一种耐高温低热硅酸盐水泥及其制备方法与流程

1.本发明属于建筑材料制备技术领域，具体涉及一种耐高温低热硅酸盐水泥的制备方法。


背景技术：

2.部分重点工程（如铁路隧道工程）建设过程中可能面临高地热环境条件，施工、服役最高温度达80℃-90℃，岩温最高超100℃，常规硅酸盐水泥水化产物中存在较多钙矾石（aft）以及水化硅酸钙（c-s-h），其中，钙矾石（aft）超过60℃时会出现部分水化产物分解，水化硅酸钙（c-s-h）凝胶在高温下会出现结合水减少，因此常规硅酸盐水泥在高温下水化往往会出现后期强度下降、耐久性降低等问题。既有研究虽然可以通过添加粉煤灰、矿粉、硅灰等掺合料缓解，但不能完全消除这种现象。
3.低热硅酸盐水泥凭借低水化热的优点，被大量应用于大型水利工程中，用以解决温度应力带来的结构开裂问题。目前我国已基本掌握低热硅酸盐水泥用于大型水利工程的关键技术，并在乌东德水电站、白鹤滩水电站等国家重点工程中成功应用。此外，低热硅酸盐水泥体系相较于常规硅酸盐水泥，其主要矿物由c3s转变为c2s，同时c4af的含量也更高，通常情况下低热硅酸盐水泥各龄期干燥收缩率比普通硅酸盐水泥低30%-50%，王晶等【王晶,郭随华.高贝利特水泥的高温强度特性研究[j].中国建材科技, 1999(1):6-11.】发现，低热硅酸盐水泥在38℃-70℃的高温下能够实现强度稳定增长。
[0004]
但是在更极端的80℃甚至更高温度的高地热地热环境条件下，现有的低热硅酸盐水泥仍会出现一定程度的性能衰减的风险，如强度下降、脆化等问题。
[0005]
因此亟需设计一种性能更加优异的耐高温低热硅酸盐水泥，来应对更加极端的高温环境。


技术实现要素：

[0006]
针对以上技术问题，本发明提供一种耐高温低热硅酸盐水泥及其制备方法。
[0007]
本发明的技术方案是：一种耐高温低热硅酸盐水泥的制备方法，包含以下步骤：1）制备熟料a，配置生料，将生料在1000℃-1200℃条件下保温30min-60min,制得含有贝利特60.0%-75%，黄长石20%-40%的熟料a；2）制备熟料b，配置生料，同时引入0.5%-3%的晶态二氧化硅和或三氧化二铝，将生料在1400℃-1500℃条件下，保温30min-60min,制得c2s含量≥42%的低热硅酸盐水泥熟料b；3）将熟料a、熟料b与石膏共同粉磨后，再与陶瓷微粉混合均匀，从而制得成品，其中，熟料a:熟料b：石膏：陶瓷微粉的比例为（10-30）：（50-70）：（4-8）：（5-10）。
[0008]
优选的，步骤1）中所述熟料a的贝利特中γ-c2s：（α'-c2s+α-c2s）：β-c2s=0-0.5：4：35-40。
[0009]
优选的，黄长石主要成分为钙铝黄长石，其中固溶有mg或fe。
[0010]
优选的，在步骤2）中制得的熟料b中晶态二氧化硅和或三氧化二铝总量为0.8%-4.5%。
[0011]
提供一种耐高温低热硅酸盐水泥，通过上述任意一项方法制备而成。
[0012]
优选的，该种耐高温低热硅酸盐水泥，用于地热温度超过80℃的环境。
[0013]
本发明的有益效果：采用两种工艺和组成设计制得的熟料a和熟料b。熟料a以贝利特和黄长石为主要组分，其中贝利特60.0%-75%，黄长石20%-40%；熟料b为高含游离二氧化硅和三氧化二铝的低热硅酸盐水泥，其c2s含量≥42%，晶态二氧化硅和或三氧化二铝总量为0.8%-4.5%。相较于以阿利特为主要矿物的常规硅酸盐熟料，本发明所述的两种熟料在高地热环境（80℃，甚至更高）条件下均表现出较好的稳定性能；同时在水泥制成时特别掺入耐高温材料：陶瓷微粉，可以进一步提升低热硅酸盐水泥体系的耐高温性能，从而使得本发明提供的耐高温低热硅酸盐水泥具有更广泛的应用场景，带来巨大的应用价值和经济效益。
具体实施方式
[0014]
下面将结合实例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0015]
一种耐高温低热硅酸盐水泥的制备方法，包含以下步骤：1）制备熟料a，配置生料，将生料在1000℃-1200℃条件下保温30min-60min,制得含有贝利特60.0%-75%，黄长石20%-40%的熟料a；2）制备熟料b，配置生料，同时引入0.5%-3%的晶态二氧化硅和或三氧化二铝，将生料在1400℃-1500℃条件下，保温30min-60min,制得c2s含量≥42%的低热硅酸盐水泥熟料b；3）将熟料a、熟料b与石膏共同粉磨后，再与陶瓷微粉混合均匀，从而制得成品，其中，熟料a:熟料b：石膏：陶瓷微粉的比例为（10-30）：（50-70）：（4-8）：（5-10）。
[0016]
优选的，步骤1）中所述熟料a的贝利特矿物中γ-c2s：（α'-c2s+α-c2s）：β-c2s=0-0.5：4：35-40。
[0017]
优选的，黄长石主要成分为钙铝黄长石(c2as)，其中固溶有mg或fe。
[0018]
优选的，步骤2）中制得的熟料b中晶态二氧化硅和或三氧化二铝总量为0.8%-4.5%。由于水泥生料主要原材料中石灰石含大量的碳酸钙，扣减碳酸钙分解的烧失量后，原有组分比例均相应增加。
[0019]
该耐高温低热硅酸盐水泥，用于地热温度超过80℃的环境。
[0020]
材料的作用机理如下：本发明通过烧成工艺与配料设计，获得一种高含c2s、c2as、游离sio2、游离al2o3的低热硅酸盐水泥，相对于常规的硅酸盐水泥体系，这些矿物在常温条件下水化相对较慢或者不参与水泥水化反应。
[0021]
其中，c2s、c2as、游离sio2、游离al2o3等低反应活性或惰性矿物本身相较于常规水泥水化产物（如csh凝胶、钙矾石、氢氧化钙等）就表现出高温条件下极强的稳定性，不存在易脱水分解的问题；并且，随着温度的升高，低反应活性或惰性矿物矿物加速或逐步参与水
化，这些在高温下生成的水化产物本身就具有一定的耐高温性能。例如，黄长石主要为成分钙铝黄长石(c2as)，其中固溶一些mg或fe，是一种低水化活性矿物，其在高温条件下水化活性得以提升，且水化产物稳定性优异。
[0022]
同时，本发明在水泥制成过程中特别掺入了耐高温材料：陶瓷微粉，可以进一步提升低热硅酸盐水泥体系的耐高温性能。
[0023]
实施例1本实施例中耐高温低热硅酸盐水泥的其制备方法为：1）熟料a按照贝利特60%，黄长石40%设计比例反推配制生料，根据最终产物和工艺条件，选择适当的矿物原料（生料），本领域技术人员通过有限的试验可以获得，具体不再赘述（下同），前述的生料经1100℃保温50min处理得到熟料a；2）熟料b按照c2s含量42%设计比例反推配制生料，同时引入1.5%的晶态二氧化硅，在1400℃保温50min制得低热硅酸盐水泥熟料b；3）将熟料a、熟料b和石膏共同粉磨后，与陶瓷微粉按照配比混合均匀，最终制得耐高温低热硅酸盐水泥成品，其中，熟料a:熟料b：石膏：陶瓷微粉=（15：85：5：8）。
[0024]
实施例2本实施例中耐高温低热硅酸盐水泥的其制备方法为：1）熟料a按照贝利特75%，黄长石20%设计比例反推配制生料，生料经1100℃保温60min处理得到熟料a；2）熟料b按照c2s含量45%设计比例反推配制生料，同时引入2%的晶态三氧化二铝，生料经1450℃保温50min制得低热硅酸盐水泥熟料b；3）将熟料a、熟料b和石膏共同粉磨后，与陶瓷微粉按照配比混合均匀，最终制得耐高温低热硅酸盐水泥成品，其中，熟料a:熟料b：石膏：陶瓷微粉=（20：80：6：5）。
[0025]
实施例3本实施例中耐高温低热硅酸盐水泥的其制备方法为：1）熟料a按照贝利特65%，黄长石30%设计比例反推配制生料，生料经1150℃保温45min处理得到熟料a；2）熟料b按照c2s含量48%设计比例生料配制生料，同时引入1%的晶态二氧化硅和2%的晶态三氧化二铝，生料经1400℃保温60min制得低热硅酸盐水泥熟料b；3）将熟料a、熟料b和石膏共同粉磨后，与陶瓷微粉按照配比混合均匀，最终制得耐高温低热硅酸盐水泥成品，其中，熟料a:熟料b：石膏：陶瓷微粉=（10：90：4：10）。
[0026]
实施例4本实施例中耐高温低热硅酸盐水泥的其制备方法为：1）熟料a按照贝利特70%，黄长石25%设计比例反推配制生料，生料经1200℃保温30min处理得到熟料a；2）熟料b按照c2s含量50%设计比例配制生料，同时引入0.8%的晶态二氧化硅和1.5%的晶态三氧化二铝，生料经1500℃保温30min制得低热硅酸盐水泥熟料b；3）将熟料a、熟料b和石膏共同粉磨后，与陶瓷微粉按照配比混合均匀，最终制得耐高温低热硅酸盐水泥成品，其中，熟料a:熟料b：石膏：陶瓷微粉=（30：70：8：6）。
[0027]
表1 实施例及对比样品试验结果
通过对比表格可以看出，使用本发明的方法制备的低热硅酸盐水泥在抗压强度、抗折强度和耐高温性能方面都表现出优越的性能，同时具有较低的水化热量，适用于高温环境下的各种工程和应用。因此，本发明提供的方法能够有效提高低热硅酸盐水泥的耐高温性能，具有重要的应用价值和经济效益。
[0028]
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

技术特征：
1.一种耐高温低热硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：1）制备熟料a，配置生料，将生料在1000℃-1200℃条件下保温30min-60min,制得含有贝利特60.0%-75%，黄长石20%-40%的熟料a；2）制备熟料b，配置生料，同时引入0.5%-3%的晶态二氧化硅和或三氧化二铝，将生料在1400℃-1500℃条件下，保温30min-60min,制得c2s含量≥42%的低热硅酸盐水泥熟料b；3）将熟料a、熟料b与石膏共同粉磨后，再与陶瓷微粉混合均匀，从而制得成品，其中，熟料a:熟料b：石膏：陶瓷微粉的比例为（10-30）：（50-70）：（4-8）：（5-10）。2.根据权利要求1所述的一种耐高温低热硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，步骤1）中所述熟料a的贝利特中γ-c2s：（α'-c2s+α-c2s）：β-c2s=0-0.5：4：35-40。3.根据权利要求1所述的一种耐高温低热硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，黄长石主要成分为钙铝黄长石，其中固溶有mg或fe。4.根据权利要求1所述的一种耐高温低热硅酸盐水泥的制备方法，其特征在于，在步骤2）中制得的熟料b中晶态二氧化硅和或三氧化二铝总量为0.8%-4.5%。5.一种耐高温低热硅酸盐水泥，其特征在于，通过权利要求1至4任意一项所述的方法制备而成。6.根据权利要求5所述的一种耐高温低热硅酸盐水泥，其特征在于，其用于地热温度超过80℃的环境。

技术总结
一种耐高温低热硅酸盐水泥及其制备方法，包含以下步骤：制备熟料A，配置生料，将生料在1000℃-1200℃条件下保温30min-60min,制得含有贝利特60.0%-75%，黄长石20%-40%的熟料A；2）制备熟料B，配置生料，同时引入0.5%-3%的晶态二氧化硅和或三氧化二铝，将生料在1400℃-1500℃条件下，保温30min-60min,制得C2S含量≥42%的低热硅酸盐水泥熟料B；3）将熟料A、熟料B与石膏共同粉磨后，再与陶瓷微粉混合均匀，从而制得成品，其中，熟料A:熟料B：石膏：陶瓷微粉的比例为（10-30）：（50-70）：（4-8）：（5-10）。本发明提供的耐高温低热硅酸盐水泥可在80℃甚至更高的环境下保持强度，具有广泛的应用场景，带来巨大的应用价值和经济效益。带来巨大的应用价值和经济效益。


技术研发人员：黄文 郅晓 王敏 文寨军 余杨 姚广 沈鑫 唐官保 高显束 张坤悦 郭随华 刘云 王显斌 王晶 包婷婷 孙明明 刘奥 李依芮
受保护的技术使用者：中国建材集团有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/19