[发明专利]天然火山灰的活化及其用途

说明书

一种活化的火山灰组合物，包括初始未活化的天然火山灰与辅助性胶凝材料(SCM)的细互磨颗粒混合物，该辅助性胶凝材料不同于初始未活化的天然火山灰。初始未活化的天然火山灰可以包括含水量为至少3％的火山灰或其他天然火山灰沉积物，且活化的火山灰组合物的含水量可以小于0.5％。初始未活化的天然火山灰在与SCM互磨之前的粒度可以小于1mm。用于使初始未活化的天然火山灰活化的SCM可以是粒度大于1‑3μm的初始粗粒或颗粒，且可以包括粒化高炉矿渣、钢渣、其他冶金炉渣、浮石、石灰石、细骨料、页岩、凝灰岩、火山土、地质材料、废玻璃、玻璃碎片、玄武岩、烧结物、陶瓷、再生砖、再生混凝土、耐火材料、其他废弃工业产品、沙子或天然矿物。

技术领域

本发明一般涉及辅助性胶凝材料、天然火山灰、天然火山灰的活化以及天然火山灰和其他材料的混合物的领域。

背景技术

辅助性胶凝材料(SCMs)，例如煤灰、冶金炉渣、天然火山灰、生物质灰、消费后玻璃和石灰石，可用于替代混凝土中的部分波特兰水泥。SCMs可以生产具有增加的浆体密度、增加的耐久性、更低的水合热量、更低的氯离子渗透性、减小的蠕变、增加的耐化学侵蚀性、更低的成本和减小的环境影响的改进的混凝土。

可以煅烧和/或研磨天然火山灰，例如火山灰、浮石和地球上发现的其他材料，以增加火山灰活性。这两个过程都消耗大量能量。由于火山玻璃的硬度，研磨天然火山灰可能是困难的。由于难以保持稳定的床，例如立式辊磨机和卧式辊压机的研磨设备可能不能研磨天然火山灰。

天然火山灰也可以与波特兰水泥熟料互磨，形成1P型共混水泥。除非研磨成比普通波特兰水泥(OPC)高得多的细度，否则这样的互磨共混水泥的反应性低。虽然可以在单个步骤中进行天然火山灰与水泥熟料的互磨，并且因此与单独加工OPC和天然火山灰然后将它们混合在一起相比，其明显成本更低且效率更高，但互磨混合物的性能通常低于单独加工组分的非互磨混合物。

因此，长期以来一直需要寻找更好和更具成本效益的方法来激活天然火山灰。

发明内容

本文公开了活化的天然火山灰、火山灰混合物、水泥-SCM组合物，以及用于活化天然火山灰、形成火山灰混合物和形成水泥-SCM组合物的方法和系统。可以通过与至少一种矿物材料(例如至少一种粒状矿物材料和/或石灰石)的互磨来活化天然火山灰，例如火山灰、浮石、珍珠岩、其他火山来源的材料以及在地球上发现的其他天然来源的火山灰。

在一些实施方案中，将初始粗粒或粒状材料(例如尺寸为1-3mm或更大，例如2mm或更大)与天然火山灰例如火山灰(例如含有大量尺寸小于1mm、500μm或200μm的颗粒)互磨，否则可能难以在需要添加初始粗粒或粒状材料以形成稳定床的立式辊磨机(VRM)或卧式辊压机(高压磨辊)中研磨所述天然火山灰。例如，可以将含有水分、表面积低、或用作混凝土中的部分水泥替代物时反应性不足的火山灰、凝灰岩、浮石或其它天然火山灰与粒状材料互磨，以形成具有降低的含水量、较细的粒度、较高的表面积和较高的火山灰反应性的活化火山灰或SCM混合物。

作为举例而非限制，粗粒或粒状SCM可以是粒化高炉矿渣(GBFS)、钢渣、其他冶金炉渣、石灰石、细骨料或中骨料、部分研磨的页岩、地质材料、废玻璃、玻璃碎片、玻璃珠、玄武岩、烧结物、陶瓷、再生砖、再生混凝土、瓷料、用过的催化剂颗粒、耐火材料、其他废弃工业产品、沙子、石膏、铝土矿、方解石、白云石、花岗岩、火山岩、火山玻璃、石英、熔融石英、天然矿物。天然火山灰可以是火山灰、火山土、浮石、珍珠岩、其他天然火山灰。天然火山灰最初可具有含水量(例如在互磨前至少为3％)，而互磨的颗粒材料可具有降低的含水量(例如小于0.5％)。

当使用要求存在一定百分比的熟料或颗粒以形成稳定的研磨床的现代磨机(例如用于加工水泥熟料的立式辊磨机、卧式辊压机等)时，使熟料或颗粒与更细的火山灰材料互磨可以是有利的。如果包含水泥熟料，水泥熟料优选为总互磨材料的小于30％、小于25％、小于20％、小于15％、小于10％、小于5％、小于4％、小于3％、小于2％或小于1％。