无熟料固废体系水泥及其制造方法
阅读说明：本技术 无熟料固废体系水泥及其制造方法 (Clinker-free solid waste system cement and manufacturing method thereof ) 是由 李端乐 刘传胜 段崇国 崔勇 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种无熟料固废体系水泥及其制备方法,该熟料固废体系水泥由以下原料制备而得：石膏10～20％,钢渣10～20％,矿渣60～75％,钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.1～0.5％,所述百分比均为质量百分比。添加了钢渣-矿渣早期活性强度激发剂可以解决该水泥早期强度低,易碳化,抗风化能力差等问题,另外,无熟料固废体系水泥具有良好的颗粒级配和较低的需水量,采用较低水胶比和用水量能够保证砂浆和混凝土具有满足工程要求的强度和耐久性。而且该水泥不用熟料而用固废,既可以保护环境又可以节约生产成本。(The invention provides clinker-free solid waste system cement and a preparation method thereof, wherein the clinker-free solid waste system cement is prepared from the following raw materials: 10-20% of gypsum, 10-20% of steel slag, 60-75% of slag, and 0.1-0.5% of steel slag-slag early-stage active strength excitant, wherein the percentages are mass percentages. The addition of the steel slag-slag early-stage active strength excitant can solve the problems of low early-stage strength, easy carbonization, poor weather resistance and the like of the cement, in addition, the cement of a clinker-free solid waste system has good particle size distribution and lower water demand, and the mortar and the concrete can be ensured to have strength and durability meeting engineering requirements by adopting lower water-cement ratio and water consumption. And the cement is solid waste without clinker, so that the environment can be protected and the production cost can be saved.)
技术领域
本发明属于水泥生产领域，具体涉及一种无熟料固废体系水泥及其制造方法。
背景技术
工业固体废弃物(简称“固废”)综合利用是节能环保战略性新兴产业的重要组成部分。 据统计，2019年我国大宗工业固体废弃物产生量为36.98亿吨，其中冶金渣占17.85％，工业 副产石裔占6.11％，仅此两项产生量就将近10亿吨，其中钢铁冶金渣中钢渣的产生量为1.5 亿吨，但其综合利用率不足40％，高炉水淬矿渣的深度利用也还有巨大的潜力有待深度挖掘。 大量的固体废弃物占用土地堆存，不仅带来环境、安全等多方面的问题，也给企业造成极大 的经济压力。
解决工业固体废弃物不当处置和堆存所带来的环境污染和安全隐患的问题，对于实现 产业结构升级、节能减排迫在眉睫。
关于低碳化，有研究显示，传统水泥的制造所排放的CO2就占了全球CO2排放量的7％， 而水泥产业的碳排放主要来源于水泥熟料的生产过程。资料显示，生产1t熟料需0.161～0.296t 煤，煤燃烧会产生0.383～0.704tC02，加上生成熟料时碳酸钙分解产生的C02，每生产1t水泥 熟料会排放0.894～1.215tC02。这样大概计算得出，每生产1t水泥熟料就会排放约1tC02。
减少水泥熟料用量的途径主要是使用一种或多种矿物掺合料来代替水泥熟料，常见的矿 物掺合料包括矿渣、钢渣、石灰石粉等，这些矿物掺合料的物理性质和水化特性各不相同。 使用矿渣作为矿物掺合料能使水化持续过程对延长，有效预防传统混凝土常见的收缩、开裂 问题，改善混凝土内部的微观结构，提高耐久性能和工作性能；使用硅灰或石灰石粉作为矿 物掺合料能发挥颗粒效应和活性效应的双重作用，降低水胶比，优化混凝土孔结构，进而提 高强度和耐久性能。因此，摸清各种矿物掺合料的特性，构建不同矿物掺合料之间的协同作 用是绿色高性能混凝土研发的重要方向。
然而，石膏矿渣水泥易碳化，在空气中二氧化碳存在的情况下石膏矿渣水泥混凝土结构 会快速碳化，碳化行为会导致出现稳态碳酸钙的变体文石和球霰石，在冻盐作用下，该变体 会快速溶解而呈现出明显的结构不稳定性。
因此，本发明通过从不同固废基材料之间的相互协同作用，以及碱性激发剂对固废基水 泥的激发作用机理出发，对无熟料固废体系水泥进行了深入的研究，发现了在不使用熟料的 情况下生产出的水泥仍然保证足够的物理性能。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于，提供一种新的既能环保又能节约成本的无熟料固废 体系水泥及其制造方法。
本发明的无熟料固废体系水泥，其主要组成原料为：作为固废的钢渣和矿渣、石膏以及 钢渣-矿渣早期活性强度激发剂，按照下述组成比例将各成分搅拌混合：所述石膏10～20％， 所述钢渣10～20％，所述矿渣60～75％，另外，所述钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.1～0.5％， 所述百分比均为质量百分比。
作为优选方案，本发明的无熟料固废体系水泥中，所述石膏为工业脱硫石膏且其密度 2.2g/cm3～2.3g/cm3。
作为优选方案，本发明的无熟料固废体系水泥中，所述钢渣为密度在3.0g/cm3～3.1g/cm3的钢渣粉。
作为优选方案，本发明的无熟料固废体系水泥中，其特征在于，所述矿渣为密度在2.9g/cm3～3.1g/cm3的尾矿微粉。
作为优选方案，本发明的无熟料固废体系水泥中，所述钢渣-矿渣早期活性强度激发剂为 氧化钙，三乙醇胺，三异丙醇胺，聚羧酸，二乙醇胺，多元醇其中的一种或几种混合。
作为优选方案，本发明的无熟料固废体系水泥中，各所述组成的比例为：石膏10％，钢 渣20％，矿渣70％，钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.5％，所述百分比均为质量百分比。
作为优选方案，本发明的无熟料固废体系水泥中，各所述组成的比例为：石膏15％，钢 渣10％，矿渣75％，钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.3％，所述百分比均为质量百分比。
作为优选方案，本发明的无熟料固废体系水泥中，各所述组成的比例为：石膏20％，钢 渣20％，矿渣60％，钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.5％，所述百分比均为质量百分比。
作为优选方案，本发明的无熟料固废体系水泥中，各所述组成的比例为：石膏17％，钢 渣13％，矿渣70％，钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.4％，所述百分比均为质量百分比。
作为优选方案，本发明的无熟料固废体系水泥中，各所述组成的比例为：石膏12％，钢 渣15％，矿渣73％，钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.5％，所述百分比均为质量百分比。
本发明还涉及一种所述无熟料固废体系水泥的制备方法，其步骤为：按照配方比例，将 固废基石膏，钢渣，矿渣，加入球磨机后，再将钢渣-矿渣早期活性强度激发剂按照上述混合 材总质量的0.1～0.5％加入，粉磨至45um筛,筛余不大于10％,即得所述无熟料固废体系水泥。
发明效果
本发明提供的无熟料固废体系水泥，添加了钢渣-矿渣早期活性强度激发剂可以解决该水 泥早期强度低，易碳化，抗风化能力差等问题，无熟料固废体系水泥具有良好的颗粒级配和 较低的需水量，采用较低水胶比和用水量能够保证砂浆和混凝土具有满足工程要求的强度和 耐久性。而且该水泥不用熟料而用固废，大大减少了二氧化碳排放，既可以保护环境又可以 大量节约生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作具体说明。
本发明的无熟料固废体系水泥，采用的主要组成为作为固废的钢渣和矿渣、石膏以及钢 渣-矿渣早期活性强度激发剂。
不同的矿物掺合料，由于其矿物组成的不同，在碱性和硫酸盐激发的条件下表现出的反 应活性不同，因此利用时应综合考虑粒级与活性的双重协同优化。本发明的无熟料固废体系 水泥在生产过程中，通过钢渣-矿渣早期活性强度激发剂的作用，促使钢渣、矿渣和石膏的相 互作用，促进了钙矾石和C－S－H凝胶的形成，原料体系中，各组分的粒级范围和水化活 性均有所不同，不同粒级的组分经过合理的搭配，可以使未水化的微粒之间达到最紧密堆积 的效果，减少孔隙率；在此基础上如果使粒级最小的组分具有最大的水化活性，粒级较大组 分的活性逐渐降低，就可以更好的利用各组分的活性，使结构的孔隙最大限度的被水化产物 填充，并给后期的持续水化留有空间，让结构整体具有更好的强度和耐久性。
实施例1
本发明实施例1中的无熟料固废体系水泥，其主要组成为：作为固废的钢渣和矿渣、石 膏以及钢渣-矿渣早期活性强度激发剂，各组成的比例为：石膏10％，钢渣20％，矿渣70％， 钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.5％；所述百分比均为质量百分比。
其中，钢渣-矿渣早期活性强度激发剂可以是氧化钙，三乙醇胺，三异丙醇胺，聚羧酸， 二乙醇胺，多元醇其中的一种或几种的混合。
按照配方比例，将石膏，钢渣，矿渣，加入球磨机后，再将钢渣-矿渣早期活性强度激发 剂按照上述混合材总质量的0.5％加入，粉磨至45um筛,筛余不大于10％,即得产品1。
实施例2
本发明实施例2中的无熟料固废体系水泥，其主要组成为：作为固废的钢渣和矿渣、石 膏以及钢渣-矿渣早期活性强度激发剂，各组成的比例为：石膏15％，钢渣10％，矿渣75％， 钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.3％；所述百分比均为质量百分比。
其中，钢渣-矿渣早期活性强度激发剂可以是氧化钙，三乙醇胺，三异丙醇胺，聚羧酸， 二乙醇胺，多元醇其中的一种或几种的混合。
按照配方比例，将石膏，钢渣，矿渣，加入球磨机后，再将钢渣-矿渣早期活性强度激发 剂按照上述混合材总质量的0.3％加入，粉磨至45um筛,筛余不大于10％,即得产品2。
实施例3
本发明实施例3中的无熟料固废体系水泥，其主要组成为：作为固废的钢渣和矿渣、石 膏以及钢渣-矿渣早期活性强度激发剂，各组成的比例为：石膏20％，钢渣20％，矿渣60％， 钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.5％；所述百分比均为质量百分比。
其中，钢渣-矿渣早期活性强度激发剂可以是氧化钙，三乙醇胺，三异丙醇胺，聚羧酸， 二乙醇胺，多元醇其中的一种或几种的混合。
按照配方比例，将石膏，钢渣，矿渣，加入球磨机后，再将钢渣-矿渣早期活性强度激发 剂按照上述混合材总质量的0.5％加入，粉磨至45um筛,筛余不大于10％,即得产品3。
实施例4
本发明实施例4中的无熟料固废体系水泥，其主要组成为：作为固废的钢渣和矿渣、石 膏以及钢渣-矿渣早期活性强度激发剂，各组成的比例为：石膏17％，钢渣13％，矿渣70％， 钢渣-矿渣早期活性强度激发剂0.4％；所述百分比均为质量百分比。
其中，钢渣-矿渣早期活性强度激发剂可以是氧化钙，三乙醇胺，三异丙醇胺，聚羧酸， 二乙醇胺，多元醇其中的一种或几种的混合。
按照上述配方比例，将石膏，钢渣，矿渣，加入球磨机后，再将钢渣-矿渣早期活性强度 激发剂按照上述混合材总质量的0.4％加入，粉磨至45um筛,筛余不大于10％，即得产品4。
本发明的上述无熟料固废体系水泥，添加了钢渣-矿渣早期活性强度激发剂可以解决该水 泥早期强度低，易碳化，抗风化能力差等问题，无熟料固废体系水泥具有良好的颗粒级配和 较低的需水量，采用较低水胶比和用水量能够保证砂浆和混凝土具有满足工程要求的强度和 耐久性。
以下，对上述实施例1-4所得的水泥产品进行性能测试，并与普通标准水泥进行对比。
作为对比例，普通标准水泥的组成为熟料和石膏，其中熟料占95％，石膏占5％。
首先按照水泥取样方法GB/T 12573对水泥进行取样，按照水泥性能检测的试验方法，测 定水泥对比例以及实施例1-4的水泥产品各自的物理性能。其中，按照GB/T 1345《水泥细度 检验方法筛析法》测定上述各水泥产品的细度，按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验 方法(ISO法)》测定水泥胶砂强度。
具体而言，分别测试了各水泥产品在3天和28天的情况下的抗折强度和抗压强度，并进 行对比。测定结果如下面所示。
由上述数值可知，虽然本发明实施例1-4中的无熟料固废体系水泥，采用固废代替了熟 料，但是依然保持了良好的抗折强度和抗压强度。因此，能达到既能环保，又节约成本的目 的。尤其，实施例4中的无熟料固废体系水泥，在三天的情况下抗折强度达到5.0，优于标准 水泥的4.9，28天的情况下抗折强度8.3，与标准水泥相同。另外，3天的情况下，抗压强度 22.6，与标准水泥22.8相差不多，28天的情况下，抗压强度44.7，与标准水泥45.4也相差不 多。
综上所述，由于本发明的无熟料固废体系水泥没有采用熟料，在满足正常水泥所需要的 物理性能的前提下，大大减少了二氧化碳的排放，非常有利于环保，而原材料采用的是固废， 既能避免大量的固体废弃物占用土地堆存及其导致的环保问题，又能实现成本的节约，对于 实现产业结构升级、节能减排具有非常重要的意义。
以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等 效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。