[发明专利]一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料及其制备方法，该胶凝材料以69～85份钙质废渣、7～26份硅质废渣和5～10份铁矿石为原料，其主要矿物相占比为：γ‑C₂S 30～55％、β‑C₂S 30～50％、C₃S₂0～10％和f‑CaO 5～10％，以5～20℃/min的升温速率在1100～1250℃内烧制而成，后经冷却、破碎、球磨，得到固废基高活性固碳低钙胶凝材料。本发明制备的低钙胶凝材料，具有活性高、易粉磨、早强高强等优异特性，同时大大降低了材料生产成本、煅烧能耗和粉磨电耗，实现了多种工业固废的再生利用，并解决了胶凝材料因早期碳化速率过快而导致后期强度发展过慢等问题，对碳化硬化胶凝材料的工业化生产具有重要意义。

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种固废基高活性固碳低钙胶凝材料及其制备方法。

背景技术

水泥工业作为高能耗、高污染的能源密集型产业，2020年排放13.75亿吨CO₂，占我国碳排放总量的13％以上，其高碳排放主要来自水泥的生产工艺：(1)熟料矿物C₃S的高温形成；(2)生料中碳酸盐的热分解，其中CaCO₃分解热耗占熟料理论热耗46％左右。因此，水泥熟料烧成能耗高的根本原因在于高钙矿物(C₃S)的组成设计。熟料中的高钙矿物易造成煅烧温度过高(1450℃)，大量高品质石灰石、煤电资源被消耗，CO₂、NO_X及SO₃有害气体的排放。因此，从水泥生产工艺出发，设计以低钙矿物为主的熟料组成，有利于缓解水泥工业的能源(煤炭)、资源(石灰石)消耗及环境负荷(CO₂)。但是，低钙硅酸钙矿物的水化活性较低，若用传统标准养护则无法提供足够的机械性能，因此，如何有效激发低钙硅酸钙的反应活性成为一大技术挑战。

在硅酸钙体系中，C₃S、C₂S、C₃S₂和CS均表现出较高的碳化反应活性，尤其是低水化活性矿物β-C₂S、γ-C₂S、C₃S₂和CS，在符合低钙设计原则的基础上，可通过碳化激发其活性，并获得优异性能，为新型低钙胶凝材料的发展提供了新思路。目前有关该胶凝材料的烧结均集中在分析纯化学试剂和工业级原料，制备成本高，无法实现工业化生产；同时，胶凝材料因早期强度发展过快阻碍了后期强度的稳步提升，限制了其应用和发展。

专利CN 105347706 A公开了一种自粉化低钙水泥及其预制品的制备方法，该水泥以30～45％C₃S₂、45～65％α-CS和5～10％f-CaO为主要矿物组成；专利CN 111393051 A发明了一种免粉磨碳化硬化型水泥熟料及其制备方法，该水泥熟料将限制组分f-CaO设计进矿物组成，通过冷却膨胀实现熟料自粉化；专利CN 111393050A公开了一种γ-C₂S基胶凝材料的制备方法，该胶凝材料以γ-C₂S为主要成分，并包含少量的β-C₂S与C₃S₂；上述方法虽然在一定程度上降低了水泥生产过程中的碳排放和粉磨电耗，但仍使用石灰石、砂岩、铁矿等天然原料，制备成本高，无法实现大规模工业化生产；专利CN 111393049 A公开了一种γ-C₂S的活化改性方法，通过外掺金属离子混合物，增加γ-C₂S的比表面积，提高其碳化反应活性，但该改性方法工艺复杂且成本较高。此外，通过活化改性，胶凝材料的碳化早期强度虽得到一定改善，但对后期强度作用不明显，且易出现后期强度发展不稳等问题。

发明内容