本申請是申請日為2013年3月11日，發(fā)明名稱為“制造輔助膠凝材料(scms)的方法”的中國專利申請2013800137440的分案申請。

本發(fā)明涉及一種制造輔助膠凝材料(scms)即火山灰的方法。

粉煤灰是一種輔助膠凝材料，其用于混凝土，砂漿和其它含水泥混合物的生產(chǎn)之中。粉煤灰是燃煤電廠的副產(chǎn)品，且每年在世界范圍內(nèi)有著巨大的產(chǎn)量。

在瑞典專利no532790中描述了一種消除由于燃煤化學(xué)成分和煤燃燒的工藝參數(shù)變化導(dǎo)致的粉煤灰質(zhì)量波動(dòng)方法?；鹕交业奶幚砉に嚕慈鐚＠椒ǖ姆勖夯?，顯著地提高了混凝土的性能，并提供了更高等級的標(biāo)準(zhǔn)波特蘭水泥替代量，這帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

粉煤灰通常含有約85％的微珠顆粒形式的玻璃態(tài)、無定形組分。根據(jù)astmc618，粉煤灰被分為兩大類，c級和f級。f級粉煤灰通常包含按重量計(jì)含大于70％的氧化硅、氧化鋁和鐵氧化物，而c級的含量通常在70％-50％之間。f級是煙煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物。c級粉煤灰具有較高的鈣含量，且是亞煙煤燃燒時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物。

深入研究證實(shí)，與不含粉煤灰的波特蘭水泥混凝土相比，波特蘭水泥被粉煤灰以超過50％的程度取代的高粉煤灰含量混凝土表現(xiàn)出更高的長期強(qiáng)度發(fā)展，較低的水滲透性和氣體滲透性，高的氯離子耐受性等等。

同時(shí)高粉煤灰含量混凝土存在明顯的缺點(diǎn)。一個(gè)缺點(diǎn)是在0到28天時(shí)段期間長的固化時(shí)間和非常慢的強(qiáng)度發(fā)展。在美國，這些負(fù)面效果將用以取代波特蘭水泥的粉煤灰水平降低至平均為約15％。

嚴(yán)重的問題還涉及粉煤灰性能的穩(wěn)定性。通常煤的化學(xué)組成的變化和鍋爐操作參數(shù)的頻繁改變特別引起晶相和準(zhǔn)晶相(所謂的熔渣)的形成，這導(dǎo)致粉煤灰反應(yīng)性(所謂的凝硬活性)的降低。

歷史上，石灰石-火山灰混合物已經(jīng)被2000多年前的古代羅馬人使用，并且很多的古建筑物例如古羅馬競技場仍處于良好的狀態(tài)。同時(shí)，盡管根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的研究，數(shù)十億噸天然火山灰發(fā)現(xiàn)于美國西部和世界其他大部分地區(qū)，在現(xiàn)代建筑工業(yè)中，在混凝土中使用天然火山灰仍是非常有限的。

天然火山灰屬于火山起源和沉積成因的材料，如硅藻土。根據(jù)astmc618，其被認(rèn)定為n級火山灰。天然火山灰在aci232.1r-00中的描述如下：“符合本文等級適用要求的原始或煅燒天然火山灰，如一些硅藻土；乳白燧石和頁巖；凝灰?guī)r和火山灰燼或浮石，其中任何一種都可能經(jīng)煅燒處理或可能不經(jīng)煅燒處理；并且很多材料需要煅燒以得到令人滿意的性能，如某些粘土或頁巖”。

使用天然火山灰的原因是非常有限，可做說明如下。

天然火山灰顆粒的微觀結(jié)構(gòu)的特征在于高孔隙率，這顯著增加了含天然火山灰的混凝土的需水量，以實(shí)現(xiàn)所需的混凝土流動(dòng)性/可加工性。然而，對水需求的增加導(dǎo)致不能令人滿意的壓縮強(qiáng)度發(fā)展。

另外，活性礦物(即無定形材料)的不均勻分布(例如由于風(fēng)化)，對含天然火山灰的混凝土的負(fù)面強(qiáng)度發(fā)展具有進(jìn)一步的和不可接受的負(fù)面影響。

需要優(yōu)化天然火山灰的粒徑分布，以達(dá)到高火山灰含量的混凝土的一致性能。優(yōu)化的顆粒分布是這樣的：存在細(xì)和粗粒級。

根據(jù)美國混凝土學(xué)會aci232.1r-00的報(bào)告“在混凝土中使用原始或經(jīng)處理的天然火山灰，天然火山灰的性質(zhì)可以明顯改變，這取決于它們的起源和因此化學(xué)活性礦物的可變比例。化學(xué)活性礦物通常含有無定形材料(例如無定形二氧化硅)，其與波特蘭水泥水化時(shí)釋放的氫氧化鈣反應(yīng)(火山灰反應(yīng))，并形成鈣-硅酸鹽-水合物凝膠[c-h-s凝膠]，這是一種與波特蘭水泥水化的所得產(chǎn)物類似的產(chǎn)物。

本發(fā)明解決了在混凝土中使用天然火山灰的問題。

因此，本發(fā)明涉及用于替代在砂漿和混凝土的生產(chǎn)中的波特蘭水泥的輔助膠凝材料的制造方法，其中膠凝材料包括巖石和灰燼和沉積成因形式的天然火山灰，如硅藻土。

本發(fā)明的特征在于，通過在研磨設(shè)備中的研磨，對處于粉碎狀態(tài)的所述火山灰進(jìn)行高能機(jī)械加工，由此火山灰顆粒接受機(jī)械脈沖，且特征在于進(jìn)行預(yù)定時(shí)間的研磨，導(dǎo)致包含80％波特蘭水泥和20％天然火山灰、與標(biāo)準(zhǔn)砂的比例為1:2.75、還包含按照美國標(biāo)準(zhǔn)astmc109獲得砂漿流所需的水的邊長2英寸的砂漿立方體，在振動(dòng)下合適地壓實(shí)并在+20℃下在密封條件下硬化，在28天后的壓縮強(qiáng)度≥包含波特蘭水泥:砂比例為1:2.75且包含對應(yīng)于波特蘭水泥重量48.5％的水、且如所述立方體那樣處理的邊長2英寸立方體的壓縮強(qiáng)度的75％。

該測試對應(yīng)于美國標(biāo)準(zhǔn)astmc109。

將在下文中更詳細(xì)地描述本發(fā)明。

本發(fā)明涉及一種制造用于替代在砂漿和混凝土的生產(chǎn)中的波特蘭水泥的輔助膠凝材料的方法，其中膠凝材料包括火山起源和沉積成因的巖石和灰燼形式的天然火山灰，如硅藻土。

根據(jù)本發(fā)明，通過在研磨設(shè)備中的研磨，對處于粉碎狀態(tài)的所述火山灰進(jìn)行高能機(jī)械加工，由此火山灰顆粒接受機(jī)械脈沖。

研磨導(dǎo)致其表面性質(zhì)改變(形式為表面孔隙率降低)，以及與由水泥水化產(chǎn)生的堿性介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)性的改善。已經(jīng)觀察到，對火山灰顆粒的處理使顆粒表面發(fā)生局部熔化，由此產(chǎn)生具有高的無定形化程度的區(qū)域。通過這種處理，可以觀察到，當(dāng)用如此處理過的天然火山灰替代包含波特蘭水泥、火山灰、砂和水的水泥漿體、砂漿和混凝土中的部分波特蘭水泥時(shí)，天然火山灰表現(xiàn)出令人驚奇的優(yōu)異效果。

進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)行預(yù)定的時(shí)間研磨，導(dǎo)致包含80％波特蘭水泥和20％天然火山灰、與標(biāo)準(zhǔn)砂的比例為1:2.75、且還包含按照美國標(biāo)準(zhǔn)astmc109獲得砂漿流所需的水的邊長2英寸的砂漿立方體，在振動(dòng)下合適地壓實(shí)并在+20℃下在密封條件下硬化，在28天后的壓縮強(qiáng)度≥包含波特蘭水泥:砂比例為1:2.75且還包含對應(yīng)于波特蘭水泥重量48.5％的水、且如所述立方體那樣處理的邊長2英寸立方體的壓縮強(qiáng)度的75％。

根據(jù)astmc109，獲得砂漿流體的需水量可變化，但大約是波特蘭水泥和火山灰重量的40％-50％。

當(dāng)使用天然火山灰時(shí)的壓縮強(qiáng)度對應(yīng)于共用粉煤灰和波特蘭水泥時(shí)獲得的強(qiáng)度。

本發(fā)明可以使用不同類型的研磨設(shè)備實(shí)現(xiàn)，例如介質(zhì)研磨裝備，如攪拌的、離心的、滾筒球磨，或非介質(zhì)碾磨設(shè)備，如噴射的、沖擊的、具有施加經(jīng)受加工的顆粒的主導(dǎo)剪切機(jī)械脈沖并結(jié)合有空氣分級的碾壓機(jī)。

可以使火山灰在研磨設(shè)備中經(jīng)受研磨，該研磨設(shè)備對于所研磨的材料采用開路循環(huán)或閉路程序(circuit)。

優(yōu)選的粒徑分布是：

≤5微米15-50％，

≤10微米30-65％

≤30微米90-95％。

根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案，在火山灰的所述加工期間或之后，將波特蘭水泥、f級或c級粉煤灰、細(xì)石英、花崗巖采石場細(xì)粉、再生混凝土或高爐爐渣的細(xì)粒級或其混合物添加到所述火山灰中。

根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案，使波特蘭水泥、f級或c級粉煤灰、細(xì)石英、花崗巖采石場細(xì)粉、再生混凝土或高爐爐渣的細(xì)粒級或其混合物經(jīng)受預(yù)研磨，以得到45微米的篩余小于5％的細(xì)度。

根據(jù)又一優(yōu)選的實(shí)施方案，在火山灰的所述研磨工藝期間或之后，以粉末的形式向所述火山灰中加入減水劑、固化時(shí)間調(diào)節(jié)劑和強(qiáng)度促進(jìn)混合物。

優(yōu)選在混凝土或砂漿中，所述火山灰對替代波特蘭水泥的替代是15％-約70％。

還優(yōu)選在所述研磨設(shè)備中研磨火山灰，以實(shí)現(xiàn)30微米的篩余小于5％的最終產(chǎn)品細(xì)度。

本發(fā)明的若干實(shí)施方案已在上面描述。然而，本發(fā)明并不限于上述的示例性實(shí)施方案，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行變化。