一种低碳胶凝材料的制作方法

1.本发明涉及水泥领域，具体涉及一种低碳胶凝材料。


背景技术：

2.气候变暖是全人类需要共同面临的重大生存问题，碳排量关系到全人类的福祉。
3.水泥混凝土作为传统水泥碳排放量巨大，占总碳排放量14%，水泥在生产过程中，高温煅烧石灰石会向环境中排放大量二氧化碳。现有存在低碳水泥相关专利从改性水泥烧成制度，采用固体废弃物等方法降低水泥烧成温度，也有采用碱激发水泥体系，但与现有硅酸盐水泥体系相容性不好。
4.国家知识产权局公开的申请号为202210135077.4，名称为“低碳水泥及制备方法”的专利，披露了一种采用硅酸盐水泥、石灰石粉、明矾石及沸石的低碳水泥制备方法。
5.然而，实际应用中，降低碳排放有限。
6.基于上述背景，需要一种替代水泥、并且与硅酸盐水泥体系相容性良好的物质来减少水泥行业碳排量问题，同时对现有水泥体系相容性良好，保证能成熟应用的低碳水泥。


技术实现要素：

7.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
8.本发明的技术方案为：一种低碳胶凝材料，所述胶凝材料按质量百分比计包括：硅酸盐水泥熟料30%~40%石灰石粉10%-15%未煅烧明矾石20%~25%沸石粉15%~20%硬石膏5%~15%流态改善材料1%~3%。
9.所述硅酸盐水泥熟料的比表面积为450
±
20m2/kg，以质量百分比计包括：硅酸三钙：60%~70%硅酸二钙：10%~15%铝酸三钙：10.0%~15%铁铝酸四钙：5.0%~10%游离氧化钙：≤1%。
10.所述石灰石粉中的碳酸钙含量≥95%，细度为0.08mm。
11.所述未煅烧明矾石中的硫酸铝钾含量≥45%，或硫酸铝钠含量≥45%；所述未煅烧明矾石的细度为0.08mm，孔筛余＜1%。
12.所述未煅烧明矾石为未经超过700℃煅烧。
13.所述硬石膏中的硫酸钙质量百分含量≥95%，比表面积≥500 m2/kg。
14.所述流态改善材料按质量百分比计包括：
减水剂70%~75%引气剂10%~15%消泡剂10%~15%。
15.所述减水剂为粉状聚羧酸系减水剂，减水率≥40%，28d收缩率比≤60%，1d抗压强度比≥200%。
16.所述引气剂的主要成分为粉体三萜皂苷。
17.所述消泡剂的主要成分为聚醚。
18.本发明在工作中，减少了硅酸盐水泥熟料用量，有利于降碳。同时，明矾石为未煅烧，这样，在配制过程中减少化石能源的使用，有效减碳。采用硬石膏，显著改善了未煅烧明矾石的活性，有效提高了未煅烧明矾石的反应速率。利用流态改善材料，在降低水泥用量、提高替代性胶凝材料的条件下，改善了低碳胶凝材料体系的流变性能及力学性能，使得各组分之间具有更良好的相容性。
具体实施方式
19.本发明提供了一种低碳胶凝材料，所述胶凝材料按质量百分比计包括：硅酸盐水泥熟料30%~40%石灰石粉10%-15%未煅烧明矾石20%~25%沸石粉15%~20%硬石膏5%~15%流态改善材料1%~3%。
20.本发明在工作中，减少了硅酸盐水泥熟料用量，有利于降碳。同时，明矾石为未煅烧，这样，在配制过程中减少化石能源的使用，有效减碳。采用硬石膏，显著改善了未煅烧明矾石的活性，有效提高了未煅烧明矾石的反应速率。利用流态改善材料，在降低水泥用量、提高替代性胶凝材料的条件下，改善了低碳胶凝材料体系的流变性能及力学性能，使得各组分之间具有更良好的相容性。
21.所述硅酸盐水泥熟料的比表面积为450
±
20m2/kg，以质量百分比计包括：硅酸三钙：60%~70%硅酸二钙：10%~15%铝酸三钙：10.0%~15%铁铝酸四钙：5.0%~10%游离氧化钙：≤1%所述石灰石粉中碳酸钙含量≥95%，细度为0.08mm。
22.所述明矾石中硫酸铝钾（钠）含量≥45%，细度0.08mm孔筛余＜1%，且未煅烧。
23.本发明采用未煅烧明矾石，未煅烧明矾石无需经超过700℃煅烧，具有更显著的降低碳排放效果；由于未煅烧明矾石活性极低，通过对未煅烧明矾石进行超细化处理，显著提高了未煅烧明矾石活性。
24.所述沸石粉中沸石主要为斜发沸石，有效矿物成分含量≥65%。
25.所述沸石粉沸石比重2.15。
26.所述沸石粉的细度0.08mm，方孔筛筛余＜1%。
27.所述沸石粉沸石堆积密度为728kg/ m3。
28.所述硬石膏质量百分含量≥95%，比表面积≥500 m2/kg。
29.本发明采用高品质硬石膏，采用石膏显著改善了未煅烧明矾石的活性，有效提高了未煅烧明矾石的反应速率。
30.流态改善材料以计量包括：减水剂70%~75%；引气剂10%~15%；消泡剂10%~15%；减水剂为粉状聚羧酸系减水剂，减水率≥40%，28d收缩率比≤60%，1d抗压强度比≥200%。
31.引气剂主要成分为粉体三萜皂苷。
32.消泡剂主要成分为聚醚。
33.本发明中一种低碳胶凝材料的制备方法，包括：将上述所述低碳胶凝材料混合均匀，并加水搅拌。
34.具体应用中，实施例1~5（1）按照附表1的称取原材料，按照附表2称取流态改善材料。
35.（2）上述低碳胶凝材料制备方法包括将上述低碳胶凝材料的组分混合均匀。
36.（3）按照《水泥胶砂强度检验方法（iso法）》（gb/t 17671-1999）进行搅拌并添加砂，搅拌完毕并振捣成型，标准养护条件下养护至28d，测试抗压强度。此外，按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（gb/t 1346-2011）测定该配比的凝结时间。按照《水泥抗硫酸盐侵蚀方法》（gb/t 749-2008）中的浸泡抗蚀性能试验方法测定该配比的抗硫酸盐侵蚀系数。按照《膨胀水泥膨胀率测试方法》（jc/t 313-2009）测定该配比的水泥试体膨胀率。结果如附表3所示。
37.实施例一至实施例五中，包括：30%~40%硅酸盐水泥熟料； 10%-15%石灰石粉， 20%~25%未煅烧明矾石；15%~20%沸石粉， 5%~15%硬石膏，流态改善材料1%~3%。
38.低碳胶凝材料的对比例为：p.o42.5硅酸盐水泥100%，石灰石粉0，明矾石0，沸石粉0。
39.表1 各实施例中原材料组分质量表
40.表2 各实施例中流态改善材料组分质量表
41.表3 各实施例中试验结果
42.表4 对比例试验结果
初凝时间/min终凝时间/min胶砂流动度/mm28d抗压强度/mpa抗硫酸盐侵蚀系数15245221545.20.97
本发明具有以下技术效果：第一、本发明水泥熟料用量降低至30%-40%，有效降低了熟料生产过程中石灰石的用量及煤的使用量，减少了生产过程中二氧化碳的排放量，降碳效果显著。
43.降碳效果具体如下（参照cement and carbon emissions文献中的表4计算）：以普通硅酸盐水泥为例：硅酸盐水泥熟料碳排放量816kg/t。本发明假设取成分中最高值，熟料40%，其中，硅酸三钙70%，硅酸二钙15%，铝酸三钙15%，铁铝酸四钙10%，其他组分不产生二氧化碳。
44.则本发明每吨胶凝材料碳排放量如下：硅酸三钙碳排放量为：40%
×
70%
×
861kg/t=241.08kg/t硅酸二钙碳排放量为：40%
×
15%
×
715kg/t=42.9 kg/t铝酸三钙碳排放量为：40%
×
15%
×
787kg/t=47.22 kg/t铁铝酸四钙排放量为：40%
×
10%
×
570 kg/t=22.8 kg/t总碳排放量为：241.08+42.9+47.22+22.8=354.00 kg/t碳排放量相较于硅酸盐水泥熟料降低：（816-354）
÷
816=56.6%按照gb 175，普通硅酸盐水泥熟料+石膏占比不得低于水泥的80%，全部以熟料计，碳排放量为816kg/t
×
80%=652.8 kg/t碳排放量相较于普通硅酸盐水泥熟料降低：（652.8-354）
÷
652.8=45.8%
第二、本发明利用明矾石化学组成成分中的三氧化二铝 、三氧化硫是水泥组成成分，其水化产物钙矾石为水泥早期水化产物，同时具有微膨胀性，既可以对强度有贡献，还可以在约束作用下建立有效微膨胀，补偿收缩，从而应对开裂问题。明矾石使用过程中未经超过700℃煅烧，一定程度上也减少了碳排放。另外，由于未煅烧明矾石溶解度低，早期活性低，将明矾石进行超细磨处理，提高其比表面积，增加其溶解度，同时增加其早期反应活性。
45.第三、本发明采用沸石，沸石作为火山灰材料，主要同水泥熟料水化生成的 ca ( oh ) 2 进行二次反应，相互反应生成 c-s
‑ꢀ
h 相和铝相。另外，从物理作用上来说，沸石的比表面积巨大，起到对熟料颗粒及其水化物的分散作用，加大了熟料水化的空间，促进水泥中后期反应，同时，沸石可吸附浆体中的水，同时放出少量空气，使浆体终凝后的水灰比低于表观水灰比，有利于胶凝材料的后期强度。同时，由于后期释放出沸石水，对胶凝材料水化进行自养护，使界面附近反应继续进行，反应产物不断填充界面微裂缝，洁面附近讲题逐渐紧密，界面得到加强。
46.第四、本发明利用硬石膏可为体系补充三氧化硫，体系中三氧化硫有利于明矾石中的铝相转变为钙矾石，同时有利于沸石中的铝相转变为钙矾石，对于明矾石及沸石早期强度发展具有积极意义。同时，钙矾石的形成有利于早期微膨胀，能同时解决胶凝材料收缩大的问题。
47.第五、本发明利用流态改善材料提高由于沸石吸水造成了流动度降低问题，采用减水剂、引气剂和消泡剂多组分协同作用，早期对胶凝材料的流动度有改善，且不会影响后期强度及耐久性。
48.其中，沸石是多孔结构，会导致胶凝材料出机流动度下降，因此使用减水剂。另外，引气剂及消泡剂均是为了缓解掺合料种类及掺量过多带来的水泥流动性及强度问题。
49.第六，本发明利用水泥熟料、石灰石、明矾石、沸石、石膏之间的连续级配堆积特征（即颗粒效应），提高了胶凝材料内部的堆积率，降低了由于润滑作用需要的水，进而降低了水灰比，有利于进一步提高灌注砂浆的早强快硬及耐久性。
50.第七、本发明中明矾石与沸石具有来源广泛、价格低廉，并能充分利用各地现有资源。水泥熟料量显著降低，有效降低了石灰石与煤炭的使用量，具有良好的减碳效果。本发明具有显著的社会效益、环境效益，且技术方案可行，施工性良好，强度与耐久性稳定，是一种良好的低碳胶凝材料。

技术特征：
1.一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料按质量百分比计包括：硅酸盐水泥熟料30%~40%石灰石粉10%-15%未煅烧明矾石20%~25%沸石粉15%~20%硬石膏5%~15%流态改善材料1%~3%。2.根据权利要求1所述的一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述硅酸盐水泥熟料的比表面积为450
±
20m2/kg，以质量百分比计包括：硅酸三钙：60%~70%硅酸二钙：10%~15%铝酸三钙：10.0%~15%铁铝酸四钙：5.0%~10%游离氧化钙：≤1%。3.根据权利要求1所述的一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述石灰石粉中的碳酸钙含量≥95%，细度为0.08mm。4.根据权利要求1所述的一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述未煅烧明矾石中的硫酸铝钾含量≥45%，或硫酸铝钠含量≥45%；所述未煅烧明矾石的细度为0.08mm，孔筛余＜1%。5.根据权利要求4所述的一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述未煅烧明矾石为未经超过700℃煅烧。6.根据权利要求1所述的一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述硬石膏中的硫酸钙质量百分含量≥95%，比表面积≥500 m2/kg。7.根据权利要求1所述的一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述流态改善材料按质量百分比计包括：减水剂70%~75%引气剂10%~15%消泡剂10%~15%。8.根据权利要求7所述的一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述减水剂为粉状聚羧酸系减水剂，减水率≥40%，28d收缩率比≤60%，1d抗压强度比≥200%。9.根据权利要求7所述的一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述引气剂的主要成分为粉体三萜皂苷。10.根据权利要求7所述的一种低碳胶凝材料，其特征在于，所述消泡剂的主要成分为聚醚。

技术总结
本发明公开了一种低碳胶凝材料，所述胶凝材料按质量百分比计包括：硅酸盐水泥熟料30%~40%，石灰石粉10%-15%，未煅烧明矾石20%~25%，沸石粉15%~20%，硬石膏5%~15%，流态改善材料1%~3%。本发明在工作中，减少了硅酸盐水泥熟料用量，有利于降碳。同时，明矾石为未煅烧，这样，在配制过程中减少化石能源的使用，有效减碳。采用硬石膏，显著改善了未煅烧明矾石的活性，有效提高了未煅烧明矾石的反应速率。利用流态改善材料，在降低水泥用量、提高替代性胶凝材料的条件下，改善了低碳胶凝材料体系的流变性能及力学性能，使得各组分之间具有更良好的相容性。性。


技术研发人员：王敬宇 郅晓 叶家元 王鹏起
受保护的技术使用者：中国建材集团有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/9/23