具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的硅酸镁组分胶凝材料熟料及其制备方法和应用。

需要说明的是，“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域普通技术人员而言，本文中的部分术语“压力”相当于压强。

目前国内建设方兴未艾，需要大量的无机胶凝材料，而国内主流无机胶凝材料主要是钙质胶凝材料，产品种类单一。以硅酸镁为代表的镁质胶凝材料具有优良的使用性能，但其制备原料的市场价格较高，同时生产这些原料也需要大量的能耗，不符合绿色环保理念。

与此同时，国内含蛇纹石矿物固废大量堆积，对环境带来了严重影响和危害，而蛇纹石矿物是重要的硅酸镁胶凝材料的原料，大量堆积的同时，不但占用大量的土地资源，而且还造成资源的闲置浪费。

为改变以上现状，本发明提供了一种以蛇纹石矿物为主体组分的原料制备硅酸镁组分胶凝材料熟料的方法，通过将含有蛇纹石矿物的原料、石灰质原料和黏土质原料按比例混合煅烧，制备获得硅酸镁组分胶凝材料熟料。这不仅能够改善含蛇纹石矿物固废大量堆积的现状，又能生产价格低廉的硅酸镁组分胶凝材料熟料，为制备硅酸镁胶凝材料提供一种新思路。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法。

在本发明的硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法的一个示例性实施例中，一种硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法可包括以下步骤：

(1)将第一配料和第二配料分别进行干燥、破碎和粉磨处理，分别获得第一粉粒体和第二粉粒体。其中，第一配料为含有蛇纹石矿物的原料，第二配料包括石灰质原料和黏土质原料。也就是说，干燥、破碎和粉磨处理后，可分别获得含有蛇纹石矿物的粉粒体、石灰质原料粉粒体和黏土质原料粉粒体。

所述含有蛇纹石矿物的原料可以包括蛇纹岩、蛇纹石选矿尾渣、蛇纹岩废石、温石棉选矿尾矿、超基性岩型金属矿产选矿尾渣中的至少一种。

获得的所述含有蛇纹石矿物的粉粒体的主要矿物组成为蛇纹石，含少量但不限于滑石、磁铁矿、绿泥石、菱镁矿、橄榄石和辉石等。按质量百分比计，所述含有蛇纹石矿物的粉粒体可包括25％～40％MgO、35％～40％SiO₂、2％～10％CaO、5％～15％Fe₂O₃、1％～5％Al₂O₃以及8％～15％H₂O⁺。所述含有蛇纹石矿物的粉粒体粒径可为45μm～20cm。

所述石灰质原料可溶包括以碳酸钙为主要成分的沉积灰岩、沉积灰岩的变质岩、沉积灰岩和沉积灰岩的变质岩在矿山开发加工过程中形成的尾矿和尾渣中的至少一种。其中，所述沉积灰岩包括以方解石为主要矿物的石灰岩、含有杂质的硅质石灰岩、黏土质石灰岩和白云至石灰岩中的至少一种。所述沉积灰岩的变质岩包括方解石大理岩、含白云石大理岩、含石英大理岩和含硅灰石大理岩中的至少一种。所述石灰质原料粉粒体的粒径可为45μm～20cm。

所述黏土质原料可溶包括以黏土矿物为主要成分的黏土岩、含黏土矿物较多的含砂黏土岩、泥岩、页岩、黄土、黏土岩和含黏土矿物较多的岩石在矿山开发加工过程中形成的尾矿和尾渣中的至少一种。其中，以黏土矿物为主要成分的黏土岩包括高岭土黏土岩、蒙脱石黏土岩和伊利石黏土岩中的至少一种。所述黏土质原料粉粒体的粒径可为45μm～20cm。

破粉碎前先进行干燥处理，干燥温度可为60℃～105℃，以去除含蛇纹石矿物的原料、石灰质原料、黏土质原料的吸附水。干燥后粉粒体吸附水含量低于5％。过量的吸附水不利于样品的进一步破粉碎，特别是黏土质原料，过量吸附水会导致黏土质原料包裹在破粉碎设备上，严重影响破粉碎效果。吸附水含量低于5％利于破碎和有利于焙烧过程中尾矿的焙烧解毒；如果吸附水含水量超过5％，导致水分蒸发对热量的消耗，从而影响步骤(2)中混合物料在煅烧炉中的燃烧效果。

进一步地，干燥温度可为90～105℃；干燥后含有蛇纹石矿物的粉粒体、石灰质原料粉粒体和黏土质原料粉粒体中的吸附水含量均可为0.5％～1％。

另外，可在压力低于外界大气压5～10Pa的负压环境下，完成所述干燥、破碎和粉磨处理，对外部空气不污染。负压能够让车间外面的新鲜空气流入，车间内含有石棉纤维的粉尘通过专门的吸尘装置排放到固定地方，不会排放到车间外，从而降低环境污染。若负压大于10Pa，负压环境下对员工的健康会有影响，同时车间内风流动速度增加，易引起粉尘飞扬，室内空气补充不及，会表现为一种轻度真空状态。若负压小于5Pa，则负压效果不好。

(2)按预定质量比混合第一粉粒体(也就是含有蛇纹石矿物的粉粒体)和第二粉粒体(也就是石灰质原料粉粒体和黏土质原料粉粒体)，混合均匀后再次粉磨，获得混合物料。

其中，所需配料的粒度应与硅酸镁组分胶凝材料熟料的粒度配合，具体目数为-500目～-100目。若黏土质原料粉粒体粒度过大，则影响熟料的胶凝性能，若石灰质原料和含蛇纹石矿物原料的粒度过大，则影响后续产品使用效果，如平整度等；若粒度过小，则对磨矿设备和磨矿环境要求较高，不仅成本高，而且如石灰质原料和含蛇纹石矿物原料的粒度过粒度过小会导致材料的力学性能变差。这里，目数前加正负号表示能否漏过该目数的网孔，负数表示能漏过该目数的网孔，即颗粒尺寸小于网孔尺寸，正数表示不能漏过该目数的网孔，即颗粒尺寸大于网格尺寸；例如，-100目表示100目以下。

获得的混合物料的粒径为2μm～100μm，例如，混合物料的粒径可以为5μm、20μm、50μm、70μm、85μm、95μm等。

含有蛇纹石矿物的粉粒体、石灰质原料粉粒体和黏土质原料粉粒体的预定质量比可为1：(0.1～0.45)：(0.05～0.35)。例如，含有蛇纹石矿物的粉粒体、石灰质原料粉粒体和黏土质原料粉粒体的预定质量比可以设置为1：0.1：0.1、1：0.2：0.15、1：0.3：0.1、1：0.1：0.25、1：0.4：0.3等。石灰质原料和黏土质原料配合使用可达到最好的胶凝性能，若石灰质原料和黏土质原料均低于参数范围下限(例如，含有蛇纹石矿物的粉粒体、石灰质原料粉粒体和黏土质原料粉粒体的预定质量比为1：0.05：0.01时)，则制备的硅酸镁组分胶凝材料熟料性能差，无法满足工业应用；如果石灰质原料和黏土质原料用量超出参数范围上限(例如，含有蛇纹石矿物的粉粒体、石灰质原料粉粒体和黏土质原料粉粒体的预定质量比为1：0.9：0.81时)，则含蛇纹石矿物的尾矿或尾渣资源利用率低，无法实现尾矿或尾渣资源的规模化综合利用。

(3)煅烧混合物料，获得硅酸镁组分胶凝材料熟料。

煅烧炉可包括立窑、回转窑、预分解窑、悬浮窑等，煅烧温度可为850℃～1200℃，煅烧时间可为3min～2.0h。例如，煅烧温度可为900℃、1000℃、1100℃、1200℃等，煅烧时间可为5min、15min、35min、45min、60min、75min、90min、105min等。

煅烧温度850℃～1200℃，焙烧时间3min～2.0h。在此温度范围内，可以达到较好的烧结效果，使煅烧后所得产品具有活性高，胶凝性能好。当温度低于该温度时(例如，煅烧温度为400℃时)，煅烧效果差，产品活性偏低，胶凝性能差，而高于此温度(例如，煅烧温度为1600℃时)，不但容易消耗能源，而且会导致粉体活性降低，产品性能及使用质量变差，故存在上述最佳煅烧温度范围。煅烧时间亦是如此，时间过低(例如，煅烧时间为1min时)，达不到煅烧效果；时间过长(例如，煅烧时间为4h时)，消耗能源的同时，容易造成过煅烧，粉体活性降低，同样达不到最优效果。

在本发明的硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法的又一个示例性实施例中，一种硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法可包括以下步骤：

(1)将第一配料和第二配料分别进行干燥、破碎和粉磨处理，分别获得第一粉粒体和第二粉粒体。其中，第一配料为含有蛇纹石矿物的原料，第二配料为石灰质原料。也就是说，干燥、破碎和粉磨处理后，可分别获得含有蛇纹石矿物的粉粒体和石灰质原料粉粒体。

(2)按预定质量比混合含有蛇纹石矿物的粉粒体和石灰质原料粉粒体，混合均匀后再次粉磨，获得粒径为2μm～100μm的混合物料。含有蛇纹石矿物的粉粒体和石灰质原料粉粒体和黏土质原料粉粒体的预定质量比可为1：(0.1～0.45)。

(3)煅烧混合物料，获得硅酸镁组分胶凝材料熟料。煅烧温度可为850℃～1200℃，煅烧时间可为3min～2.0h。

在本发明的硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法的再一个示例性实施例中，一种硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法可包括以下步骤：

(1)将第一配料和第二配料分别进行干燥、破碎和粉磨处理，分别获得第一粉粒体和第二粉粒体。其中，第一配料为含有蛇纹石矿物的原料，第二配料为黏土质原料。也就是说，干燥、破碎和粉磨处理后，可分别获得含有蛇纹石矿物的粉粒体和黏土质原料粉粒体。

(2)按预定质量比混合含有蛇纹石矿物的粉粒体和黏土质原料粉粒体，混合均匀后再次粉磨，获得粒径为2μm～100μm的混合物料。含有蛇纹石矿物的粉粒体和黏土质原料粉粒体的预定质量比可为1：(0.05～0.35)。

(3)煅烧混合物料，获得硅酸镁组分胶凝材料熟料。煅烧温度可为850℃～1200℃，煅烧时间可为3min～2.0h。

本发明的原料为蛇纹石矿物废料，包括蛇纹岩、蛇纹石选矿尾渣、温石棉采矿过程中剥离的蛇纹岩废石、温石棉选矿过程中排放的尾矿、超基性岩型金属矿产选矿尾渣，属于国家危险固体废物处理，对危险固废进行资源开发，对环境保护、尾渣库安全整治和发展新材料产业与社会经济等多重意义。同时石灰质原料和黏土质原料均为原矿或生产过程中产生的尾矿，属于工业固体废物的资源化再利用，不仅成本较低，同时也解决了尾矿堆积、尾矿库安全性等系列问题，符合国家绿色环保理念。

本发明另一方面提供了一种硅酸镁组分胶凝材料熟料。

在本发明的硅酸镁组分胶凝材料熟料的一个示例性实施例中，所述硅酸镁组分胶凝材料熟料采用如上所述的硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法制备获得。

按质量百分比计，硅酸镁组分胶凝材料熟料可包括25％～40％MgO、38％～45％SiO₂、2％～25％CaO、2％～15％Fe₂O₃和5％～15％Al₂O₃。

该硅酸镁组分胶凝材料熟料由主晶相为橄榄石和石英及活性硅酸盐组成的混合物相粉粒体材料。该粉粒体(也就是硅酸镁组分胶凝材料熟料)经磨粉加水拌匀，成型体经养护固化为石状体。该粉粒体(也就是硅酸镁组分胶凝材料熟料)经磨粉，磨粉后的粒径要求为2～100μm。所述粉粒体(也就是硅酸镁组分胶凝材料熟料)加水范围为15％～35％，拌匀后具有胶凝性。

与常规产品相比，本发明的硅酸镁组分胶凝材料熟料产品有以下特点：产品不添加任何无有毒有害物质，无甲醛等有毒气体释放，安全环保；同时产品成分主要为无机物，耐水和耐碱性好，应用领域广，产品遇水固结均匀，刮凃无障碍，比常规产品具有更好的粘结强度。

本发明再一方面提供了一种如上所述的硅酸镁胶凝材料熟料作为硅酸镁胶凝材料的制备原料的应用。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

示例1

一种硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法可包括以下步骤：

S1、选择第一配料为蛇纹石选矿尾渣原料(也就是含有蛇纹石矿物的原料)，第二配料为含有杂质的硅质石灰岩原料(也就是石灰质原料)和高岭土黏土岩原料(也就是黏土质原料)，将蛇纹石选矿尾渣原料、含有杂质的硅质石灰岩原料、高岭土黏土岩原料分别进行干燥、破粉碎，获得粒径为-150μm的主要含蛇纹石选矿尾渣的原料粉粒体、硅质石灰岩原料粉粒体和高岭土黏土岩原料粉粒体。

其中，按质量百分比计，蛇纹石选矿尾渣的原料粉粒体的主要化学组成为：30％MgO、35％SiO₂、10％CaO、10％Fe₂O₃、5％Al₂O₃和10％H₂O⁺。这里，H₂O⁺为结合水。

S2、将步骤S1获得的主要含蛇纹石选矿尾渣原料粉粒体、含有杂质的硅质石灰岩原料粉粒体和高岭土黏土岩原料粉粒体以质量比1：0.35：0.25进行配料，混合均匀后置于磨粉机中粉磨，获得粒径为-90μm的混合物料。这里，-90μm表示混合物料的粒径小于90μm。

S3、将步骤S2获得的混合物料置入回转窑中以950℃中加热煅烧30min，获得硅酸镁组分胶凝材料熟料。

按质量百分比计，硅酸镁钙组分胶凝材料熟料的主要化学组成为：32％MgO、35％SiO₂、15％CaO、9％Fe₂O₃和9％Al₂O₃。所述熟料由主晶相为橄榄石和石英及活性硅酸盐组成的混合物相粉粒体材料。

示例2

一种硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法可包括以下步骤：

S1、选择第一配料为温石棉选矿过程中排放的尾矿原料(也就是含有蛇纹石矿物的原料)，第二配料为方解石大理岩原料(也就是石灰质原料)，将温石棉选矿过程中排放的尾矿原料、方解石大理岩原料分别进行干燥、破粉碎，分别获得粒径为10cm的温石棉选矿过程中排放的尾矿粉粒体和粘土质石灰岩原料粉粒体。

其中，按质量百分比计，温石棉选矿过程中排放的尾矿粉粒体的主要化学组成为：31％MgO、36％SiO₂、9％CaO、11％Fe₂O₃、4％Al₂O₃和9％H₂O⁺。

S2、将步骤S1获得的温石棉选矿过程中排放的尾矿粉粒体和方解石大理岩原料粉粒体以质量比1：0.35进行配料，混合均匀后置于磨粉机中粉磨，获得粒径为-10cm的混合物料。这里，-10cm表示混合物料的粒径小于10cm。

S3、将步骤S2获得的混合物料置入预分解窑中以1150℃中加热煅烧120min，获得硅酸镁组分胶凝材料熟料。

按质量百分比计，硅酸镁钙组分胶凝材料熟料的主要化学组成为：35％MgO、40％SiO₂、5％CaO、10％Fe₂O₃和10％Al₂O₃。所述熟料由主晶相为橄榄石和石英及活性硅酸盐组成的混合物相粉粒体材料。

示例3

一种硅酸镁组分胶凝材料熟料的制备方法可包括以下步骤：

S1、选择第一配料为超基性岩型金属矿产选矿尾渣原料(也就是含有蛇纹石矿物的原料)，第二配料为蒙脱石黏土岩原料(也就是黏土质原料)，将超基性岩型金属矿产选矿尾渣原料、蒙脱石黏土岩原料分别进行干燥、破粉碎，获得粒径为-50μm的主要含蛇纹石矿物原料的粉粒体和蒙脱石黏土岩原料粉粒体。

其中，按质量百分比计，超基性岩型金属矿产选矿尾渣粉粒体的主要化学组成为：35％MgO、40％SiO₂、5％CaO、10％Fe₂O₃、5％Al₂O₃和5％H₂O⁺。

S2、将步骤S1获得的超基性岩型金属矿产选矿尾渣粉粒体、蒙脱石黏土岩原料粉粒体以质量比1：0.3进行配料，混合均匀后置于磨粉机中粉磨，获得粒径为-50μm的混合物料。这里，-50μm表示混合物料的粒径小于50μm。

S3、将步骤S2获得的混合物料置入立窑中以1000℃中加热煅烧90min，获得硅酸镁组分胶凝材料熟料。

按质量百分比计，硅酸镁钙组分胶凝材料熟料的主要化学组成为：33％MgO、35％SiO₂、24％CaO、5％Fe₂O₃和3％Al₂O₃。所述熟料由主晶相为橄榄石和石英及活性硅酸盐组成的混合物相粉粒体材料。

综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)本发明对含蛇纹石矿物的危险固体废弃物进行相解毒处理，含石棉废物进行焙烧、转相解毒处理，实现了多种含石棉废物的资源化利用，对资源保护、节约与高值化利用，具有重要的生态与可持续发展意义；

(2)本发明对含蛇纹石矿物的危险固体废弃物进行了废物处理，对尾渣库安全、环境保护、废弃资源的利用等具有重要的生态与环境意义；

(3)本发明将含蛇纹石矿物的危险固体废弃物通过加热煅烧，实现了石棉矿物成分、结构和形貌、性能的完全改变，将其制备成硅酸镁组分胶凝材料熟料，实现了变废为宝；

(4)以硅酸镁组分胶凝材料熟料，拓展了胶凝材料的来源和范围，有助于推进国内基础设施建设，有效缓解城镇化过程中的建筑材料日益紧张的矛盾，同时有利地推动镁质胶凝材料的应用，积极响应了国家大力提倡和推广的固废材料资源化政策；

(5)本发明首次采用纹石矿物为主体组分的原料制备硅酸镁组分胶凝材料熟料，可降低水泥用量，有助于减少碳排量和环境污染，实现含蛇纹石矿物固废的资源化利用，有利用保护环境、节约土地资源，同时也为危险废物的无毒无害化处理提供了新思路，具有重要的生态、环境、经济和社会效益。

尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。