一種煤矸石活性混合材、其制備方法以及一種高性能水泥

一種煤矸石活性混合材、其制備方法以及一種高性能水泥

技術領域

本發(fā)明涉及建筑材料，特別涉及水泥工業(yè)中的活性混合材料及其制備方法，以及 由該活性混合材料而形成的新型高性能水泥。

背景技術

隨著水泥混凝土技術的發(fā)展，水泥混凝土正朝著高性能化的方向發(fā)展。高性能水 泥混凝土應該具有低的環(huán)境負荷、高的強度以及優(yōu)異的耐久性等顯著特點。低的環(huán)境 負荷主要體現(xiàn)在能源和資源消耗要低，具體地說就是水泥混凝土中要盡可能多地摻加 混合材，同時保證水泥混凝土具有高的強度和優(yōu)異的耐久性。因此，這就要求高性能 水泥混凝土的組成配比不同于普通水泥混凝土的，同時高性能水泥混凝土對所用組分 的特性，尤其對混合材或摻合料的特性，都有特殊要求。一些能夠用于普通水泥混凝 土的混合材或摻合料，就不適用于高性能水泥混凝土。

煤矸石的國內堆存數(shù)量已經(jīng)達到30億噸左右，占地1.1億m²，全國煤礦每年新 增1億多噸。如此數(shù)量的煤矸石不僅占用大量土地，而且也污染環(huán)境。因此，煤矸石 的資源化利用，為眾多學者和工程技術人員的所關注。但是不容否認的是，煤矸石資 源化利用問題，一直沒有得到徹底解決。建筑材料領域具有材料用量大的獨特優(yōu)勢， 因此如果能夠把煤矸石轉化成水泥混凝土的高活性組分，就可以徹底解決煤矸石的排 放和堆存問題。然而，雖然經(jīng)過多年研究與實踐，上述研究仍然沒有取得突破性的進 展。

關于活性煤矸石及其制備，有專利申請C1236748A公開了一種煅燒煤矸石制取 活性混合材的處理方法，把煤矸石煅燒后即制得活性混合材，但是該方法并沒有實施 例。另一專利申請C1156130A公開了一種早強型大摻量煤矸石水泥的制造方法，將 40～70％(重量％)煤矸石與25～55％(重量％)水泥熟料和3～15％(重量％)激發(fā)劑 混合粉磨制得該種水泥，該方法中激發(fā)劑是非常重要的、不可或缺的組分。然而激發(fā) 劑中地堿和硫酸鹽等組分對水泥或混凝土的耐久性能將產(chǎn)生不利影響。這限制了該種 早強型大摻量煤矸石水泥的使用。

發(fā)明創(chuàng)造內容

本發(fā)明的目的是提供一種在使用中不含影響水泥混凝土性能的有害組分的煤 矸石活性混合材及其制備方法。

本發(fā)明的煤矸石活性混合材，由80～97wt％原料煤矸石、3～20wt％的石灰石和/ 或白云石在600～1000℃煅燒，得到的煅燒樣85～100wt％與0～15wt％的生石灰混合、 粉磨制得。

其中，所述石灰石或白云石中CaO含量超過35％。

本發(fā)明煤矸石活性混合材的制備方法，包括下述步驟：

1)混合配料：按照重量百分比將原料煤矸石、石灰石和/或白云石混合均勻；

2)煅燒：把上述配比所得樣品在高溫爐內煅燒，煅燒溫度控制在600℃～1000℃；

3)混合粉磨：煅燒樣品按照重量百分比85～100％與0～15％生石灰混合，在球磨 機內粉磨，粉磨細度用45μm篩控制，篩余在10.0％范圍內，即得到本發(fā)明的煤矸石 活性混合材。

本發(fā)明的另一目的是提供由上述煤矸石活性混合材組成的高性能水泥。

本發(fā)明的高性能水泥，是由30wt％～40wt％的煤矸石活性混合材與70wt％～60wt％ 的硅酸鹽水泥混合而成。

采用上述技術方案，經(jīng)實驗驗證，用本發(fā)明方法制備的煤矸石混合材與普通水 泥混合得到的高性能水泥，比普通煅燒的煤矸石與普通水泥混合后28天抗壓強度 提高8～11MPa，本發(fā)明所得高性能水泥的強度等級均達到了國標42.5和52.5強度 等級要求。

本發(fā)明制備的煤矸石活性混合材中含有的組分基本和硅酸鹽水泥相一致，不含影 響水泥混凝土性能的有害組分，使其成為高性能水泥混凝土用性能調節(jié)型輔助膠凝組 分，此為本發(fā)明的顯著特點之一。

本發(fā)明制備煤矸石活性混合材的方法簡便易行，并且合理解決了煤矸石的排放和 堆存，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益顯著。

具體實施方式

本發(fā)明首先提供一種活性煤矸石混合材的制備方法。本發(fā)明中，所述活性煤矸石 混合材是用于高性能水泥混凝土中的混合材，是在煤矸石原料中摻入石灰石和/或白 云石，而后在溫度600℃～1000℃范圍內進行煅燒，將煅燒樣與生石灰共同粉磨后而 制得。

在制備過程中，煅燒前原料煤矸石用量在80～97wt％范圍內，石灰石和/或白云石 用量在3～20wt％范圍內，然后再將煅燒煤矸石85～100wt％和生石灰0～15wt％混合， 在球磨機內粉磨而得到本發(fā)明煤矸石活性混合材。

制備煤矸石活性混合材的步驟具體為：

1、混合配料：按照重量百分比將煤矸石80～97％和石灰石和/或白云石3～20％配 料，混合均勻；

2、煅燒：把上述配比所得樣品在高溫爐內煅燒，煅燒溫度控制在600℃～1000℃；

3、混合粉磨：煅燒樣品按照重量百分比85～100％與0～15％生石灰混合，在球磨 機內粉磨，粉磨細度用45μm篩控制，篩余在10.0％范圍內，即得到本發(fā)明的 煤矸石活性混合材。

本發(fā)明還提供一種高性能水泥，是由30wt％～40wt％的煤矸石活性混合材與 70wt％～60wt％的硅酸鹽水泥混合而得到的高性能水泥。

以下是本發(fā)明的實施例：

實施例1：將97千克原料煤矸石(取自江蘇徐州)、3千克石灰石混合均勻，在 1000℃下煅燒1.0小時，自然降溫到室溫后，取出85千克與15千克生石灰混合后在 球磨機內粉磨，過45μm篩，篩余在10.0％范圍內，混合篩得粉末即得到本例煤矸石 活性混合材。

取本例煤矸石活性混合材30千克和70千克普通硅酸鹽水泥混合均勻，得到本例 高性能水泥A-2；取本例粉煤灰活性混合材40千克和60千克普通硅酸鹽水泥混合均 勻，得到本例高性能水泥A-4。

對本例高性能水泥進行強度測試，以驗證本發(fā)明的的煤矸石混合材活性以及高性 能水泥的品質。其中，測試樣品中A-1、A-3為比較樣，A-1為70wt％硅酸鹽水泥與30wt％ 普通煅燒煤矸石的混合物，A-3為60wt％硅酸鹽水泥和40wt％普通煅燒煤矸石的混合 物。強度測試采用國家標準GB/T17671-1999規(guī)定的方法：將95％質量的樣品和5％ 質量的天然二水石膏混合，在球磨機中粉磨，比表面積達到340m²/kg～360m²/kg后 測試強度。測試結果見表1。

表1

            抗折強度(MPa)         抗壓強度(MPa)

樣品編號

            3天        28天       3天         28天

A-1         5.0        8.6        26.9        50.2

A-2         5.8        8.6        28.8        58.2

A-3         4.0        7.5        19.2        44.6

A-4         5.4        9.4        25.5        55.7

注：A-1-70％硅酸鹽水泥+30％煅燒煤矸石

    A-2-70％硅酸鹽水泥+30％本發(fā)明方法制備的煤矸石；

    A-3-60％硅酸鹽水泥+40％煅燒煤矸石

    A-4-60％硅酸鹽水泥+40％本發(fā)明方法制備的煤矸石。

從表1數(shù)據(jù)得知，煅燒煤矸石是否摻加石灰石煅燒，所得的煅燒樣品與硅酸鹽水 泥復合的性能存在明顯差異。在摻量30％的情況下，樣品A-2的28天抗壓強度比A-1 的高8.0MPa，其強度等級達到國標52.5的要求；在摻量40％的情況下，樣品A-4的 28天抗壓強度比A-3高11.1MPa，其強度等級達到了國標42.5的要求。

實施例2

將80千克原料煤矸石(取自江蘇徐州)、20千克石灰石混合均勻，在800℃下 煅燒1.0小時，自然降溫到室溫后，取出后在球磨機內粉磨，過45μm篩，篩余在10.0％ 范圍內，混合篩得粉末即得到本例煤矸石活性混合材。

取本例煤矸石活性混合材35千克和65千克硅酸鹽水泥B-1(取自北京拉法基水泥 廠)混合均勻，得到本例高性能水泥B-2；取本例煤矸石混合材30千克和70千克硅酸 鹽水泥B-3(取自湖北華新水泥廠)混合均勻，得到本例高性能水泥B-4。

采用與實施例1相同的方法對本例高性能水泥進行強度測試，并對比硅酸鹽水泥 對照，測試結果見表2。

表2

            抗折強度(MPa)          抗壓強度(MPa)

編號

            3天        28天        3天         28天

B-2         5.5        9.1         30.6        59.1

B-4         5.4        9.5         30.1        60.2

表2中用不同水泥廠的硅酸鹽水泥與本例制備的煤矸石活性混合材復合后得到 的高性能水泥，其強度數(shù)據(jù)顯示該水泥達到國標52.5強度等級要求。

實施例3

將90千克原料煤矸石(分別取自山西霍州、山西陽泉)、10千克石灰石混合均 勻，在850℃下煅燒1.0小時，自然降溫到室溫后，分別取出90千克與10千克生石 灰混合后在球磨機內粉磨，過45μm篩，篩余在10.0％范圍內，混合篩得粉末即得到 本例煤矸石活性混合材。

分別取本例煤矸石活性混合材(山西陽泉)30千克和70千克普通硅酸鹽水泥混 合均勻，得到本例高性能水泥C-2(山西陽泉)；取本例粉煤灰活性混合材(山西霍 州)30千克和70千克普通硅酸鹽水泥混合均勻，得到本例高性能水泥C-4(山西霍 州)。對比樣為C-1(普通煅燒后山東兗州煤矸石30wt％與硅酸鹽水泥70wt％混合)， C-3(普通煅燒后河南鄭州煤矸石30wt％與硅酸鹽水泥70wt％混合)。

采用與實施例1相同的方法對本例高性能水泥進行強度測試，測試結果見表3。

表3

                 抗折強度(MPa)          抗壓強度(MPa)

編號

                 3天        28天        3天         28天

山西陽泉C-2      6.8        11.6        37.7        70.3

山西霍州C-4      7.9        12.1        39.3        73.3

山東兗州C-1      6.9        10.3        35.2        65.7

河南鄭州C-3      6.6        9.3         36.0        61.7

實施例4

將95千克原料煤矸石(取自江蘇徐州)、5千克白云石混合均勻，在900℃下煅 燒1.0小時，自然降溫到室溫后，取出95千克與5千克生石灰混合后在球磨機內粉 磨，過45μm篩，篩余在10.0％范圍內，混合篩得粉末即得到本例煤矸石活性混合材。

取本例煤矸石活性混合材30千克和70千克普通硅酸鹽水泥混合均勻，得到本例 高性能水泥D-2；取本例粉煤灰活性混合材40千克和60千克普通硅酸鹽水泥混合均 勻，得到本例高性能水泥D-4。

采用與實施例1相同的方法對本例高性能水泥進行強度測試，測試結果見表4。

表4

           抗折強度(MPa)         抗壓強度(MPa)

編號

           3天        28天       3天         28天

D-2        6.2        9.8        30.5        59.7

D-4        5.2        8.9        25.9        51.3

表4數(shù)據(jù)表明，用白云石和原料煤矸石混合后運用本發(fā)明方法制備所得煤矸石活 性混合材與硅酸鹽水泥復合后所得水泥的性能指標同樣達到國家不同等級的水泥標 準要求。

實施例5

將95千克原料煤矸石(取自江蘇徐州)、2千克白云石、3千克石灰石混合均勻， 在在φ20×400cm回轉窯中900℃下煅燒0.5小時，自然降溫到室溫后，轉入在球磨機 內粉磨，過45μm篩，篩余在10.0％范圍內，混合篩得粉末即得到本例煤矸石活性混 合材。

取本例煤矸石活性混合材30千克和70千克普通硅酸鹽水泥混合均勻，得到本例 高性能水泥E-2；取本例粉煤灰活性混合材40千克和60千克普通硅酸鹽水泥混合均 勻，得到本例高性能水泥E-4。

采用與實施例1相同的方法對本例高性能水泥進行強度測試，測試結果見表5。

表5

            抗折強度(MPa)          抗壓強度(MPa)

編號

            3天         28天       3天         28天

E-2         5.7         8.7        31.0        59.9

E-4         4.7         8.5        25.2        56.1

該例是本發(fā)明方法在φ20×400cm回轉窯上實施所得的結果。結果表明該例所得水 泥的強度等級都達到了國標52.5強度等級要求。

實施例6

將90千克原料煤矸石(取自江蘇徐州)、5千克白云石、5千克石灰石混合均勻， 在在工業(yè)用梭式窯上中800℃下煅燒5.0小時，自然降溫到室溫后，取出90千克并 與10千克生石灰混合在球磨機內粉磨，過45μm篩，篩余在10.0％范圍內，混合篩 得粉末即得到本例煤矸石活性混合材。

取本例煤矸石活性混合材30千克和70千克普通硅酸鹽水泥混合均勻，得到本例 高性能水泥F-2；取本例粉煤灰活性混合材40千克和60千克普通硅酸鹽水泥混合均 勻，得到本例高性能水泥F-4。

采用與實施例1相同的方法對本例高性能水泥進行強度測試，測試結果見表6。

表6

            抗折強度(MPa)           抗壓強度(MPa)

編號

            3天         28天        3天           28天

F-2         5.6         8.9         32.1          55.1

F-4         4.7         7.8         27.1          47.9

實施例6是本發(fā)明方法在工業(yè)用梭式窯上的實施效果。煤矸石在工業(yè)用梭式窯 上進行煅燒，煅燒溫度控制在800℃左右。結果表明該例所得水泥的強度等級分別達 到國標52.5或42.5強度等級要求。