專利名稱：一種低能耗、低排放水泥及其制備方法與應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于化工領域中的水泥產(chǎn)品，特別是涉及一種低能源與資源消耗、低二氧化碳排放的水泥及其制備方法與應用。
背景技術：
自1擬4年，波特蘭水泥發(fā)明以來，水泥一直是最大宗的人造建筑材料，且仍將是未來100-200年的主要建筑材料，為人類社會進步和經(jīng)濟發(fā)展做出了重要貢獻。然而，水泥生產(chǎn)過程中的資源與能源消耗及溫室氣體排放又直接影響著人類的生存與發(fā)展。我國水泥產(chǎn)量連續(xù)數(shù)年位居世界首位，2010年水泥產(chǎn)量達18. 68億噸，占世界總水泥產(chǎn)量的一半，因此實現(xiàn)水泥行業(yè)的低能源、低資源消耗及低碳發(fā)展迫在眉睫又意義重大。通常普通波特蘭水泥，氧化鈣含量約為66%，其熟料中占50-70%的阿利特礦物 (Alite,即硅酸三鈣，3Ca0 · SiO2)的形成溫度約1450°C，該礦物含氧化鈣達73. 7%。在不考慮其它熱損失的前提下，熟料的燒成熱耗主要來自兩個方面一是熟料礦物(主要是阿利特礦物)的高溫形成；二是生料中石灰石的分解。據(jù)估算，CaCO3分解耗能占熟料理論熱耗的46%左右。顯然，通用硅酸鹽水泥熟料燒成的高能耗的根本原因在于其高鈣礦物組成設計。早在1980 年，Mehta 教授在“World Cement Technology"的第 11 卷，第 4 期的第 166-177頁中提出開發(fā)新型節(jié)能低排放水泥的關鍵在于在同等性能水平的基礎上，采用低能耗低溫室氣體排放組分替代高能耗高排放組分。綜合目前國內(nèi)外對于節(jié)能減排水泥的研究現(xiàn)狀，高貝利特水泥、硫鋁酸鹽水泥和貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥為三種主要的節(jié)能水泥品種。中國建筑材料科學研究總院在“九五”期間開發(fā)了這種低鈣高性能硅酸鹽水泥-高貝利特水泥，并于1998年公開的專利號為CN1193613A的專利“一種高貝利特水泥熟料及其制備工藝”，熟料體系為C2S(貝利特)-C3S(阿利特)-C3A(鋁酸三鈣)-C4AF(鐵鋁酸四鈣)，各礦物的重量百分比為 C2S =40-70%, C3S =10-40%, C3A 2-8%, C4AF 10-25%，熟料燒成范圍在1300-1400°C，其水泥具有低水化熱、高流動性、高耐久性和高后期強度等優(yōu)點。 貝利特礦物(C2S)所含CaO的量為65.1%，低于阿利特中73.7%的CaO含量，此外，貝利特礦物在1250°C以上形成速度很快，低于阿利特1450°C的形成溫度，且該礦物具有優(yōu)異的后期強度性能，因此，形成貝利特無論是從其組成中的含鈣量分析，還是從制備所需的能量分析均比阿利特少。與通用硅酸鹽水泥熟料制備相比，煅燒以貝利特為主導礦物的高貝利特水泥熟料可降低燒成溫度100-150°C，并顯著降低燒成煤耗，CO2^SO2以及NOx的排放也相應減少。高貝利特水泥觀天強度與普通硅酸鹽水泥強度相當，但是由于C2S的水化速度較慢， 高貝利特水泥的早期強度(3天、7天)偏低，使其應用范圍受到限制。硫鋁酸鹽水泥作為第三系列水泥，于20世紀70年代由中國建筑材料科學研究總院發(fā)明。1999年12月中國建筑材料科學研究總院編寫，由北京工業(yè)大學出版社出版的論著 “硫鋁酸鹽水泥”中論述了普通硫鋁酸鹽水泥熟料體系主要礦物組成為C2S :8-37%,C4A3S 55-75%, C4AF :3-10%，熟料的燒成溫度為1350士50°C，其水泥具有早強、高強、抗凍、抗?jié)B、 耐侵蝕和低堿度等優(yōu)良特性，同時由于其主要礦物之一的C4A3^中CaO含量低(36. 8% ) 和形成溫度低(1300°C)，而與C2S—樣具有低能耗和低CO2排放的特點。但是，由于其鋁礬土的原料來源和生產(chǎn)成本較高、后期強度不高，凝結時間不易調(diào)節(jié)以及膨脹不穩(wěn)定等因素， 使其應用范圍受到限制。2006年公開的專利號為CN1887766A的專利“貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥”，熟料礦物體系為=C2S-CBAg-C3S-C3A-C4AF,各礦物的重量百分比為C2S =30-70%,CBAS :5-45%, C3S :10-45%,C3A :2-20%,C4AF :2-20%，所得熟料燒成溫度為1320_1360°C。與高貝利特水泥相比，該水泥體系中引入了CBA§礦物，提高早期強度，改善后期強度，但由于該水泥熟料礦物組分中仍然存在C3S,其需要消耗大量高鈣原料且需要在較高溫度下形成，從而熟料燒成的能耗相對較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在高貝利特水泥的基礎上調(diào)整熟料礦物體系，優(yōu)化礦物組成匹配，提供一種高早期強度，后期強度達到普通硅酸鹽水泥的性能水平的低能源與資源消耗、 低CO2排放的水泥(簡稱低能耗、低排放水泥)及其制備方法。本發(fā)明采取如下技術方案一種低能耗、低排放水泥，其熟料中主要礦物的重量份數(shù)比為C2S 35-65份， C4Aj 20-50份和C4AF 5_15份，對應的生料組成的重量份數(shù)比為CaO 30-60份，Si025-35 份，Al2035-35 份，SO31-6 份，F(xiàn)e2O3I-IO 份。經(jīng)優(yōu)化匹配后所述水泥熟料主要礦物的重量份數(shù)優(yōu)選范圍為C2S 46-56份， C4A3S 32-42份和C4AF 5-9份，對應的生料組成的重量份數(shù)優(yōu)選范圍為CaO 45-53份， Si0215-21 份，Al20315-24 份，S0s3. 5-5 份，F(xiàn)e2O3I- 3-3. 0 份。本發(fā)明還提供了一種上述低能耗、低排放水泥的制備方法。本發(fā)明所提供的制備方法，可包括以下步驟1)按下述重量份數(shù)比稱取原料石灰石40-65份、礬土 10-30份、石膏4_25份、粘土 5-30份(或砂巖4- 份)；2)生料預制原料經(jīng)烘干(105°C )、混合、粉磨、過篩后得到細度為80 μ m方孔篩篩余為5-8% (重量百分比)的生料；3)煅燒將步驟幻獲得的水泥生料在1280°c -1300°c恒溫煅燒45-70min，得到水泥熟料；4)向步驟3)獲得的水泥熟料中加入10-15%，優(yōu)選12. 5% (占水泥的重量百分含量)的石膏，制得水泥產(chǎn)品。在上述水泥的制備方法中，步驟2~)中原料的混合方法優(yōu)選為先人工預混15min， 再置于混合桶中混合1小時；粉磨的設備可采用球磨機；細度可采用水篩法測試。所述步驟幻中將水泥生料在1280°C -1300°C高溫煅燒前還包括對其進行恒溫預燒的步驟，方法為將生料放入溫度為850-950°C的馬弗爐內(nèi)恒溫預燒45-70min。所述步驟4)摻入石膏后混合磨細，控制比表面積在400 士 20m2/kg范圍內(nèi)。
水泥的制備方法中，所述步驟3)中煅燒溫度1280°C -1300°C含義為彡1280°C至彡1300°C。但該煅燒溫度也可為彡12801至< 1300°C，優(yōu)選彡12901至< 1300°C，特別優(yōu)選 U90°C。本發(fā)明水泥的制備方法中，主要原料為石灰石、礬土、粘土(或砂巖)和硬石膏，其生料經(jīng)1280-1300°C恒溫煅燒得到水泥熟料，經(jīng)XRD測試分析得出主要礦物為C2S，C4A^和 C4AF。熟料中摻入10-15%，優(yōu)選12. 5% (占水泥的重量百分比)的石膏，制得水泥產(chǎn)品。 游離氧化鈣含量小于0.2%。本發(fā)明通過調(diào)整熟料礦物體系以優(yōu)化礦物組成匹配。基于無水硫鋁酸鈣礦物 (C4Aj)組成中CaO含量低(36.8%)和形成溫度低(1300°C )，具備節(jié)能減排的優(yōu)勢等特
點，同時有利于提高早期強度，本發(fā)明利用(4八3互替代高鈣含量的C3S,與C2S進行復合， C4A j貢獻早強發(fā)展，貝利特保證后期強度發(fā)展，所設計熟料礦物體系C2S-C4Aj-C4AF,優(yōu)化礦物組成匹配，以開發(fā)出性能優(yōu)異的水泥。由于該熟料體系礦物均可在1280-1300°C生成 (優(yōu)選低于1300°C溫度)，生料煅燒溫度比普通硅酸鹽水泥降低150-200°C，與貝利特-硫鋁酸鋇鈣相比降低40-80°C，且同時由于礦物體系中不包含高鈣含量且形成溫度高的C3S, 本發(fā)明水泥熟料體系在降低能源，減少(X)2排放方面具有巨大的潛力。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)節(jié)約能源，原料中石灰石的用量較普通硅酸鹽水泥低 10-15% (重量百分比)，則降低了熟料燒成的整體熱耗(CaCO3分解熱耗占熟料理論熱耗的 46%左右重量百分比)。同時，熟料燒成溫度較普通硅酸鹽水泥低100-150°C，可節(jié)約熟料高溫燒成煤耗；(2)減少(X)2排放，熟料生產(chǎn)所排放(X)2通常來自原料和燃料，因此石灰石用量的減少和煤耗的降低，都直接減少了熟料生產(chǎn)中的CO2排放。因此本發(fā)明水泥具有低資源與能源消耗、低排放的巨大潛能；C3)水泥的早期強度以及后期強度都優(yōu)于同等級普通硅酸鹽水泥的強度發(fā)展規(guī)律，保證了水泥混凝土后期強度的穩(wěn)定性與可靠性。綜上所述，本發(fā)明的水泥產(chǎn)品將在建筑領域中發(fā)揮巨大作用，應用前景廣闊。下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。


圖1為不同溫度燒成熟料的XRD分析圖譜圖2為不同C4Aj含量的試樣XRD分析圖譜圖3為不同C4AF含量的試樣XRD分析圖譜圖4為最優(yōu)配比熟料的XRD分析圖譜
具體實施例方式本發(fā)明所提供的低能耗、低排放水泥，其熟料中包含的主要礦物為(#，C4Aj和 C4AF0通過優(yōu)化熟料中的C2S，C4A3^i C4AF礦物組成，達到最優(yōu)匹配，獲得性能優(yōu)異的水泥。熟料礦物組成優(yōu)化方法將C2S與(> j復合，發(fā)揮熟料中C2S對水泥后期強度發(fā)展的貢獻和C4A^對早期強度發(fā)展貢獻的綜合優(yōu)勢，優(yōu)化C2S、C4Aj和C4AF礦物組成匹配， 通過XRD測試手段和強度性能分析，研究出本發(fā)明水泥早期強度和后期強度達到最佳時的礦物最優(yōu)匹配范圍。
具體來講，所述低能耗、低排放水泥熟料中主要礦物的重量份數(shù)比為C2S 35-65 份，C4Aj 20-50份和C4AF 5_15份，對應的生料組成的重量份數(shù)比為CaO 30-60份，SiO2 5-35 份，Al2035-35 份，SO31-6 份，F(xiàn)e2O3I-IO 份。經(jīng)優(yōu)化匹配后所述水泥熟料主要礦物的重量份數(shù)優(yōu)選范圍為C2S 46-56份， C4A3S 32-42份和C4AF 5-9份，對應的生料組成的重量份數(shù)優(yōu)選范圍為CaO 45-53份， Si0215-21 份，Al20315-24 份，S0s3. 5-5 份，F(xiàn)e2O3I- 3-3. 0 份。本發(fā)明低能耗、低排放水泥可按以下步驟進行制備1)按生料配比計算并稱取原料石灰石40-65份、礬土 10_30份、石膏4_25份、粘土 5-30份(或砂巖4- 份)；2)生料預制原料經(jīng)烘干(105°C )、混合、粉磨、過篩后得到細度為80 μ m方孔篩篩余為5-8% (重量百分比)的生料；3)煅燒將步驟幻獲得的水泥生料在1280°C _1300°C恒溫煅燒45-70min，得到水泥熟料；4)向步驟3)獲得的水泥熟料中加入10-15%，優(yōu)選12. 5% (占水泥的重量百分含量)的石膏，制得水泥產(chǎn)品。其中，所述步驟2~)中原料的混合方法優(yōu)選為先人工預混15min，再置于混合桶中混合1小時；粉磨的設備可采用球磨機；細度可采用水篩法測試。所述步驟幻中將水泥生料在1280°C -1300°C高溫煅燒前還包括對其進行恒溫預燒的步驟，方法為放入溫度為850-950°C的馬弗爐內(nèi)恒溫預燒45-70min。所述步驟4)摻入石膏后混合磨細，控制比表面積在400 士 20m2/kg范圍內(nèi)。實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1、低能耗、低排放水泥生料的制備制備本發(fā)明水泥產(chǎn)品所用的原材料包括石灰石、礬土、石膏和粘土(或砂巖)，均由唐山北極熊建材有限公司提供。1、原材料的選擇將以上原料分別進行預處理，包括烘干(105°C )、經(jīng)破碎機破碎、球磨機粉磨和均混，取樣進行化學成分全分析，結果如表1所示表1原料的化學組成(重量百分比)
權利要求
1.一種低能耗、低排放水泥，包括水泥熟料，該熟料中主要礦物的重量份數(shù)比為=C2S 35-65份，C4A3S 20-50份和C4AF 5-15份，對應的生料組成的重量份數(shù)比為CaO 30-60份， Si025-35 份，Al2035-35 份，SO31-6 份，F(xiàn)e2O3I-IO 份。
2.根據(jù)權利要求1所述的水泥，其特征在于所述水泥熟料主要礦物的重量份數(shù)優(yōu)選范圍為C2S 46-56份，C4A^ 32-42份和C4AF 5_9份，對應的生料組成的重量份數(shù)優(yōu)選范圍為CaO 45-53 份，Si0215_21 份，Al20315_24 份，S0s3. 5-5 份，F(xiàn)e2O3L 3-3. 0 份。
3.根據(jù)權利要求2所述的水泥，其特征在于所述水泥熟料主要礦物的重量份數(shù)優(yōu)選為C2S 48份，C4A3§ 42份和C4AF 5份，對應的生料組成的重量份數(shù)為Ca048. 4 %， Si0216. 6%, Al20321. 9%, S036. 6%, Fe2O3L 6%0
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的水泥，其特征在于還包括10-15%，優(yōu)選12.5% (占水泥重量的百分含量)的硬石膏，得到水泥產(chǎn)品。
5.一種低能耗、低排放水泥的制備方法，其熟料制備包括以下步驟1)按權利要求1或2或3所述配比計算原料用量并分別稱取，所述原料為石灰石、礬土、石膏和粘土或砂巖；2)生料預制將原料經(jīng)混合、粉磨、過篩后得到細度為80μ m篩篩余5-8% (重量百分比)的水泥生料；3)煅燒將步驟2、獲得的水泥生料在1280°C-1300°C煅燒45-70min，得到水泥熟料。
6.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述步驟2)中原料的混合方法為 先人工預混15min，再置于混合桶中混合1小時；粉磨的設備可采用球磨機；可采用水篩法測其細度。
7.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于所述步驟幻中將水泥生料在 12800C -1300°C高溫煅燒前還包括對其在850-950°C恒溫預燒45-70min的過程。
8.根據(jù)權利要求5所述的制備方法，其特征在于還包括步驟4)向步驟幻獲得的水泥熟料中加入10-15%，優(yōu)選12. 5% (占水泥的重量百分含量)的硬石膏，得到水泥產(chǎn)品。
9.根據(jù)權利要求7所述的制備方法，其特征在于所述步驟4)摻入石膏后混合磨細， 控制比表面積在400 士 20m2/kg范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權利要求5至9任一所述的制備方法，其特征在于所述步驟幻中煅燒溫度為彡1280°〇至< 1300°C，優(yōu)選彡1290°〇至< 1300°C，特別優(yōu)選1290°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低能耗、低排放水泥及其制備方法與應用。該水泥熟料中主要礦物的重量份數(shù)比為C2S 35-65份，20-50份和C4AF 5-15份，對應的生料組成的重量份數(shù)比為CaO 30-60份，SiO25-35份，Al2O35-35份，SO31-6份，F(xiàn)e2O31-10份。該水泥熟料為通過結合貝利特礦物的低鈣含量、低溫燒成和較高后期強度和無水硫鋁酸鈣的低溫燒成、較高早強等優(yōu)勢，采用石灰石、礬土、粘土或砂巖和石膏為原料在1280℃-1300℃煅燒45-70min而成的產(chǎn)品。本發(fā)明的水泥產(chǎn)品具有性能優(yōu)異、低能源與資源消耗和低二氧化碳排放的優(yōu)點，將在建筑領域中發(fā)揮巨大作用，應用前景廣闊。
文檔編號C04B7/345GK102249576SQ20111012121
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權日2011年5月11日
發(fā)明者周春英, 李娟 , 王彬, 隋同波 申請人:中國建筑材料科學研究總院