[发明专利]用于早硬水泥的低热处理过的硫酸钙及其一般用途

说明书

本发明涉及一种以含有硫酸钙用于优化按照EN或ASTM标准的水泥和涉及熟料的所有水泥以使它们的早期强度及最终强度获得显著提高的主要手段的具体方法。本申请获得了一种新的水泥产品。第二类产品是一种新型石膏，这种石膏可用于现有石膏的所有应用领域。第三点，通过使用这种新型硫酸钙，可以获得高强度的火山灰-石灰水泥。从第一方面开始，尽管还没有完全搞清楚活化机制，我们推断或认为硫酸钙通过影响水化硅酸钙的微观结构来影响水泥的强度的形成(增加)。一般需要引入充足数量和形态(种类)的硫酸钙以平衡铝酸盐相的反应性。通过这种方式，提供了硅酸盐相的早期水化并降低反应体系的孔隙率。水泥矿物反应和四类矿物相关；下面提及了硅酸钙矿物(C₃S和C₂S)、铝酸钙/铁酸钙(calcium aluminate/Ferite)矿物(C₃A/C₄AF)和与加入的硫酸根离子的反应。硫酸盐的水化是基本上需要的，用于限制C₃A和C₄AF水化过程中周围钙矾石的形成并防止切断它们与水之间的联系。通过这种方式，降低(延迟)了它们的反应活性，使得更多的硅酸盐相获得早期强度，从而降低了体系的孔隙率。钙盐通过降低水泥浆料中Ca(OH)₂在液相中的浓度加速硅酸钙相获得强度，并防止其从溶液中分离沉降。如果不能提供合适的硫酸盐水化，在硫酸盐耗尽后，由于C₃A和C₄AF正在进行的水化，铝酸盐的浓度将会提高。在硬化浆中的单硫酸盐，当与硫酸根离子结合时，就会转化成钙矾石，进而发生体积膨胀和裂纹。由于半水化合物的溶解性更大，在水化的早期阶段，钙矾石的形成变快，与之相反的是C₃A的形成减缓。在存在硫酸盐的条件下，随着铝酸盐溶解性的降低，释放的热量减缓，这个阶段是硫酸盐耗尽、早期强度形成或定型的阶段。铝酸盐相有利于早期强度并直接影响最终强度。接下来，强度的主要影响因素是硅酸盐相，C₂S将会及时出现，但是C₃S水化速率明显要更高且提供更快的强度形成。尽管该探讨更集中在硅酸钙上，但是其它的相同样重要是已知的。如果继续查证现有技术，就会发现硫酸钙对水泥水化的影响集中在假凝结和快凝讨论中。普遍应用的是在熟料中将3-5％的天然石膏石或自然界中天然硬石膏和石膏石的共存体在它们的粉磨过程的限定阶段加入，通过提供冷却预防措施来保证所需量的脱水水平，其中一定量的半水化物甚至可溶性硬石膏会形成，其被认为可控的计划的一部分。效果的主要衡量标准是变成SO₃的量(含量)，也可以使用被广泛接受的工业化过程。硫酸钙的优化研究是水泥行业的一个主要研究领域，其涉及最近的现有需求中的早期及最终所需强度、流变性、可使用性、成型时间等的设计。在数以千计的水泥厂中，这些都是近似的持续研究。将单独粉磨或共同粉磨得到的硫酸钙原料与熟料一起粉磨是复杂的。我们设计出在粉磨的热环境下形成半水化物和可溶性硬石膏可以提供更易溶的硫酸盐来控制铝酸盐的初始(早期)活性。如果合理设置用来控制冷却水喷雾使其不产生假凝结、早期水泥水化，那么将会带来流变性和流动性的损失，并可能造成强度损失。形成40-50％的半水化物(hemihydrate)和可溶性硬石膏是可被接受的最佳范围。这样做的目的在于获得的硫酸钙含量可调节最佳强度和干燥收缩率(和膨胀率)，否则过量的SO₃会造成过量的膨胀。水泥标准限制了SO₃的最大数量(含量)。尽管主要依赖于SO₃含量，但溶解度参数作为广泛接受的基本要素之一也是同样重要的。半水化物和可溶性硬石膏由于具有较高的溶解度而被使用。溶解度也被认为可以用来衡量反应活性。目前还没有关于活性能力的明确观点。另一方面，也有一些观点认为，尽管半水石膏和可溶性硬石膏的溶解性更好，但是与天然石膏石相比，它们水化活性较低，即后者比半水化物能够更快地提供硫酸根离子。正如上面所提到的，涉及硫酸钙的水化过程也未得到充分的解释。本发明试图通过观察作为重要考量因素的硫酸钙自身行为的途径来解释这些问题。在每一脱水水平，都会产生不同类型的硫酸钙，这些硫酸钙具有不同的活性或行为。这些被简单地称为石膏的矿物，对于每种相都会提供不同的熟料硫酸钙反应(相互作用)，比如湿石膏石、干(含2.0mol水)石膏石、含1.9、1.8、1.7分子水的石膏石。根据现有的解释，将水分子减少至0.5-0.8的定义为半水化物。我们是否应该考虑那些超出该范围表现出不同特性的脱水合物呢？在现有的工业实践中还没有未经脱水的颗粒。尽管我们可以认为熟料可以被冷却到一定程度后再粉磨，但是现有规模的磨机仍然会使热量达到不期望的水平。一些不会产生多余热量的磨机也是可以获得的。基本的因素仍然是确定选择石膏石或硬石膏的哪些相可以用来粉磨。本发明提供用来解决并解释相关问题的说明、新产品及新方法。本发明的水泥在第1天具有高的早期强度，这相当于或高于现有工厂的水泥第2天的强度。甚至无需超细度，同样的细度就可以得到具有非常高的早期强度的(超)水泥。在很多应用中，最终强度也可以达到较高的水平。本发明仅是通过引入硫酸钙就可以实现这些性能。通过这一性能，本发明可以应用于所有现有水泥以及将来会使用硫酸钙的水泥。