一种煤矸石活性混合材、其制备方法以及一种高性能水泥

一种煤矸石活性混合材、其制备方法以及一种高性能水泥

技术领域

本发明涉及建筑材料，特别涉及水泥工业中的活性混合材料及其制备方法，以及 由该活性混合材料而形成的新型高性能水泥。

背景技术

随着水泥混凝土技术的发展，水泥混凝土正朝着高性能化的方向发展。高性能水 泥混凝土应该具有低的环境负荷、高的强度以及优异的耐久性等显著特点。低的环境 负荷主要体现在能源和资源消耗要低，具体地说就是水泥混凝土中要尽可能多地掺加 混合材，同时保证水泥混凝土具有高的强度和优异的耐久性。因此，这就要求高性能 水泥混凝土的组成配比不同于普通水泥混凝土的，同时高性能水泥混凝土对所用组分 的特性，尤其对混合材或掺合料的特性，都有特殊要求。一些能够用于普通水泥混凝 土的混合材或掺合料，就不适用于高性能水泥混凝土。

煤矸石的国内堆存数量已经达到30亿吨左右，占地1.1亿m²，全国煤矿每年新 增1亿多吨。如此数量的煤矸石不仅占用大量土地，而且也污染环境。因此，煤矸石 的资源化利用，为众多学者和工程技术人员的所关注。但是不容否认的是，煤矸石资 源化利用问题，一直没有得到彻底解决。建筑材料领域具有材料用量大的独特优势， 因此如果能够把煤矸石转化成水泥混凝土的高活性组分，就可以彻底解决煤矸石的排 放和堆存问题。然而，虽然经过多年研究与实践，上述研究仍然没有取得突破性的进 展。

关于活性煤矸石及其制备，有专利申请C1236748A公开了一种煅烧煤矸石制取 活性混合材的处理方法，把煤矸石煅烧后即制得活性混合材，但是该方法并没有实施 例。另一专利申请C1156130A公开了一种早强型大掺量煤矸石水泥的制造方法，将 40～70％(重量％)煤矸石与25～55％(重量％)水泥熟料和3～15％(重量％)激发剂 混合粉磨制得该种水泥，该方法中激发剂是非常重要的、不可或缺的组分。然而激发 剂中地碱和硫酸盐等组分对水泥或混凝土的耐久性能将产生不利影响。这限制了该种 早强型大掺量煤矸石水泥的使用。

发明创造内容

本发明的目的是提供一种在使用中不含影响水泥混凝土性能的有害组分的煤 矸石活性混合材及其制备方法。

本发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℃煅烧，得到的煅烧样85～100wt％与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含量超过35％。

本发明煤矸石活性混合材的制备方法，包括下述步骤：

1)混合配料：按照重量百分比将原料煤矸石、石灰石和/或白云石混合均匀；

2)煅烧：把上述配比所得样品在高温炉内煅烧，煅烧温度控制在600℃～1000℃；

3)混合粉磨：煅烧样品按照重量百分比85～100％与0～15％生石灰混合，在球磨 机内粉磨，粉磨细度用45μm筛控制，筛余在10.0％范围内，即得到本发明的煤矸石 活性混合材。

本发明的另一目的是提供由上述煤矸石活性混合材组成的高性能水泥。

本发明的高性能水泥，是由30wt％～40wt％的煤矸石活性混合材与70wt％～60wt％ 的硅酸盐水泥混合而成。

采用上述技术方案，经实验验证，用本发明方法制备的煤矸石混合材与普通水 泥混合得到的高性能水泥，比普通煅烧的煤矸石与普通水泥混合后28天抗压强度 提高8～11MPa，本发明所得高性能水泥的强度等级均达到了国标42.5和52.5强度 等级要求。

本发明制备的煤矸石活性混合材中含有的组分基本和硅酸盐水泥相一致，不含影 响水泥混凝土性能的有害组分，使其成为高性能水泥混凝土用性能调节型辅助胶凝组 分，此为本发明的显著特点之一。

本发明制备煤矸石活性混合材的方法简便易行，并且合理解决了煤矸石的排放和 堆存，经济效益和环境效益显著。

具体实施方式

本发明首先提供一种活性煤矸石混合材的制备方法。本发明中，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，是在煤矸石原料中掺入石灰石和/或白 云石，而后在温度600℃～1000℃范围内进行煅烧，将煅烧样与生石灰共同粉磨后而 制得。

在制备过程中，煅烧前原料煤矸石用量在80～97wt％范围内，石灰石和/或白云石 用量在3～20wt％范围内，然后再将煅烧煤矸石85～100wt％和生石灰0～15wt％混合， 在球磨机内粉磨而得到本发明煤矸石活性混合材。

制备煤矸石活性混合材的步骤具体为：

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

2、煅烧：把上述配比所得样品在高温炉内煅烧，煅烧温度控制在600℃～1000℃；

3、混合粉磨：煅烧样品按照重量百分比85～100％与0～15％生石灰混合，在球磨 机内粉磨，粉磨细度用45μm筛控制，筛余在10.0％范围内，即得到本发明的 煤矸石活性混合材。

本发明还提供一种高性能水泥，是由30wt％～40wt％的煤矸石活性混合材与 70wt％～60wt％的硅酸盐水泥混合而得到的高性能水泥。

以下是本发明的实施例：

实施例1：将97千克原料煤矸石(取自江苏徐州)、3千克石灰石混合均匀，在 1000℃下煅烧1.0小时，自然降温到室温后，取出85千克与15千克生石灰混合后在 球磨机内粉磨，过45μm筛，筛余在10.0％范围内，混合筛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70千克普通硅酸盐水泥混合均匀，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60千克普通硅酸盐水泥混合均 匀，得到本例高性能水泥A-4。

对本例高性能水泥进行强度测试，以验证本发明的的煤矸石混合材活性以及高性 能水泥的品质。其中，测试样品中A-1、A-3为比较样，A-1为70wt％硅酸盐水泥与30wt％ 普通煅烧煤矸石的混合物，A-3为60wt％硅酸盐水泥和40wt％普通煅烧煤矸石的混合 物。强度测试采用国家标准GB/T17671-1999规定的方法：将95％质量的样品和5％ 质量的天然二水石膏混合，在球磨机中粉磨，比表面积达到340m²/kg～360m²/kg后 测试强度。测试结果见表1。

表1

            抗折强度(MPa)         抗压强度(MPa)

样品编号

            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％硅酸盐水泥+30％煅烧煤矸石

    A-2-70％硅酸盐水泥+30％本发明方法制备的煤矸石；

    A-3-60％硅酸盐水泥+40％煅烧煤矸石

    A-4-60％硅酸盐水泥+40％本发明方法制备的煤矸石。

从表1数据得知，煅烧煤矸石是否掺加石灰石煅烧，所得的煅烧样品与硅酸盐水 泥复合的性能存在明显差异。在掺量30％的情况下，样品A-2的28天抗压强度比A-1 的高8.0MPa，其强度等级达到国标52.5的要求；在掺量40％的情况下，样品A-4的 28天抗压强度比A-3高11.1MPa，其强度等级达到了国标42.5的要求。

实施例2

将80千克原料煤矸石(取自江苏徐州)、20千克石灰石混合均匀，在800℃下 煅烧1.0小时，自然降温到室温后，取出后在球磨机内粉磨，过45μm筛，筛余在10.0％ 范围内，混合筛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65千克硅酸盐水泥B-1(取自北京拉法基水泥 厂)混合均匀，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 盐水泥B-3(取自湖北华新水泥厂)混合均匀，得到本例高性能水泥B-4。

采用与实施例1相同的方法对本例高性能水泥进行强度测试，并对比硅酸盐水泥 对照，测试结果见表2。

表2

            抗折强度(MPa)          抗压强度(MPa)

编号

            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中用不同水泥厂的硅酸盐水泥与本例制备的煤矸石活性混合材复合后得到 的高性能水泥，其强度数据显示该水泥达到国标52.5强度等级要求。

实施例3

将90千克原料煤矸石(分别取自山西霍州、山西阳泉)、10千克石灰石混合均 匀，在850℃下煅烧1.0小时，自然降温到室温后，分别取出90千克与10千克生石 灰混合后在球磨机内粉磨，过45μm筛，筛余在10.0％范围内，混合筛得粉末即得到 本例煤矸石活性混合材。

分别取本例煤矸石活性混合材(山西阳泉)30千克和70千克普通硅酸盐水泥混 合均匀，得到本例高性能水泥C-2(山西阳泉)；取本例粉煤灰活性混合材(山西霍 州)30千克和70千克普通硅酸盐水泥混合均匀，得到本例高性能水泥C-4(山西霍 州)。对比样为C-1(普通煅烧后山东兖州煤矸石30wt％与硅酸盐水泥70wt％混合)， C-3(普通煅烧后河南郑州煤矸石30wt％与硅酸盐水泥70wt％混合)。

采用与实施例1相同的方法对本例高性能水泥进行强度测试，测试结果见表3。

表3

                 抗折强度(MPa)          抗压强度(MPa)

编号

                 3天        28天        3天         28天

山西阳泉C-2      6.8        11.6        37.7        70.3

山西霍州C-4      7.9        12.1        39.3        73.3

山东兖州C-1      6.9        10.3        35.2        65.7

河南郑州C-3      6.6        9.3         36.0        61.7

实施例4

将95千克原料煤矸石(取自江苏徐州)、5千克白云石混合均匀，在900℃下煅 烧1.0小时，自然降温到室温后，取出95千克与5千克生石灰混合后在球磨机内粉 磨，过45μm筛，筛余在10.0％范围内，混合筛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70千克普通硅酸盐水泥混合均匀，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60千克普通硅酸盐水泥混合均 匀，得到本例高性能水泥D-4。

采用与实施例1相同的方法对本例高性能水泥进行强度测试，测试结果见表4。

表4

           抗折强度(MPa)         抗压强度(MPa)

编号

           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数据表明，用白云石和原料煤矸石混合后运用本发明方法制备所得煤矸石活 性混合材与硅酸盐水泥复合后所得水泥的性能指标同样达到国家不同等级的水泥标 准要求。

实施例5

将95千克原料煤矸石(取自江苏徐州)、2千克白云石、3千克石灰石混合均匀， 在在φ20×400cm回转窑中900℃下煅烧0.5小时，自然降温到室温后，转入在球磨机 内粉磨，过45μm筛，筛余在10.0％范围内，混合筛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70千克普通硅酸盐水泥混合均匀，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60千克普通硅酸盐水泥混合均 匀，得到本例高性能水泥E-4。

采用与实施例1相同的方法对本例高性能水泥进行强度测试，测试结果见表5。

表5

            抗折强度(MPa)          抗压强度(MPa)

编号

            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

该例是本发明方法在φ20×400cm回转窑上实施所得的结果。结果表明该例所得水 泥的强度等级都达到了国标52.5强度等级要求。

实施例6

将90千克原料煤矸石(取自江苏徐州)、5千克白云石、5千克石灰石混合均匀， 在在工业用梭式窑上中800℃下煅烧5.0小时，自然降温到室温后，取出90千克并 与10千克生石灰混合在球磨机内粉磨，过45μm筛，筛余在10.0％范围内，混合筛 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70千克普通硅酸盐水泥混合均匀，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60千克普通硅酸盐水泥混合均 匀，得到本例高性能水泥F-4。

采用与实施例1相同的方法对本例高性能水泥进行强度测试，测试结果见表6。

表6

            抗折强度(MPa)           抗压强度(MPa)

编号

            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

实施例6是本发明方法在工业用梭式窑上的实施效果。煤矸石在工业用梭式窑 上进行煅烧，煅烧温度控制在800℃左右。结果表明该例所得水泥的强度等级分别达 到国标52.5或42.5强度等级要求。