，30-60％的無(wú)水石膏，10-25％的煤矸石和0-30％的海泡石。
本發(fā)明采用的明礬石是一種硫酸鋁鉀固體，其化學(xué)組成為KAl3[SO4]2[OH]6。本發(fā)明也可以采用工業(yè)廢料礬渣來(lái)代替明礬石?；蛘呤褂妹鞯\石和礬渣的混合物。在本發(fā)明中，明礬石主要是用于縮短水泥的凝結(jié)時(shí)間，提高早期強(qiáng)度并保持后期強(qiáng)度。經(jīng)研究認(rèn)為當(dāng)在水泥中加入水后，明礬石與水泥的有效成分結(jié)合生成大量的鐵鋁酸四鈣，從而形成富鐵鈣礬石，這樣就提高了水泥的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。
本發(fā)明采用的無(wú)水石膏是普通石膏經(jīng)脫水后形成的一種高強(qiáng)石膏，其主要成分是CaSO4，它也稱為硬石膏。在本發(fā)明中，無(wú)水石膏主要是用于提高水泥的強(qiáng)度。同樣，也可以直接采用天然硬石膏。
本發(fā)明采用的煤矸石是一種煤的廢料(劣質(zhì)煤)，它主要含有三氧化二鋁和二氧化硅，其比例大約為1∶1，并含有少量的碳酸鈣。添加煤矸石可用于調(diào)節(jié)粉煤灰和礦渣等廢料中活性成分，即三氧化二鋁的含量，克服因添加廢料而使水泥質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。
本發(fā)明采用的海泡石是一種具鏈層狀結(jié)構(gòu)的含水硅酸鎂纖維狀粘土礦物。其礦物分子式為Si12Mg8O30(OH)6(OH2)4·6H2O。海泡石能吸附本身重量二倍的水分，形成結(jié)晶水后又緩慢地釋放出來(lái)，從而提高水泥的后期強(qiáng)度。本發(fā)明也可以使用膨潤(rùn)土或白泥來(lái)代替海泡石，具有同樣效果。
在本發(fā)明中，以增強(qiáng)劑的總重量計(jì)，明礬石的用量一般為20-50％，較好為25-40％；無(wú)水石膏的用量一般為30-60％，較好為35-50％；煤矸石的用量一般為10-25％，較好為15-25％；海泡石的用量一般為0-30％，較好為0-15％。針對(duì)水泥廠生產(chǎn)的三種水泥，該增強(qiáng)劑的最佳組成和各組分的含量(以重量計(jì))是，用于粉煤灰水泥的增強(qiáng)劑包含30％的明礬石，50％的無(wú)水石膏，5％的海泡石和15％的煤矸石；用于礦渣水泥的增強(qiáng)劑包含25％的明礬石，50％的無(wú)水石膏和25％的煤矸石；用于復(fù)合水泥的增強(qiáng)劑包含37.5％的明礬石，37.5％的無(wú)水石膏，12.5％的煤矸石和12.5％的海泡石。
根據(jù)水泥質(zhì)量的要求，本發(fā)明無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑占水泥總重量的3-8％，較好為4-8％。
本發(fā)明的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑不僅適用于水泥，而且也適用于混凝土，用于混凝土?xí)r同樣取得了優(yōu)良的效果。
本發(fā)明的另一個(gè)方面是提供用于水泥的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑的制備方法，該方法包括分別煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石1-4小時(shí)，冷卻后與烘干冷卻的海泡石按比例混合。
煅燒和烘干的溫度和時(shí)間取決于加料的多少、所用的設(shè)備等因素。在所述制備方法中，煅燒明礬石的溫度一般為450-600℃，較好為470-550℃，最佳為500℃。煅燒普通石膏的溫度一般為650-850℃，較好為680-700℃，最佳為700℃。煅燒煤矸石的溫度一般為500-1000℃，較好為800-900℃。由于煤矸石具有自燃的性能，故在實(shí)踐中通常將其堆放在一起使其自燃而達(dá)到煅燒的目的。對(duì)海泡石進(jìn)行烘干的溫度一般為100-300℃，較好為120-200℃，烘干時(shí)間一般為1-3小時(shí)，較好為2小時(shí)左右。對(duì)明礬石、普通石膏和煤矸石的煅燒時(shí)間一般分別為1-4小時(shí)，較好為2-3小時(shí)。
將上述制得的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑直接加到水泥熟料中，并添加粉煤灰、礦渣等廢料而后球磨制得抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度高的水泥。
與已有技術(shù)中的添加劑相比，本發(fā)明制得的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑具有意想不到的優(yōu)異效果。首先由于使用了本發(fā)明的增強(qiáng)劑可以大幅度提高水泥混合材的摻加量，例如粉煤灰的摻加量可高達(dá)30-65％，礦渣的摻加量可高達(dá)20-70％，粉煤灰和礦渣的總摻加量可高達(dá)55-60％。以年產(chǎn)10萬(wàn)噸水泥廠的規(guī)模計(jì)算，使用本發(fā)明的增強(qiáng)劑可加大混合材的摻加量，實(shí)際產(chǎn)量可高達(dá)15萬(wàn)噸左右。平均生產(chǎn)成本每噸可降低20元左右，廠凈利潤(rùn)可達(dá)200萬(wàn)元以上。其二可任意調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時(shí)間從10分鐘至12小時(shí)，這樣就擴(kuò)大了所制得的水泥的應(yīng)用范圍。其三是提高水泥的早期強(qiáng)度，例如3天后的抗壓強(qiáng)度可高達(dá)26 MPa以上，而普通水泥只能達(dá)到18-21 MPa。其四是使水泥的抗折、抗凍和抗?jié)B性能都有所提高。其五是降低水泥的水化熱，例如3天的水化熱為50-60 J/g，這樣就便于了水泥的施工。其六本發(fā)明的增強(qiáng)劑還可用于混凝土，這樣一種添加劑兩種用途，提高了使用效率。另外本發(fā)明的增強(qiáng)劑屬無(wú)機(jī)礦物材料，無(wú)毒無(wú)污染，性能穩(wěn)定，儲(chǔ)存在干燥環(huán)境下不會(huì)變質(zhì)。
本發(fā)明將結(jié)合下述特定的實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明，應(yīng)明白的是本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。在下述實(shí)施例中，除另有說(shuō)明外，份數(shù)均按重量計(jì)。在下述實(shí)施例中，凝結(jié)時(shí)間采用凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀測(cè)量；抗壓強(qiáng)度采用抗壓負(fù)載為30噸的抗壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)量；抗折強(qiáng)度采用抗折負(fù)載為11.7 MPa的抗折試驗(yàn)機(jī)測(cè)量；水化熱采用水化熱測(cè)定儀測(cè)量。在下述實(shí)施例中的明礬石、普通石膏、煤矸石和海泡石都可以商購(gòu)或直接從礦區(qū)得到。
實(shí)施例1分別在3個(gè)100厘米×100厘米×500厘米的立窯中以450℃、650℃和500℃的溫度煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石4小時(shí)。冷卻后取2份明礬石、4份無(wú)水石膏和2份煤矸石在攪拌器中攪拌混合制得增強(qiáng)劑。將該增強(qiáng)劑與30份礦渣和62份水泥熟料在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，制得礦渣水泥。測(cè)量該水泥的三天和二十八天的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，以及水泥的凝結(jié)時(shí)間和三天的水化熱，結(jié)果列于表1中。
實(shí)施例2分別在3個(gè)100厘米×100厘米×500厘米的立窯中以550℃、700℃和850℃的溫度煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石2.5小時(shí)。另外在一溫度設(shè)置為300℃的烘箱內(nèi)烘干海泡石，時(shí)間為1小時(shí)。冷卻后取2.4份明礬石、4份無(wú)水石膏、1.2份煤矸石和0.4份海泡石在攪拌器中攪拌混合制得增強(qiáng)劑。將該增強(qiáng)劑與40份粉煤灰和52份水泥熟料在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，制得粉煤灰水泥。按實(shí)施例1所述測(cè)量該水泥的性能。結(jié)果列于表1中。
實(shí)施例3分別在3個(gè)100厘米×100厘米×500厘米的立窯中以600℃、850℃和1000℃的溫度煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石1小時(shí)。另外在一溫度設(shè)置為100℃的烘箱內(nèi)烘干海泡石，時(shí)間為3小時(shí)。冷卻后取3份明礬石、3份無(wú)水石膏、1份煤矸石和1份海泡石在攪拌器中攪拌混合制得增強(qiáng)劑。將該增強(qiáng)劑與30份粉煤灰、30份礦渣和32份水泥熟料在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，制得復(fù)合水泥。按實(shí)施例1所述測(cè)量該水泥的性能。結(jié)果列于表1中。
實(shí)施例4分別在3個(gè)100厘米×100厘米×500厘米的立窯中以550℃、700℃和900℃的溫度煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石3小時(shí)。另外在一溫度設(shè)置為110℃的烘箱內(nèi)烘干海泡石，時(shí)間為2小時(shí)。冷卻后取0.6份明礬石、0.9份無(wú)水石膏、0.6份煤矸石和0.9份海泡石在攪拌器中攪拌混合制得增強(qiáng)劑。將該增強(qiáng)劑與70份礦渣和27份水泥熟料在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，制得礦渣水泥。按實(shí)施例1所述測(cè)量該水泥的性能。結(jié)果列于表1中。
實(shí)施例5分別在3個(gè)100厘米×100厘米×500厘米的立窯中以600℃、700℃和950℃的溫度煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石2.3小時(shí)。冷卻后取3份明礬石、2.4份無(wú)水石膏和0.6份煤矸石在攪拌器中攪拌混合制得增強(qiáng)劑。將該增強(qiáng)劑與65份粉煤灰和29份水泥熟料在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，制得粉煤灰水泥。按實(shí)施例1所述測(cè)量該水泥的性能。結(jié)果列于表1中。
實(shí)施例6分別在3個(gè)100厘米×100厘米×500厘米的立窯中以550℃、770℃和650℃的溫度煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石3小時(shí)。另外在一溫度設(shè)置為120℃的烘箱內(nèi)烘干海泡石，時(shí)間為2.5小時(shí)。冷卻后取2份明礬石、3份無(wú)水石膏、1份煤矸石和1份海泡石在攪拌器中攪拌混合制得增強(qiáng)劑。將該增強(qiáng)劑與20份礦渣和73份水泥熟料在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，制得礦渣水泥。按實(shí)施例1所述測(cè)量該水泥的性能。結(jié)果列于表1中。
實(shí)施例7分別在3個(gè)100厘米×100厘米×500厘米的立窯中以550℃、700℃和800℃的溫度煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石3.5小時(shí)。另外在一溫度設(shè)置為200℃的烘箱內(nèi)烘干海泡石，時(shí)間為2.5小時(shí)。冷卻后取1.4份明礬石、2.8份無(wú)水石膏、0.7份煤矸石和2.1份海泡石在攪拌器中攪拌混合制得增強(qiáng)劑。將該增強(qiáng)劑與40份粉煤灰和53份水泥熟料在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，制得粉煤灰水泥。按實(shí)施例1所述測(cè)量該水泥的性能。結(jié)果列于表1中。
實(shí)施例8分別在3個(gè)100厘米×100厘米×500厘米的立窯中以500℃、700℃和800℃的溫度煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石3小時(shí)。冷卻后取2.4份明礬石、4.8份無(wú)水石膏和0.8份煤矸石在攪拌器中攪拌混合制得增強(qiáng)劑。將該增強(qiáng)劑與30份礦渣和62份水泥熟料在球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，制得礦渣水泥。測(cè)量該水泥的三天和二十八天的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，以及水泥的凝結(jié)時(shí)間和三天的水化熱，結(jié)果列于表1中。
實(shí)施例9將實(shí)施例4制得的增強(qiáng)劑與97份混凝土在攪拌機(jī)中攪拌。制得混凝土。該混凝土在28天時(shí)達(dá)到的抗壓強(qiáng)度超過(guò)同配合比混凝土(不加增強(qiáng)劑)的15％。
對(duì)比例1將4份無(wú)水石膏、64份水泥熟料和32份粉煤灰在球磨機(jī)中球磨，制得粉煤灰水泥。按實(shí)施例1所述測(cè)量該水泥的性能。結(jié)果列于表1中。表1
從上面的實(shí)施例和所列的數(shù)據(jù)可以清楚地看出，添加有本發(fā)明增強(qiáng)劑的水泥(無(wú)論是粉煤灰水泥、礦渣水泥，還是復(fù)合水泥)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都明顯比不加入本發(fā)明增強(qiáng)劑的普通水泥的高，而且水化熱下降，這樣在水泥中加入水時(shí)所產(chǎn)生的熱量少，故水泥的收縮和膨脹都很小、有利于水泥穩(wěn)定。此外添加有本發(fā)明增強(qiáng)劑的水泥的凝結(jié)時(shí)間可以從10分鐘調(diào)節(jié)到12小時(shí)，這樣它就能適用于從搶險(xiǎn)工程到大體積混凝土工程的廣泛應(yīng)用。
權(quán)利要求
1．一種用于水泥的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑，按重量計(jì)，它包含20-50％的明礬石，30-60％的無(wú)水石膏，10-25％的煤矸石和0-30％的海泡石。
2．如權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)劑，它包含25％的明礬石，50％的無(wú)水石膏和25％的煤矸石。
3．如權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)劑，它包含30％的明礬石，50％的無(wú)水石膏，5％的海泡石和15％的煤矸石。
4．如權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)劑，它包含37.5％的明礬石，37.5％的無(wú)水石膏，12.5％的煤矸石和12.5％的海泡石。
5．一種制備如權(quán)利要求1所述的用于水泥的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑的方法，它包括分別煅燒明礬石、普通石膏和煤矸石1-4小時(shí)，冷卻后與烘干冷卻的海泡石按比例混合。
6．如權(quán)利要求5所述的方法，其中明礬石的煅燒溫度為450-600℃。
7．如權(quán)利要求5所述的方法，其中普通石膏的煅燒溫度為650-850℃。
8．如權(quán)利要求5所述的方法，其中煤矸石的煅燒溫度為500-1000℃。
9．如權(quán)利要求5所述的方法，其中海泡石的烘干溫度為100-300℃，烘干時(shí)間為1-3小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于水泥的無(wú)機(jī)礦物材料增強(qiáng)劑,按重量計(jì),它包含20－50%的明礬石,30－60%的無(wú)水石膏,10－25%的煤矸石和0－30%的海泡石。該增強(qiáng)劑顯著地降低了水泥的生產(chǎn)成本,大幅度提高了水泥混合材的摻加量,同時(shí)又能充分地保證水泥的各項(xiàng)性能指標(biāo),甚至提高水泥的性能。另外該種增強(qiáng)劑也適用于混凝土。本發(fā)明還提供這種增強(qiáng)劑的制備方法。
文檔編號(hào)C04B22/14GK1323755SQ0011568
公開(kāi)日2001年11月28日 申請(qǐng)日期2000年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月15日
發(fā)明者凌一心 申請(qǐng)人:上海師范大學(xué)