(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010642257.2
(22)申请日 2020.07.06
(71)申请人 广州大学
地址 510006 广东省广州市大学城外环西
路230号
(72)发明人 马玉玮 杜鹏 罗甜恬 刘卫森
胡捷 傅继阳
(74)专利代理机构 广州嘉权专利商标事务所有
限公司 44205
代理人 胡辉
(51)Int.Cl.
C04B 7/24(2006.01)
C04B 7/21(2006.01)
C04B 7/36(2006.01)
C04B 7/52(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明提供一种低熟料水泥及其制备方法
和应用，所述低熟料水泥包括如下质量份的原
料：高炉矿渣75～85份、石膏10～20份、赤泥1～ 10份、水泥熟料2～5份，所述高炉矿渣中钙、硅和
铝的氧化物之和大于80wt％，所述高炉矿渣中碳
酸钙的含量≤10wt％，比表面积≥350m 2/kg。本
发明以高活性的高炉矿渣作为水泥的主要成分，
掺入石膏、赤泥和少量的水泥熟料，充分利用赤
泥与高炉矿渣的碱活性，通过几种灰体组分的合
理配比，在各组分协同作用下反应生成具有较高
力学性能的低熟料水泥，
降低水泥熟料用量。权利要求书1页 说明书5页CN 111847921 A 2020.10.30
C N 111847921
A
1.一种低熟料水泥，其特征在于：包括如下质量份的原料：
高炉矿渣75～85份
石膏10～20份
赤泥1～10份
水泥熟料2～5份
所述高炉矿渣中钙、硅和铝的氧化物之和大于80wt％，所述高炉矿渣中碳酸钙的含量≤10wt％，比表面积≥350m 2/kg。
2.根据权利要求1所述低熟料水泥，其特征在于：所述赤泥主要成分以质量百分含量计，包括Fe 2O 3 30％～40％，Al 2O 3 20～30％，SiO 2 15～25％，Na 2O 10～20％。
3.根据权利要求2所述低熟料水泥，其特征在于：所述赤泥的比表面积≥350m 2/kg。
4.根据权利要求2所述低熟料水泥，其特征在于：所述赤泥选自拜耳法赤泥。
5.根据权利要求1所述低熟料水泥，其特征在于：所述石膏符合GB/T 5483-2008标准要求。
6.根据权利要求1所述低熟料水泥，其特征在于：所述水泥熟料的28天抗压强度≥42.5MPa。
7.一种权利要求1～6任意一项所述低熟料水泥的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将石膏和水泥熟料混合、研磨，得到第一粉磨干料；
S2：将赤泥粉碎、干燥和研磨后得到第二粉磨干料；
S3：将第一粉磨干料、第二粉磨干料和高炉矿渣混合，得到低熟料水泥。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于：所述第一粉磨干料的比表面积为350～400m 2/kg。
9.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于：所述第二粉磨干料的比表面积≥350m 2/kg。
10.权利要求1～6任意一项所述低熟料水泥在制备混凝土中的应用。
权 利 要 求 书1/1页CN 111847921 A
一种低熟料水泥及其制备方法和应用
技术领域
[0001]本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种低熟料水泥及其制备方法和应用。
背景技术
[0002]20世纪以来，水泥混凝土已成为房屋建筑、桥梁、水利、公路等现代工程结构的首选材料，水泥混凝土作为土木工程行业最大宗的人造材料，其用量巨大。水泥混凝土的胶凝材料以水泥为主要成分，而水泥则由水泥熟料与石膏共磨而得。水泥熟料是一种由石灰石、粘土及其他原料通过高温煅烧
得到的半成品，在制备水泥熟料过程中消耗巨大，成本高昂，且产生严重的污染。因此减少水泥熟料的使用将有利于降低成本并保护环境。
[0003]赤泥是生产氧化铝过程中的固体废弃物，每生产1吨氧化铝的同时会产出0.6～1.8吨赤泥。目前赤泥的普遍处理方法是进行堆存处置，不仅侵占宝贵的土地资源，而且赤泥强碱性、高盐度的特点会造成土壤碱化，污染地下水源，严重影响生活环境，还会危及健康甚至生命。因此亟需开发一种对赤泥进行回收利用的方法。
[0004]有报道将赤泥用于制备水泥，利用冶金固体废弃物钢渣和矿渣为主要原料制备无熟料水泥，加入硬石膏、脱硫石膏、赤泥微粉，制得一种无熟料水泥，但其中赤泥微粉是将拜耳法赤泥在600～750℃条件下煅烧0.5～4h经球磨得到的微粉，其制备过程需要高温煅烧，依然具有极大的能耗。
发明内容
[0005]针对上述现有技术存在的问题，本发明的第一个目的是提供一种低熟料水泥，该低熟料水泥能够直接利用拜耳法练铝过程中产生的、未经煅烧的赤泥，具有与普通硅酸盐水泥相近的力学性能。
[0006]本发明提供的一种低熟料水泥包括如下质量份的原料：
[0007]高炉矿渣75～85份
[0008]石膏10～20份
[0009]赤泥1～10份
[0010]水泥熟料2～5份
[0011]所述高炉矿渣中钙、硅和铝的氧化物之和大于80wt％，所述高炉矿渣中碳酸钙的含量≤10wt％，比表面积≥350m2/kg。
[0012]相对于现有技术，本发明以高活性的高炉矿渣作为水泥的主要成分，掺入石膏、赤泥和少量的水泥熟料，充分利用赤泥与高炉矿渣的碱活性，通过几种灰体组分的合理配比，在各组分协同作用下反应生成具有较高力学性能的低熟料水泥，降低水泥熟料用量。具体地，在水化过程中，首先石膏和水泥熟料在液相环境中溶解生成OH-、Ca2+、SO42-等离子，同时赤泥含有较高碱成分和活性硅铝成分，可以给体系提供更多OH-与活性硅铝。在OH-离子作用下，高炉矿渣表面结构被破坏，使得高炉矿渣中的活性SiO2和活性Al2O3析出，与OH-、Ca2+反应生成水化硅酸钙凝胶和水化铝酸钙凝胶，水化铝酸钙凝胶进一步与石膏的SO42-反应生成
钙矾石。水化硅酸钙凝胶、水化铝酸钙凝胶和钙矾石共同填充到体系孔隙中，从而提高水泥的密实性和强度，在低水泥熟料条件下可以发展出与普通硅酸盐水泥类似的力学性能。水化形成的钙钒石的孔
隙填充能力强，可使后期微观结构更密实，避免硫酸盐或其他有害离子进入体系造成侵蚀，因此本发明的低熟料水泥还具有很好的抗硫酸盐侵蚀能力。[0013]同时，由于本发明的低熟料水泥在水化过程中主要产物为钙钒石，体系内Ca(OH)2的生成量很低，碱含量低，使其不会与骨料发生反应，具有良好的抗碱-骨料反应能力；而且Ca(OH)2含量低也无法与硫酸盐发生反应生成膨胀性凝胶造成结构破坏，进一步提高了抗硫酸盐侵蚀能力。
[0014]优选地，所述低熟料水泥包括如下质量份的原料：
[0015]高炉矿渣80～85份
[0016]石膏15～20份
[0017]赤泥5～7份
[0018]水泥熟料3～5份。
[0019]优选地，所述低熟料水泥包括如下质量份的原料：
[0020]高炉矿渣80份
[0021]石膏15～20份
[0022]赤泥5份
[0023]水泥熟料3～5份。
[0024]所述赤泥主要成分以质量百分含量计，包括Fe2O3 30％～40％，Al2O3 20～30％，SiO2 15～25％，Na2O 10～20％。
[0025]所述赤泥的比表面积≥350m2/kg。
[0026]所述赤泥选自拜耳法赤泥，即采用拜耳法炼铝过程中产生的固体粉末。
[0027]所述石膏为天然石膏，符合GB/T 5483-2008标准要求，石膏中含有的硬石膏含量不大于石膏总质量的50％。
[0028]所述水泥熟料为符合GB/T 21372技术要求的通用P.O 42.5硅酸盐水泥熟料，所述水泥熟料的28天抗压强度≥42.5MPa。当选用其他强度等级的水泥熟料时，低熟料水泥的原料配比可能会有所改变。
[0029]本发明的第二个目的是提供一种低熟料水泥的制备方法，包括如下步骤：[0030]S1：将石膏和水泥熟料混合、研磨，得到第一粉磨干料；
[0031]S2：将赤泥粉碎、干燥和研磨后得到第二粉磨干料；
[0032]S3：将第一粉磨干料、第二粉磨干料和高炉矿渣混合，得到低熟料水泥。
[0033]所述第一粉磨干料的比表面积为350～400m2/kg。所述第二粉磨干料的比表面积≥350m2/kg。所述的通过球磨获得的粉体，其表面积不能太小，表面积太小不利于灰体在液相的水化反应，影响力学性能发展；但表面积太大，则会提高粉体需水量，导致液相溶液不足，干缩较大。
[0034]步骤S2中，所述干燥温度为80～105℃。
[0035]本发明的第三个目的是提供上述低熟料水泥在制备混凝土中的应用。
[0036]相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0037](1)本发明能够有效降低水泥熟料用量，水泥熟料用量低于5％；同时增加了赤泥
用量，有效对赤泥进行回收利用。
[0038](2)赤泥不需经过高温煅烧，有效减少能耗和CO2排放。
[0039](3)本发明的低熟料水泥能够达到普通硅酸盐水泥相当水平的力学性能，满足建筑材料的要求；同时相较普通硅酸盐水泥，本发明的低熟料水泥由于熟料用量较低，使得早期水化温升较低；具有优良的抗碱-骨料反应能力和抗硫酸盐侵蚀性能，适用于大体积混凝土及各类混凝土工程。
具体实施方式
[0040]本发明提供了一种低熟料水泥及其制备方法，所述的水泥组分包括高炉矿渣、石膏、赤泥与水泥熟料，其中所用熟料含量极低(≤5％)，且能有效利用固体废弃物赤泥，所述的低熟料水泥具有与普通硅酸盐水泥相似的力学性能，且原材料成本低廉、制备工艺简单，不需要经过高温煅烧，能量消耗低且低碳排放，固废环保，具有广阔的应用前景。以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0041]实施例1
[0042]一种低熟料水泥，包括以下重量份计的组分：
[0043]高炉矿渣80份，工业石膏15份，赤泥5份，P.O 42.5水泥熟料3份。
[0044]其中，高炉矿渣中CaO含量为49.12％，SiO2含量29.42％，Al2O3含量13.86％，钙、硅和铝的氧化物之和大于80wt％，高炉矿渣中碳酸钙的含量≤10wt％，高炉矿渣为碱性水淬高炉矿渣，陈化时间小于1年(陈化时间过长会降低高炉矿渣活性)。石膏为天然石膏，其中CaO含量为49.12％，SO3含量为42.22％，石膏中含有的硬石膏含量不大于石膏总质量的50％。赤泥为采用拜耳法炼铝过程中产生的工业固体粉末，其主要成分包括Fe2O3 31.14％，Al2O3 23.17％，SiO2 18.41％，Na2O 13.22％。
水泥熟料为符合GB/T 21372技术要求的通用P.O 42.5硅酸盐水泥熟料。以上百分比含量为相应组分占各材料的质量百分比。
[0045]本发明还提供了一种低熟料水泥的制备方法，包括以下步骤：
[0046]S1：将所述石膏与水泥熟料混匀并进行球磨，得到第一粉磨干料；
[0047]S2：将拜耳法赤泥风干粉碎后过筛烘干，进行球磨，得到第二粉磨干料；
[0048]S3：将所述第一粉磨干料、第二粉磨干料与高炉矿渣进行充分混合均匀，得所述低熟料水泥材料。
[0049]所述第一粉磨干料的比表面积为350～400m2/kg；所述的第二粉磨干料的比表面积≥350m2/kg。
[0050]性能测试
[0051]称取一定质量低熟料水泥倒入搅拌机，干粉搅拌至混合均匀，加入水灰比为0.5的水搅拌均匀后，转移至模具进行震动成型，将样品在标准养护箱内(20℃，98％RH)养护7天、28天得制成样品1。
[0052]为了进行对比，采用类似配比但不掺加赤泥进行样品制备，具体如下：
[0053]对比样1：按照高炉矿渣80份，工业石膏15份，P.O 42.5水泥熟料5份，水灰比0.5的用量配比，采用同样方式进行搅拌成型，在标准养护箱内(20℃，98％RH)养护7天、28天得到对比样1。
[0054]对比样2：将P.O 42.5水泥按照水灰比为0.5采用同样方式进行搅拌成型，在标准
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