一种梯度自激发型低碳水泥及其制备方法与流程

本发明属于水泥制备，尤其涉及一种梯度自激发型低碳水泥及其制备方法。

背景技术：

1、水泥生产过程中，煤炭等化石燃料的燃烧以及石灰石原料的分解会排放大量二氧化碳气体。利用混合材部分替代水泥熟料、降低水泥中熟料使用比例是现阶段降低水泥行业碳排放最有效的技术手段之一，同时低熟料、低碳水泥的制备与应用还可实现工业废渣的大批量、资源化利用，具有巨大的经济社会效益。

2、但由于低熟料、低碳水泥中各原料组分的易磨性、反应活性具有较大差异，使其在制备与应用中仍存在如下问题：

3、(1)目前水泥制备仍采用将熟料、石膏及混合材共同粉磨的方式得到，其中高活性混合材和熟料易磨性差，低活性混合材和石膏易磨性好，导致共同粉磨时高活性混合材和熟料难以被磨细，反应活性无法得到充分发挥；低活性混合材和石膏被磨的过细，造成水泥需水量高、性能不佳。这一效应在高混合材掺量的低碳水泥中被进一步放大，导致低碳水泥中各原料组分的颗粒粒级和胶凝活性未能得到合理匹配，造成熟料和高活性混合材的胶凝活性受到限制。

4、(2)水泥中混合材火山灰活性的激发依赖于水泥熟料水化形成的强碱性环境，而低碳水泥中熟料用量的大幅降低导致水泥早期水化形成的碱度不足，难以充分激发混合材活性，火山灰反应受到抑制，造成低碳水泥早龄期强度过低，中、长龄期强度发展缓慢，全生命服役周期的力学性能无法得到保证，严重制约了低碳水泥的工程应用。

5、因此，亟需开发一种低熟料的低碳水泥及其制备方法，通过不同原材料之间颗粒粒级和胶凝活性的匹配优化，充分发挥熟料和混合材的反应活性，大幅提升低碳水泥的早期强度，促进低碳水泥早、中及长龄期强度发展，对于拓展低碳水泥应用市场、降低水泥工业碳排放均具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明为解决现有低碳水泥制备过程中存在的原材料反应活性发挥受限、强度发展缓慢的问题，提供了一种梯度自激发型低碳水泥及其制备方法，本发明基于分级分别粉磨技术对水泥原材料进行颗粒粒级调控和胶凝活性匹配优化设计，最大程度发挥水泥各组分在不同龄期的胶凝活性和协同活化反应能力，实现了由早龄期至长龄期的梯度自激发效应，确保低碳水泥全生命服役周期的力学性能。

2、本发明是这样实现的，一种梯度自激发型低碳水泥，包括如下重量份的原料：早龄期自激发胶凝材料15～20份；中龄期自激发胶凝材料45～50份；长龄期自激发胶凝材料20～25份；流变活性材料10～15份。

3、在上述技术方案中，优选的，所述早龄期自激发胶凝材料包含硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和颗粒改性剂，硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣的质量比为1:3～1:5，颗粒改性剂掺量为早龄期自激发胶凝材料中硅酸盐水泥熟料质量的2～5％，早龄期自激发胶凝材料的颗粒粒度区间为0.1～10μm、颗粒比表面积为1150～1250m2/kg、均匀性系数＞1.1。

4、在上述技术方案中，进一步优选的，所述颗粒改性剂为工业级二乙醇单异丙醇胺或二异丙基乙胺，有效成分含量≥85％。

5、在上述技术方案中，优选的，所述中龄期自激发胶凝材料包含硅酸盐水泥熟料和石膏，硅酸盐水泥熟料和石膏的质量比为93～97：3～7，中龄期自激发胶凝材料的颗粒比表面积为380～400m2/kg、均匀性系数＞1.1、r45μm筛余＜5％。

6、在上述技术方案中，优选的，所述长龄期自激发胶凝材料为粉煤灰、钢渣、炉渣、磷渣、锂渣、电石渣、城市生活垃圾焚烧底灰中的一种，长龄期自激发胶凝材料的颗粒比表面积为480～550m2/kg、均匀性系数＞1.1、r45μm筛余＜2％。

7、在上述技术方案中，优选的，所述流变活性材料为石英砂或石灰石，流变活性材料的颗粒比表面积为240～300m2/kg、均匀性系数＞0.9、r45μm筛余＜40％。

8、在上述技术方案中，优选的，所述早龄期自激发胶凝材料的3d活性指数≥100％；所述长龄期自激发胶凝材料的28d活性指数为65％～80％；所述流变活性材料无活性要求。

9、本发明提供上述梯度自激发型低碳水泥的制备方法，包括以下步骤：

10、步骤一：将早龄期自激发胶凝材料中各原材料按限定比例混合均化、共同粉磨并分级分选至目标颗粒粒度；

11、将中龄期自激发胶凝材料中各原材料按限定比例混合均化并共同粉磨至目标颗粒粒度；

12、将长龄期自激发胶凝材料单独粉磨至目标颗粒粒度；

13、将流变活性材料单独粉磨至目标颗粒粒度；

14、步骤二：将早龄期自激发胶凝材料、中龄期自激发胶凝材料、长龄期自激发胶凝材料和流变活性材料按既定比例混合均化，制备得到梯度自激发型低碳水泥。

15、本发明提出了一种全新的低碳水泥设计及制备理念，即通过颗粒粒级和胶凝活性调控，分级制备早、中、长龄期自激发胶凝材料，并通过匹配优化设计，构建梯度自激发型低碳水泥体系。这种低碳水泥在其水化历程中，首先依靠早龄期自激发胶凝材料的剧烈水化反应为低碳水泥快速形成早期强度，弥补低碳水泥由于熟料用量低所带来的早期强度发展缓慢问题。同时会释放大量硅/铝四面体单元，提高孔隙溶液早期离子活度和过饱和度，促进水化产物成核及生长，激发中龄期自激发胶凝材料的水化反应，加速低碳水泥中期强度发展。此过程持续进行进一步提高水化后期孔隙溶液碱度，促进长龄期自激发胶凝材料惰性硅铝酸盐四面体解聚，协同激发长龄期自激发胶凝材料反应，强化低碳水泥基体，实现低碳水泥长期强度稳定增长，提高了水泥基材料的耐久性。

16、与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

17、(1)本发明所制备的梯度自激发型低碳水泥相比传统方式生产的普通硅酸盐水泥，熟料用量可降低30～45％，综合碳排放降低220～250kg/t，经济与环境效益显著。

18、(2)本发明所制备的梯度自激发型低碳水泥可在大幅降低熟料用量和综合碳排放的基础上，其3d抗压强度达到23.8～25.1mpa，7d抗压强度达到34.9～38.3mpa，28d抗压强度达到48.4～52.1mpa，90d抗压强度达到55.9～60.4mpa，兼具早期及中期强度发展迅速、长期强度发展稳定的力学性能优点，解决了低熟料水泥早期强度发展缓慢的关键问题。

19、(3)本发明所制备的梯度自激发型低碳水泥引入流变活性材料拓宽了低碳水泥颗粒粒度分布，优化了颗粒级配，水泥标准稠度用水量相比普通硅酸盐水泥降低0.5％～2.0％，相比共同粉磨制备的低熟料水泥降低4.0％～5.5％，水泥工作性得到显著改善。

技术特征：

1.一种梯度自激发型低碳水泥，其特征在于：包括如下重量份的原料：早龄期自激发胶凝材料15～20份；中龄期自激发胶凝材料45～50份；长龄期自激发胶凝材料20～25份；流变活性材料10～15份。

2.根据权利要求1所述的梯度自激发型低碳水泥，其特征在于：所述早龄期自激发胶凝材料包含硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和颗粒改性剂，硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣的质量比为1:3～1:5，颗粒改性剂掺量为早龄期自激发胶凝材料中硅酸盐水泥熟料质量的2～5％，早龄期自激发胶凝材料的颗粒粒度区间为0.1～10μm、颗粒比表面积为1150～1250m2/kg、均匀性系数＞1.1。

3.根据权利要求2所述的梯度自激发型低碳水泥，其特征在于：所述颗粒改性剂为工业级二乙醇单异丙醇胺或二异丙基乙胺，有效成分含量≥85％。

4.根据权利要求1所述的梯度自激发型低碳水泥，其特征在于：所述中龄期自激发胶凝材料包含硅酸盐水泥熟料和石膏，硅酸盐水泥熟料和石膏的质量比为93～97：3～7，中龄期自激发胶凝材料的颗粒比表面积为380～400m2/kg、均匀性系数＞1.1、r45μm筛余＜5％。

5.根据权利要求1所述的梯度自激发型低碳水泥，其特征在于：所述长龄期自激发胶凝材料为粉煤灰、钢渣、炉渣、磷渣、锂渣、电石渣、城市生活垃圾焚烧底灰中的一种，长龄期自激发胶凝材料的颗粒比表面积为480～550m2/kg、均匀性系数＞1.1、r45μm筛余＜2％。

6.根据权利要求1所述的梯度自激发型低碳水泥，其特征在于：所述流变活性材料为石英砂或石灰石，流变活性材料的颗粒比表面积为240～300m2/kg、均匀性系数＞0.9、r45μm筛余＜40％。

7.根据权利要求1所述的梯度自激发型低碳水泥，其特征在于：所述早龄期自激发胶凝材料的3d活性指数≥100％；所述长龄期自激发胶凝材料的28d活性指数为65％～80％；所述流变活性材料无活性要求。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的梯度自激发型低碳水泥的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种梯度自激发型低碳水泥及其制备方法，包括如下重量份原料：早龄期自激发胶凝材料15～20份，颗粒粒度0.1～10μm、比表面积1150～1250m2/kg、均匀性系数＞1.1；中龄期自激发胶凝材料45～50份，颗粒比表面积380～400m2/kg、均匀性系数＞1.1、R45μm筛余＜5％；长龄期自激发胶凝材料20～25份，颗粒比表面积480～550m2/kg、均匀性系数＞1.1、R45μm筛余＜2％；流变活性材料10～15份，颗粒比表面积240～300m2/kg、均匀性系数＞0.9、R45μm筛余＜40％。本发明实现了由早龄期至长龄期梯度自激发效应，确保低碳水泥全生命服役周期力学性能。技术研发人员：刘明昊,杜鑫,聂文海,姚丕强,黄雄,赵迪受保护的技术使用者：天津水泥工业设计研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/19