[发明专利]一种廉价单组分碱激发水泥的制备与使用方法

说明书

技术领域

本发明属于新型水泥材料领域，具体涉及一种廉价单组分碱激发水泥的制备及其使用方法。 

背景技术

2011年我国水泥产量达20.63亿吨，其中绝大部分是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥煅烧温度达1450℃，能耗物耗高、碳排放高、环境污染严重、耐酸耐蚀和耐久性差，且消耗大量的优质石灰岩资源，应逐渐限制与减少其使用。最近研究比较活跃的碱激发水泥是由强碱盐的水溶液与活性固体氧化物粉末组成的双组分水泥，其中尤以典型组元为Na₂O-Ca(Mg)O-Al₂O₃-SiO₂的碱矿渣水泥最具性价比。前苏联的应用实践和国内的研究都证明，碱矿渣水泥具有高强、快硬、抗渗、耐久、耐蚀、低碳排放和对集料要求低等明显优于硅酸盐水泥的性能。而其化学组成比硅酸盐水泥更接近地壳，所以其主要原料更加丰富廉价。但碱矿渣以炼铁副产品为原料，成分和性能不稳定，而以工业碱和水玻璃为激发剂更使其成本偏高而难以与硅酸盐水泥竞争。 

参照碱矿渣水泥的化学组成用天然原料制备廉价的碱激发水泥，是碱激发水泥研究的重要方向。降低该种碱激发水泥的成本的途径包括两个方面，一方面是降低原料煅烧的温度，另一方面是改用更廉价易得的原料作为激发剂。 

为了达到这一目的，专利201110405630.3与201110405626.7提出用加碱直接煅烧粘土的方法制备单组份地聚物水泥（碱激发水泥的无钙品种）。这一方法较常见的双组分碱激发水泥有几个优点：一是通过直接加碱煅烧制备可溶 性的碱铝硅酸盐，不再加入水玻璃；二是熟料的煅烧温度低，最高煅烧温度也仅1000℃，远低于硅酸盐水泥及矿渣的煅烧温度。此二者都有利于降低地聚物水泥的成本。另外，该方法的原料扩展到普通的硅铝质粘土，使原料易得且易于破粉碎加工，进一步降低成本。但该方法制备的单组份地聚物水泥的耐水性不太好，遇水时强度下降较严重，且单位熟料碱耗高，成本仍然偏高。 

为克服该种水泥的缺点，专利201210238413.4用加碱煅烧粘土与石灰石的办法制备单组份碱激发水泥，该种方法与前述两个专利相比，虽然煅烧温度提高到1200℃，且亦用到有CO₂气体排放的钙质原料，但单位熟料碱耗明显减少，总体成本进一步降低，且制备的水泥不仅强度高（净浆抗压强度达51MPa），耐水性也好。 

但上述专利均利用昂贵的工业碱（烧碱或纯碱）提供Na₂O组份，这使新的单组份碱激发水泥的制备成本仍无法与硅酸盐水泥竞争。只有以廉价原料提供Na₂O组份制备的碱激发水泥，才是新世纪水泥的希望所在。本发明产品即是在此背景下提出的。 

碱激发水泥的胶凝产物以CSH凝胶和沸石或类沸石相为主。其中CSH凝胶的物相大体与硅酸盐水泥相同，而沸石或类沸石相需要与四次配位铝等当量的碱金属元素参与。传统的碱激发水泥中的碱金属组份由作为激发剂的工业碱提供。若不以工业碱为原料，则需要由其它原料提供碱金属组份。 

芒硝在高温下与SiO₂及还原剂（一般为碳）作用可制备水玻璃： 

Na₂SO₄+C+nSiO₂→Na₂O·nSiO₂+CO₂+SO₂

芒硝是相对于工业碱廉价许多且丰富易得的化工产品，故此方法为在硅铝质原料中廉价引入碱金属组分提供了思路。在单组分碱激发水泥中，碱与硅铝质及钙质原料一起煅烧得到活性水泥熟料。若将碱的制备并入熟料煅烧过程， 则可用廉价碱盐替代工业碱制备碱激发水泥，此即为本发明依赖的科学原理。 

发明内容

鉴于上述原理及思路，本发明的目的之一在于提供一种能有效降低成本、早强好的廉价单组分碱激发水泥的制备方法。 

该廉价单组分碱激发水泥的制备方法，包括如下步骤： 

（1）准备如下原料： 

硅铝质原料：指以SiO₂和Al₂O₃为主要化学组成的原料，具体为结晶的与非结晶的天然产出物和/或工业废渣； 

钙质原料：指通过煅烧过程可分解出游离的CaO的物质，具体为化学组成以CaCO₃为主、包括部分MgCO₃的天然岩石；