微结构化的可碳酸化硅酸钙熟料及其制造方法技术

本发明专利技术提供新型、微结构化的有优越研磨性及反应性特征的熟料及水泥材料。所公开的熟料及水泥材料基于可碳酸化硅酸钙并可由广泛可用的、低成本原料经由适用于大规模生产的工艺制得。本发明专利技术方法在设备和工艺要求上具有灵活性，并很容易适应于传统波特兰水泥制造设备。

Microstructured carbonaceous calcium silicate clinker and its manufacturing method

The invention provides a new and micro structured clinker and cement material with excellent abrasiveness and reactivity. The clinker and cement materials disclosed are based on carbonaceous calcium silicate and can be made from widely available, low-cost raw materials through mass production processes. The method has flexibility in equipment and process requirements, and is easy to adapt to the traditional Portland cement manufacturing equipment.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微结构化的可碳酸化硅酸钙熟料及其制造方法优先权及相关专利申请本申请要求于2015年3月20日提交的美国临时申请序列号62/136,201以及62/136,208的优先权的权益，其全部内容通过引用整体并入本文。
本专利技术总体上涉及硅酸钙组合物。更具体地说，本专利技术涉及新型微结构化的可碳酸化硅酸钙组合物(例如熟料，水泥)，以及其制造方法，以及例如在基础设施、建筑、路面及景观美化美化行业中的多种混凝土构件的用途。
技术介绍
混凝土是世界上消耗最多的人造材料。典型的混凝土由波特兰水泥、水和诸如沙、碎石的集料(aggregate)混合而成。波特兰水泥是一种合成材料，通过在1450℃的烧结温度下在回转窑中燃烧石灰石粉和粘土混合物或具有类似组合物的材料而制成。波特兰水泥的生产不仅是一个能源密集型工艺，而且是一种释放大量温室气体(CO2)的工艺。水泥行业占全球人为CO2排放的大约5％。其中超过60％的CO2来自于石灰石的化学分解或煅烧。在水泥行业内正不断努力以降低总CO2排放量。根据国际能源署的提议，水泥行业需要在2050年将其CO2排放量从2007年的2.0Gt降低至1.55Gt。这是一项艰巨的任务，因为在同一时期，水泥产量预计将从2.6Gt增长至4.4Gt。为迎接这一艰巨的挑战，已开发出了一种革命性方法，其可显著降低水泥厂的能源需求和CO2排放。所述独特的水泥由可碳酸化硅酸钙组合物构成，并由广泛可用的、低成本的原料制得，且具有永久安全截存(sequester)CO2的能力，同时在设备和生产要求上具有可适应性和灵活性，从而允许传统水泥制造商可轻松转换到新的平台。“熟料”是指通过在回转窑中高温下加热包括石灰石和诸如粘土的硅酸铝材料的原料混合物制造而成的块或结核(nodule)(在波特兰水泥中约为1450℃)。水泥熟料被研磨成细粉以用于多种水泥产品中。除了反应性之外，熟料可研磨性是衡量熟料品质的一项重要指标。水泥厂会消耗大量能源用于熟料研磨。因此改进熟料的可研磨性可以提高研磨效率并降低能源消耗。熟料可研磨性对于基于可碳酸化硅酸钙的水泥生产而言是一项重要特性。与波特兰水泥情况不同，基于硅酸钙熟料的可研磨性尚未被了解，其可研磨性亦未实现优化。因此，开发合适的熟料生产方法学以达到优选的熟料微结构及所需的可研磨性特性和反应性非常重要。
技术实现思路
本专利技术提供一种新型的具有更好微结构化的熟料及水泥材料，所述材料具有更好可研磨性和反应性。所公开的熟料和水泥材料基于可碳酸化硅酸钙，并且可以通过适用于大规模生产的工艺由广泛可用的、低成本原料制得。本专利技术方法在设备和工艺要求方面是灵活的，并很容易适用于传统波特兰水泥制造设备。这些公开的可碳酸化硅酸钙熟料和水泥组合物可以用于多种混凝土应用，诸如建筑、路面和景观美化美化以及基础设施，以降低设备需求、改进能源消耗和更理想的碳足迹。熟料微结构的差异特性因为多种相区的密度和硬度差异而产生了熟料间独特的研磨特性。较低密度层在粉碎和研磨操作过程中充当破碎阻力最小的途径，导致不仅能源消耗的降低，而且在研磨时暴露更多反应性相。层状微结构还可产生促进碳酸化的颗粒形态及更强复合材料的形成。在一方面，本专利技术总体上涉及非水硬性熟料材料，其包括分散在基质中的不可碳酸化的硅石(SiO2)颗粒，所述基质包含至少一种碳酸化硅酸钙相，该碳酸化硅酸钙相包含硅灰石和假硅灰石中至少一种。如本文所公开的，本专利技术中的熟料材料是可碳酸化的，以通过CO2碳酸化而产生复合材料。在另一方面，本专利技术总体上涉及制造本文中公开的熟料材料的方法。所述方法包括：混合一种以上前体以获得掺合的前体组合物，其中元素Ca和元素Si以约0.8至1.2的原子比存在，并且Al、Fe及Mg的金属氧化物以约10％以下质量比存在；并且加热所述掺合的前体组合物至约800℃至约1400℃之间的温度持续足够时间以生产所述熟料材料。多种原料可用作生产本专利技术熟料材料的前体。例如，包括石灰石、砂土、粉土、砂岩、高硅粘土、硅藻土、泥灰岩、粉煤灰、硅灰等适合的原料。在又一方面，本专利技术涉及通过研磨本专利技术的熟料材料生产的粉状材料。在某些优选实施例中，所述粉状材料的特征在于平均颗粒大小(d50)在约8μm至约25μm，其中10％的颗粒(d10)大小低于约0.1μm至约3μm，且90％的颗粒(d90)大小在约30μm至约100μm之间。附图说明参照下面描述的附图和权利要求，可以更好地理解本专利技术的目的和特征。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本专利技术的原理上。在附图中，在各个视图中使用相同的附图标记表示相同的部分。图1示出实验水泥1的水泥熟料背散射电子(BSE)图像。可见低亮度非反应性硅石层由逐渐增亮的反应性相镶边(banded)。图2示出实验水泥1的水泥熟料背散射电子(BSE)图像。可见低亮度非反应性硅石层由逐渐增亮的反应性相镶边。经EDS鉴定反应性相为硅石(1)、无定形相(2)、硅灰石或假硅灰石(3)以及硅钙石(4)。图3示出实验水泥1水泥熟料的高钙区高倍放大图像。此区包含离散的斜硅灰石(1)和硅钙石(2)区域，以及具有无定形组合物的一些晶间材料。图4示出未反应水泥颗粒的背散射电子(BSE)图像。所述图像显示了由高亮度反应性相组成的大颗粒(1)。类似尺寸的颗粒显示具有高亮度反应性材料表面，中等亮度无定形相(2)条带以及低亮SiO2相(3)核心的多相分布。还可见更小单相颗粒。图5示出未反应水泥颗粒的BSE图像。显见大量颗粒类型。可见两项多相反应性-部分反应性及部分反应性-惰性颗粒(1)、三相反应性-部分反应性-惰性(2)及反应性-空隙(3)颗粒。图6示出伪彩合成显微图描绘了实验水泥1的各种颗粒。可见多种组合物中的单相及多相颗粒。图7示出伪彩合成显微图描绘了实验水泥1的各种颗粒。可见多种组合物中的单相及多相颗粒。图8示出伪彩合成显微图描绘了实验水泥1的各种颗粒。可见多种组合物中的单相及多相颗粒。图9示出实验水泥2的水泥熟料背散射电子(BSE)图像。可见低亮度非反应性硅石层由逐渐增亮反应性相镶边。图10示出实验水泥2的水泥熟料背散射电子(BSE)图像。可见低亮度非反应性硅石层由逐渐增亮反应性相镶边。图11示出实验水泥2的水泥熟料背散射电子(BSE)图像。图12示出图11的X射线图以表示Si位置。所述图指示图11的暗区富含Si且Si在远离此区的点中较不丰富。图13示出图11的X射线图以表示Ca位置。所述图指示Ca的丰度从富Si区以不同增量增加。图14示出钾的X射线图表示钾围绕在硅石颗粒边缘富集。具体实施方式本专利技术提供一种基于硅酸钙和由其生产的研磨粉状组合物的新型可碳酸化熟料材料，其用作于传统水泥的革命性替代物。此材料可以生产和利用，显著降低能源需求及CO2排放量。所公开的基于可碳酸化硅酸钙的熟料材料是由广泛可用的、低成本的原料通过适用于灵活设备和生产需求的大规模生产工艺制成。从建筑、路面和景观美化到基础设施和运输的多种应用可通过改进能源消耗和更需要的碳足迹受益于本专利技术。在一方面，本专利技术总体上涉及非水硬性熟料材料，其包括分散于基质中的不可碳酸化的硅石(SiO2)颗粒，所述基质包含至少一种可碳酸化的硅酸钙相，所述相包含硅灰石及假硅灰石中至少一种，即一种以上CS(硅灰石或假硅灰石)。在熟料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非水硬性熟料材料，其包含分散于基质中的不可碳酸化的硅石(SiO2)颗粒，所述基质包含至少一种可碳酸化硅酸钙相，所述硅酸钙相包含硅灰石及假硅灰石中的至少一种。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.20 US 62/136,208;2015.03.20 US 62/136,2011.一种非水硬性熟料材料，其包含分散于基质中的不可碳酸化的硅石(SiO2)颗粒，所述基质包含至少一种可碳酸化硅酸钙相，所述硅酸钙相包含硅灰石及假硅灰石中的至少一种。2.如权利要求1所述的熟料材料，还包含：中间层，其包含黄长石((Ca,Na,K)2(Al,Mg,Fe)[(Al,Si)SiO7])和/或无定形相且围绕所述不可碳酸化的硅石颗粒。3.如权利要求1或2所述的熟料材料，其中所述基质包含硅钙石(Ca3Si2O7)和/或斜硅钙石(Ca2SiO4)。4.如权利要求2或3所述的熟料材料，其中所述中间层包含由选自Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O及Na2O的一种以上构成的一种无定形相。5.如权利要求1-4中任一项所述的熟料材料，其中所述基质还包含选自Al2O3、Fe2O3、MgO、K2O及Na2O的一种以上组分。6.如权利要求1-5中任一项所述的熟料材料，其中所述不可碳酸化的硅石颗粒具有从约0.1μm至约1,000μm的直径；以及所述中间层具有约0.1μm至约250μm的厚度。7.如权利要求6所述的熟料材料，其中所述不可碳酸化的硅石颗粒具有从约25μm至约1,000μm的直径；以及所述中间层具有从约1μm至约25μm的厚度。8.如权利要求1-7中任一项所述的熟料材料，其中所述无定形相占总固相体积比的约10％以上。9.如权利要求1-8中任一项所述的熟料材料，其中Ca元素和Si元素以从约0.8至约1.2的原子比存在于所述熟料中。10.如权利要求1-9中任一项所述的熟料材料，其中Ca元素和Si元素以从约0.9至约1.1的原子比存在于所述熟料中。11.如权利要求1-10中任一项所述的熟料材料，其中熟料适合在水和CO2气氛下，该水和CO2气氛具有压力在从环境大气压到高于环境约150psi范围内且具有CO2浓度在从约10％至约99％范围内，在温度约30℃至约90℃下持续约1小时至约150小时与CO2碳酸化形成CaCO3，其增重为约10％以上。12.如权利要求1-11中任一项所述的熟料材料，其中熟料适合在水和CO2气氛下，该水和CO2气氛具有压力在从环境大气压到高于环境约40psi范围内且具有CO2浓度在从约50％至约95％范围内，在温度约40℃至约80℃持续约10小时至约50小时与CO2碳酸化形成CaCO3，其增重为约10％以上。13.如权利要求1-12中任一项所述的熟料材料，包含总氧化物质量比约30％以下的Al、Fe及Mg金属氧化物。14.如权利要求1-13中任一项所述的熟料材料，包含总氧化物质量比约10％以下的Al、Fe及Mg金属氧化物。15.一种通过碳酸化如权利要求1-13中任一项所述的熟料材料生产的复合材料。16.一种用于制造如权利要求1-15中任一项所述的熟料材料的方法，包括：混合一种以上前体以获得掺合的前体组合物，其中Ca...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨达纳达·萨胡，肖恩·奎恩，瓦西特·阿塔坎，尼古拉斯·德克里斯托法罗，文森特·迈耶，塞德里克·康帕瑞特，冈瑟·瓦伦特，
申请(专利权)人：索里迪亚科技公司，拉法基集团公司，
类型：发明
国别省市：美国,US