一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料及其制备方法，该胶凝材料以69～85份钙质废渣、7～26份硅质废渣和5～10份铁矿石为原料，其主要矿物相占比为：γ

【技术实现步骤摘要】
一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于建筑材料
，具体涉及一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]水泥工业作为高能耗、高污染的能源密集型产业，2020年排放13.75亿吨CO2，占我国碳排放总量的13％以上，其高碳排放主要来自水泥的生产工艺：(1)熟料矿物C3S的高温形成；(2)生料中碳酸盐的热分解，其中CaCO3分解热耗占熟料理论热耗46％左右。因此，水泥熟料烧成能耗高的根本原因在于高钙矿物(C3S)的组成设计。熟料中的高钙矿物易造成煅烧温度过高(1450℃)，大量高品质石灰石、煤电资源被消耗，CO2、NO
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及SO3有害气体的排放。因此，从水泥生产工艺出发，设计以低钙矿物为主的熟料组成，有利于缓解水泥工业的能源(煤炭)、资源(石灰石)消耗及环境负荷(CO2)。但是，低钙硅酸钙矿物的水化活性较低，若用传统标准养护则无法提供足够的机械性能，因此，如何有效激发低钙硅酸钙的反应活性成为一大技术挑战。
[0003]在硅酸钙体系中，C3S、C2S、C3S2和CS均表现出较高的碳化反应活性，尤其是低水化活性矿物β
‑
C2S、γ
‑
C2S、C3S2和CS，在符合低钙设计原则的基础上，可通过碳化激发其活性，并获得优异性能，为新型低钙胶凝材料的发展提供了新思路。目前有关该胶凝材料的烧结均集中在分析纯化学试剂和工业级原料，制备成本高，无法实现工业化生产；同时，胶凝材料因早期强度发展过快阻碍了后期强度的稳步提升，限制了其应用和发展。
[0004]专利CN 105347706 A公开了一种自粉化低钙水泥及其预制品的制备方法，该水泥以30～45％C3S2、45～65％α
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CS和5～10％f
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CaO为主要矿物组成；专利CN 111393051 A专利技术了一种免粉磨碳化硬化型水泥熟料及其制备方法，该水泥熟料将限制组分f
‑
CaO设计进矿物组成，通过冷却膨胀实现熟料自粉化；专利CN 111393050A公开了一种γ
‑
C2S基胶凝材料的制备方法，该胶凝材料以γ
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C2S为主要成分，并包含少量的β
‑
C2S与C3S2；上述方法虽然在一定程度上降低了水泥生产过程中的碳排放和粉磨电耗，但仍使用石灰石、砂岩、铁矿等天然原料，制备成本高，无法实现大规模工业化生产；专利CN 111393049 A公开了一种γ
‑
C2S的活化改性方法，通过外掺金属离子混合物，增加γ
‑
C2S的比表面积，提高其碳化反应活性，但该改性方法工艺复杂且成本较高。此外，通过活化改性，胶凝材料的碳化早期强度虽得到一定改善，但对后期强度作用不明显，且易出现后期强度发展不稳等问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料及其制备方法，突破传统硅酸盐水泥矿物组成，利用工业固废合成以低钙固碳矿物γ
‑
C2S、β
‑
C2S和C3S2为主要矿物组成的熟料体系，解决了现有碳化硬化胶凝材料制备成本高、煅烧能耗高、后期强度发展过慢等问题，同时实现了多种工业固废的再生利用，并吸收固封CO2，具有显著的经济效益与环境效益。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料，按重量份表示，主要矿物相包括：γ
‑
C2S：30
‑
55份、β
‑
C2S：30
‑
50份、C3S2：0
‑
10份、f
‑
CaO：5
‑
10份。
[0008]一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1)采用传统的“两磨一烧”煅烧工艺，按照1.7
‑
4.0的钙硅设计比，将69～85份钙质废渣、7～26份硅质废渣和5～10份铁矿石经破碎、球磨、配料、均化，得到胶凝材料制备原料；
[0010]步骤2)将上述原料加入10％
‑
15％去离子水或无水乙醇，搅拌均匀后在5
‑
30MPa的压力下压制成型，置60
‑
105℃烘箱中烘6
‑
24h至恒重后，于马弗炉中预烧、煅烧，冷却，并以450r/min的转速球磨10
‑
30min至通过80μm方孔筛筛余10％以下，得到固废基高活性固碳低钙胶凝材料。
[0011]步骤3)将步骤2)中得到的固废基高活性固碳低钙胶凝材料，同样添加10％
‑
15％去离子水或无水乙醇，搅拌均匀后以5
‑
30MPa的成型压力在20mm*20mm*20mm的钢模中持续压制15
‑
20s成型，置碳化反应釜中养护8
‑
24h后，放入温度20
±
5℃，湿度≥90％的标准养护室内进行标养，至规定龄期。
[0012]按上述方案，步骤1)中钙质废渣包括城市生活垃圾焚烧飞灰、钢渣、废混凝土、电石渣中的一种或多种，其CaO含量≥45％。
[0013]按上述方案，步骤1)中硅质废渣包括炉渣、矿渣、硅钙渣中的一种或多种，其SiO2含量≥60％。
[0014]按上述方案，步骤1)中的破碎粒径为3
‑
6mm。
[0015]按上述方案，步骤1)中的粉磨工艺为：以500r/min的转速球磨15
‑
45min，细度过80μm方孔筛筛余10％以下。
[0016]按上述方案，步骤2)中的预烧工艺为：以5℃/min升温速率升至800
‑
950℃，保温1
‑
2h。
[0017]按上述方案，步骤2)中在煅烧工艺：以5
‑
20℃/min的速率升至1100℃
‑
1250℃，保温1
‑
3h。
[0018]按上述方案，步骤2)中的冷却速率为：以150
‑
180℃/min速率快速冷却1
‑
2h，继续再自然冷却(～20℃/min)至室温。
[0019]按上述方案，步骤3)中的碳化反应釜中的碳化养护制度：CO2压力0.1
‑
0.5MPa，浓度10％
‑
99％，温度20℃
‑
60℃。
[0020]相对于现有技术，本专利技术所述的一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料及其制备方法具有以下优势：
[0021](1)本专利技术胶凝材料以工业固废为原料，煅烧温度低(1100
‑
1250℃)，相比普通硅酸盐水泥，可节约石灰石、粘土等天然资源60％
‑
100％，烧成煤耗降低15％
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料，其特征在于：按重量份表示，其主要矿物相包括：γ
‑
C2S：30
‑
55份、β
‑
C2S：30
‑
50份、C3S2：0
‑
10份、f
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CaO：5
‑
10份。2.一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)采用传统的“两磨一烧”煅烧工艺，按照1.7
‑
4.0的钙硅设计比，将69～85份钙质废渣、7～26份硅质废渣和5～10份铁矿石经破碎、球磨、配料、均化，得到胶凝材料制备原料；步骤2)将上述原料加入10％
‑
15％去离子水或无水乙醇，搅拌均匀后在5
‑
30MPa的压力下压制成型，置60
‑
105℃烘箱中烘6
‑
24h至恒重后，于马弗炉中预烧、煅烧，冷却，并以450r/min的转速球磨10
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30min至通过80μm方孔筛筛余10％以下，得到固废基高活性固碳低钙胶凝材料。步骤3)将步骤2)中得到的固废基高活性固碳低钙胶凝材料，同样添加10％
‑
15％去离子水或无水乙醇，搅拌均匀后以5
‑
30MPa的成型压力在20mm*20mm*20mm的钢模中持续压制15
‑
20s成型，置碳化反应釜中养护8
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24h后，放入温度20
±
5℃，湿度≥90％的标准养护室内进行标养，至规定龄期。3.根据权利要求2所述的一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料制备方法，其特征在于，所述步骤1)中钙质废渣包括城市生活...

【专利技术属性】
技术研发人员：林忠财，王晓丽，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：