專利名稱：鋼渣－偏高嶺土復(fù)合膠凝材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料類，具體涉及一種無水泥熟料的膠凝材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的水泥工業(yè)行業(yè)，由于其在水泥生產(chǎn)過程中消耗很大的資源和能源，排放大量的污染環(huán)境的物質(zhì)以及產(chǎn)品在某些性能上的缺陷，使它面臨可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)；另外，鋼鐵、電力、煤炭、冶金等傳統(tǒng)基礎(chǔ)行業(yè)在耗用大量天然資源和能源基礎(chǔ)上還產(chǎn)生大量的工業(yè)廢渣，使土地資源、生態(tài)環(huán)境面臨著巨大的壓力。上述種種因素，嚴(yán)重制約了國民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。其中以鋼渣、煤系高嶺土的排放量最大，且一直沒有得到很好利用。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明的目的在于利用鋼渣、偏高嶺土的潛在水硬性特點(diǎn)，使用堿激發(fā)劑激發(fā)鋼渣的水化活性和使偏高嶺土聚合化，從而使鋼渣與偏高嶺土復(fù)合得到具有膠凝性能的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案是鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料，由鋼渣、偏高嶺土、水玻璃溶液、硫酸鈉、氟化鈉混合而成，其各組份質(zhì)量配比為鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.1-9)∶(0.66-8)∶(0.033-0.3)∶(0.022-0.2)；其中，鋼渣的細(xì)度為400-650m2/kg，堿度＞1.2；偏高嶺土為煤系高嶺土在650-800℃條件下鍛燒，細(xì)度為500-700m2/kg；水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度33-44°。
所述的各組份質(zhì)量配比為鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.1-0.43)∶(0.66-1.12)∶(0.033-0.043)∶(0.022-0.029)，其中水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度33-36°；參照國標(biāo)GB/T17671-1999實(shí)驗(yàn)方法，可達(dá)到標(biāo)號32.5或32.5R的普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。
所述的各組份質(zhì)量配比為鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.67-1.5)∶(1.0-2)∶(0.05-0.075)∶(0.033-0.05)，其中水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度36-40°；參照國標(biāo)GB/T17671-1999實(shí)驗(yàn)方法，可達(dá)到標(biāo)號42.5或42.5R的普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。
所述的各組份質(zhì)量配比為鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(2.3-9)∶(1.98-8)∶(0.1-0.3)∶(0.07-0.2)，其中水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度40-44°；參照國標(biāo)GB/T17671-1999實(shí)驗(yàn)方法，可達(dá)到標(biāo)號52.5或52.5R的普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。
鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的制備方法，包括如下步驟1).首先將堿度＞1.2的鋼渣磨細(xì)到比表面積為400-650m2/kg，形成微細(xì)鋼渣粉；取煤系高嶺土在650-800℃條件下鍛燒成細(xì)度為500-700m2/kg的偏高嶺土；將氟化鈉粉化形成粉料；然后按鋼渣∶偏高嶺土∶氟化鈉的質(zhì)量配比為＝1∶(0.1-9)∶(0.022-0.2)的比例進(jìn)行機(jī)械混合使其均勻，然后進(jìn)行密封、裝包、封存，得鋼渣-偏高嶺土-氟化鈉粉料；2).將NaOH固體徐徐加入硅酸鈉溶液中溶解得到模數(shù)為1.0-2.0、波美度為33-44°的水玻璃溶液；按鋼渣∶水玻璃溶液∶Na2SO4的質(zhì)量配比為＝1∶(0.66-8)∶(0.033-0.3)選取水玻璃溶液∶Na2SO4；將硫酸鈉加入到水玻璃溶液中混合配制而得混合溶液；3).將步驟2)配好的混合溶液徐徐加入鋼渣-偏高嶺土-氟化鈉粉料中，攪拌0.8-1.2min，然后倒出澆注。
本發(fā)明采用水玻璃(模數(shù)1.0-2.0，波美度33-44°)、硫酸鈉、氟化鈉等激發(fā)劑對不同比例鋼渣、偏高嶺土進(jìn)行激發(fā)可以得到32.5、42.5、52.5等不同強(qiáng)度等級的無水泥熟料膠凝材料，其需水量、標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時間在化學(xué)外加劑(銨基磺酸鹽、焦磷酸鈉、氟化鈉等)的調(diào)節(jié)作用下，均可滿足同標(biāo)號普通硅酸鹽水泥性能要求，其可以配制C30-C50混凝土。
鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料是一種以無機(jī)SiO4、AlO4四面體為主要組成，結(jié)構(gòu)上具有空間三維網(wǎng)狀鍵接結(jié)構(gòu)，未水化鋼渣顆粒鑲嵌于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的新型無機(jī)硅鋁膠凝材料，水化產(chǎn)物為一種無定形結(jié)構(gòu)。其膠凝體系反應(yīng)歷程可以分為以下兩個步驟第一步偏高嶺土與無定型二氧化硅在水和強(qiáng)親核試劑NaOH和KOH的作用下，發(fā)生Si-O和Al-O共價鍵的斷裂，可以認(rèn)為在水溶液中生成硅酸和氫氧化鋁的混合溶膠，溶膠顆粒之間部分脫水縮合生成正鋁硅酸。Na+和K+被吸附在分子鍵周圍，平衡鋁(+3價，四配位)所帶的負(fù)電荷； 第二步正鋁硅酸分子上的羥基在堿性溶液中或干燥條件下極不穩(wěn)定，相互吸引形成氫鍵，進(jìn)一步脫水縮合形成聚鋁硅氧大分子鏈從而構(gòu)成鋼渣與偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的獨(dú)特網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
而鋼渣礦粉在膠凝材料體系中的作用原理體現(xiàn)在以下幾個方面(1)激發(fā)劑中陰離子形成膠凝體系的初始網(wǎng)絡(luò)；陽離子建立和維持堿性環(huán)境，加快偏高嶺土在堿溶液中的的解聚-縮聚過程；鋼渣對偏高嶺土的促進(jìn)作用在于，一方面鋼渣水化釋放出Ca2+和OH-，其中Ca2+與低聚合度的硅酸反應(yīng)，OH-促進(jìn)礦渣的解聚；另一方面鋼渣中晶體的誘導(dǎo)作用。
(2)鋼渣在水化早期主要作膠凝體系的微集料，水化后期生成部分的水化產(chǎn)物，偏高嶺土在堿作用下生成的半晶質(zhì)物質(zhì)是該體系網(wǎng)絡(luò)骨架的主要來源；鋼渣復(fù)合膠凝材料水化產(chǎn)物主要有硅酸鈣及其變體，其通式為CaO·Al2O3·xSiO2·yH2O礦物，簡稱為C-S-Al-H。
(3)鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的水化反應(yīng)是硅酸結(jié)構(gòu)的解聚和聚合的可逆平衡過程，水化開始時，高聚合度玻璃體在OH-的作用下逐漸解聚，隨著溶液中低聚合度的硅酸濃度的增加，反應(yīng)向聚合方向進(jìn)行，新生成的高聚合度的硅酸及其鹽，填充和鑲嵌在硅氧骨架網(wǎng)絡(luò)中，使結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)。
本發(fā)明利用鋼渣、偏高嶺土的潛在水硬性特點(diǎn)，使用堿激發(fā)劑(堿激發(fā)劑為水玻璃溶液、硫酸鈉、氟化鈉)激發(fā)鋼渣的水化活性和使偏高嶺土聚合化，從而使鋼渣與偏高嶺土復(fù)合得到具有膠凝性能的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料。
鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的發(fā)明不僅為鋼渣、高嶺土的應(yīng)用提供一個方向，而且也可以使傳統(tǒng)水泥行業(yè)能夠走可持續(xù)發(fā)展的路線。
具體實(shí)施例方式
一、鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的制備方法鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的制備方法，包括如下步驟1).首先將堿度＞1.2的鋼渣磨細(xì)到比表面積為400-650m2/kg，形成微細(xì)鋼渣粉；取煤系高嶺土在650-800℃條件下鍛燒成細(xì)度為500-700m2/kg的偏高嶺土；將氟化鈉粉化形成粉料；然后按鋼渣∶偏高嶺土∶氟化鈉的質(zhì)量配比為＝1∶(0.1-9)∶(0.022-0.2)的比例進(jìn)行機(jī)械混合使其均勻，然后進(jìn)行密封、裝包、封存，得鋼渣-偏高嶺土-氟化鈉粉料；2).將NaOH固體徐徐加入硅酸鈉溶液中溶解得到模數(shù)為1.0-2.0、波美度為33-44°的水玻璃溶液；按鋼渣∶水玻璃溶液∶Na2SO4的質(zhì)量配比為＝1∶(0.66-8)∶(0.033-0.3)選取水玻璃溶液∶Na2SO4；將硫酸鈉加入到水玻璃溶液中混合配制而得混合溶液；3).將步驟2)配好的混合溶液徐徐加入鋼渣-偏高嶺土-氟化鈉粉料中，攪拌0.8-1.2min，然后倒出澆注。
1、32.5或32.5R強(qiáng)度等級的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的制備按鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.1-0.43)∶(0.66-1.12)∶(0.033-0.043)∶(0.022-0.029)；其中水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度33-36°；參照國標(biāo)GB/T17671-1999實(shí)驗(yàn)方法，可達(dá)到標(biāo)號32.5或32.5R的普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。具體實(shí)施實(shí)例如表1。
2、42.5或42.5R強(qiáng)度等級的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的制備按鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(0.67-1.5)∶(1.0-2)∶(0.05-0.075)∶(0.033-0.05)；其中水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度36-40°；參照國標(biāo)GB/T17671-1999實(shí)驗(yàn)方法，可達(dá)到標(biāo)號42.5或42.5R的普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。具體實(shí)施實(shí)例如表2。
3、52.5或52.5R強(qiáng)度等級的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的制備按鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶(2.3-9)∶(1.98-8)∶(0.1-0.3)∶(0.07-0.21)；其中水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度40-44°；參照國標(biāo)GB/T17671-1999實(shí)驗(yàn)方法，可達(dá)到標(biāo)號52.5或52.5R的普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。具體實(shí)施實(shí)例如表3。
鋼渣與偏高嶺土復(fù)合膠凝材料必須處于干燥防潮的條件下，否則會結(jié)塊失效。
表1 32.5或32.5R強(qiáng)度等級的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的配比

表2 42.5或42.5R強(qiáng)度等級的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的配比

表3 52.5或52.5R強(qiáng)度等級的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的配比

二、鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料混凝土配制方法對上述鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料進(jìn)行混凝土配制，先將粉料倒入攪拌容器中，再加入集料進(jìn)行干拌1min，然后將激發(fā)劑溶入水中形成溶液，最后將溶液徐徐倒入攪拌容器中攪拌2min，確保攪拌均勻后倒出成型，在振動臺上振動30s，進(jìn)行標(biāo)養(yǎng)到齡期后測試其強(qiáng)度，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4。
表4 鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料混凝土配合比(kg/m3)

權(quán)利要求
1.鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料，由鋼渣、偏高嶺土、水玻璃溶液、硫酸鈉、氟化鈉混合而成，其各組份質(zhì)量配比為鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶0.1-9∶0.66-8∶0.033-0.3∶0.022-0.2；其中，鋼渣的細(xì)度為400-650m2/kg，堿度＞1.2；偏高嶺土為煤系高嶺土在650-800℃條件下鍛燒，細(xì)度為500-700m2/kg；水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度33-44°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料，其特征是所述的各組份質(zhì)量配比為鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶0.1-0.43∶0.66-1.12∶0.033-0.043∶0.022-0.029，其中水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度33-36°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料，其特征是所述的各組份質(zhì)量配比為鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶0.67-1.5∶1.0-2∶0.05-0.075∶0.033-0.05，其中水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度36-40°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料，其特征是所述的各組份質(zhì)量配比為鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na2SO4∶NaF＝1∶2.3-91.98-8∶0.1-0.3∶0.07-0.2，其中水玻璃的模數(shù)為1.0-2.0，水玻璃的波美度40-44°。
5.如權(quán)利要求1所述的鋼渣-偏高嶺土復(fù)合膠凝材料的制備方法，其特征是包括如下步驟1).首先將堿度＞1.2的鋼渣磨細(xì)到比表面積為400-650m2/kg，形成微細(xì)鋼渣粉；取煤系高嶺土在650-800℃條件下鍛燒成細(xì)度為500-700m2/kg的偏高嶺土；將氟化鈉粉化形成粉料；然后按鋼渣∶偏高嶺土∶氟化鈉的質(zhì)量配比為＝1∶0.1-9∶0.022-0.2的比例進(jìn)行機(jī)械混合使其均勻，然后進(jìn)行密封、裝包、封存，得鋼渣-偏高嶺土-氟化鈉粉料；2).將NaOH固體徐徐加入硅酸鈉溶液中溶解得到模數(shù)為1.0-2.0、波美度為33-44°的水玻璃溶液；按鋼渣∶水玻璃溶液∶Na2SO4的質(zhì)量配比為＝1∶0.66-8∶0.033-0.3選取水玻璃溶液∶Na2SO4；將硫酸鈉加入到水玻璃溶液中混合配制而得混合溶液；3).將步驟2)配好的混合溶液徐徐加入鋼渣-偏高嶺土-氟化鈉粉料中，攪拌0.8-1.2min，然后倒出澆注。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無水泥熟料的堿膠凝材料。鋼渣－偏高嶺土復(fù)合膠凝材料，由鋼渣、偏高嶺土、水玻璃溶液、硫酸鈉、氟化鈉混合而成，其各組份質(zhì)量配比為鋼渣∶偏高嶺土∶水玻璃溶液∶Na
文檔編號C04B22/14GK1699253SQ20051001869
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月12日
發(fā)明者胡曙光, 丁慶軍, 王紅喜, 呂林女, 何永佳, 王發(fā)洲, 陳平 申請人:武漢理工大學(xué)