一种复合尾渣胶凝材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种复合尾渣胶凝材料及其制备方法与应用。
背景技术
钢渣和氰化渣选铁废料是在钢渣和氰化尾渣中弱磁选铁粉后所剩废渣。该废渣已粉磨至400～800m2/kg，是固体废弃物的再次利用，实现了绿色可持续发展。
铜渣是铜冶炼渣。铜冶炼渣中除含大量铜外，还含有Fe、Zn、Pb、Co、Ni等多种有价金属和少量的贵金属Au，Ag等。我国国内已累计有约1.9亿吨，大部分堆存渣场。其余尚未利用的储量中，贫矿多、富矿少，中小型矿多、大型矿少，采选难度大、生产成本高。水泥企业综合利用工业废渣(如铜渣)，不仅是经济可持续发展的要求，也是降低成本、改善水泥性能和赢得市场的需要。
加气混凝土废料和铜渣其化学成分主要由SiO2、FeO、CaO等组成。加气混凝土废料和铜尾矿不仅存放量多，而且价格低廉。结合其胶凝性作为主要原料替代硅酸盐水泥，用作矿物掺合料。
如何将钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料和铜渣用于胶凝材料的生产，变废为宝，大大减轻环境污染的同时，还能实现重大的经济效益和社会效益，这一技术难题急待人们去解决。
发明内容
本发明提出一种复合尾渣胶凝材料及其制备方法与应用，可有效利用钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料和铜渣，实现变废为宝，大大减轻环境污染的同时，还能实现重大的经济效益和社会效益。
本发明一种复合尾渣胶凝材料由钢渣和氰化渣选铁废料、铜渣、加气混凝土废料、生石灰、脱硫灰渣、NaOH、Na2SiO3和废弃石粉制备而成。
可选地，所述复合尾渣胶凝材料由以下质量份的各物质组成：
钢渣和氰化渣选铁废料40～80、加气混凝土废料10～40、铜渣10～20、生石灰10～14、脱硫灰渣6～10、NaOH 1～2、Na2SiO3 0.75～1.25、废弃石粉0.5。
本发明还包括上述复合尾渣胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、将铜渣破碎、烘干，粉磨至<0.08mm；加气混凝土废料烘干、粉磨至<0.08mm，然后高温煅烧，并自然冷却；脱硫灰渣烘干、粉磨至<0.08mm；废弃石粉烘干、粉磨至<0.08mm；
S2、将步骤S1中得到的物料与钢渣和氰化渣选铁废料、生石灰、NaOH、Na2SiO3按比例混合，然后置于振动搅拌机中，搅拌均匀，最后得到复合尾渣胶凝材料。
可选地，所述步骤S1中加气混凝土废料的锻烧温度为300～500℃，高温锻烧时间为1～3h；铜渣破碎至<2mm。
可选地，所述步骤S2中钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料与铜渣的质量比为8:1:1～4:4:2。
可选地，所述步骤S1中的铜渣、加气混凝土废料、脱硫灰渣和废弃石粉的烘干温度均为80～110℃，烘干至含水率均小于0.1％；粉磨的时间均为1.5～2.5h；
可选地，所述步骤S1中脱硫灰渣使用振动球磨机粉磨，铜渣、加气混凝土废料和废弃石粉均使用SMΦ500mm×500mm型水泥磨机粉磨。
可选地，所述步骤S2中钢渣和氰化渣选铁废料比表面积为400～800m2/kg。
可选地，加气混凝土废料的化学成份以质量百分比计为：SiO2 35～60％，CaO 20～45％，Al2O3 3～8％，Fe2O3 3～6％，FeO 2～7％，MgO 2～6％，Na2O 0.01～1％，K2O 0.01～1％，SO2 0.01～3％，烧失量为0.01～2％，其他0.01～3％。
可选地，铜渣的化学成份以质量百分比计为：SiO2 50～70％，Al2O3 5～15％，Fe2O31～8％，TiO2 0.01～2％，CaO 1～8％，MgO 1～6％，Na2O 0.01～3％，K2O 0.01～3％，SO30.01～5％，烧失量0.01～5％，其他0.01～2％。
可选地，钢渣和氰化渣选铁废料化学成份以质量百分比计为：SiO2为50～65％，CaO为15～30％，Al2O3为1～5％，MgO为2～4％，Fe2O3为1～10％，烧失量0～0.3％，其他1～10％。
可选地，脱硫灰渣的化学成份以质量百分比计为：SiO2 1～5％，SO3 30～60％，CaO25～60％，Al2O3 1～5％，Fe2O3 0.01～3％，MgO 0.01～2％，Na2O 0.01～0.5％，K2O 0.01～2％，烧失量为0.01～2％，其他0.01～3％。
可选地，废弃石粉的化学成份以质量百分比计为：SO30.01～1％、Al2O3 1～15％、Fe2O3 0.01～5％、TiO2 0.01～2％、CaO 20～50％、MgO 1～3％、SiO2 25～50％、MnO 0.01～2％，烧失量为10～30％，其他0.01～3％。
本发明还包括上述复合尾渣胶凝材料在水泥中的应用，将复合尾渣胶凝材料和硅酸盐水泥混合，制备得到复合渣水泥。
可选地，所述复合渣胶凝材料与硅酸盐水泥的质量比为1:9～3:7。
本发明中，钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料经机械力粉磨和高温煅烧，产生了大量断裂的Si-O化学键，比表面积变大，表面能变强，可溶硅含量增多，具有很强的潜在胶凝活性。复合尾渣胶凝材料在水化过程中，生成以棒球状钙矾石为基本骨架。无定型状态的SiO2作为其胶凝性填充物，还没有发生反应的钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料和铜尾渣颗粒作为固态填充物，共同存在体系中。复合胶凝材料在水化时钙矾石晶体互相穿插搭接在一起且与C-S-H联结在一起，共同构成了复合胶凝材料硬化体的基本结构。其中，体系的力学性能特征是由钙矾石所影响。无定形状态的凝胶类物质不断填充到体系的空隙中去，使体系结构变得更加密实。水化产物硅酸钙凝胶(C-S-H)和钙矾石晶体之间互相填充粘结，是复合胶凝材料形成密实硬化体的结果，其力学性能就是在宏观上的优良表现。因此，多种尾渣在水化反应过程中具有较好的互相协同的作用。另外，在工艺上采用振动球磨机以振动搅拌机，使得脱硫灰渣中的Ca和S充分分散，从而降低了体系的需水量以及硬化浆体的膨胀性。本发明减少了水泥的用量，降低了碳排放，节能环保。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明的复合渣胶凝材料的制备方法简单、易行，利用复合渣生产胶凝材料，可实现钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料和铜渣的规模化利用，大大提高钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料和铜渣的附加值。
2)本发明所需原料来源广泛，价格低廉，经活化处理后的复合尾矿用作水泥混合材掺合料，可降低水泥生产成本。
3)本发明所采用的活化方法能有效提高钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料和铜渣活性，工艺简单，设备要求低，便于操作。
4)本发明制备的复合渣胶凝材料可根据需求配制不同标号的水泥，水泥质量能得以保证。
附图说明
图1是本发明一种复合尾渣胶凝材料和复合渣水泥制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种复合尾渣胶凝材料，由以下质量份的各物质组成：
钢渣和氰化渣选铁废料40～80、加气混凝土废料10～40、铜渣10～20、生石灰10～14、脱硫灰渣6～10、NaOH1～2、Na2SiO30.75～1.25、废弃石粉0.5。
本发明还包括上述复合尾渣胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤1、采用颚式破碎机将铜渣破碎至<2mm、烘干，然后用球磨机粉磨至<0.08mm；原状加气混凝土废料烘干，采用球磨机粉磨至<0.08mm，然后置于300～500℃高温煅烧1～3h，并自然冷却；脱硫灰渣烘干后用振动球磨机粉磨至<0.08mm；废弃石粉烘干后用球磨机粉磨至<0.08mm；所述烘干温度均为80～110℃，烘干至含水率均小于0.1％；所述粉磨机为SMΦ500mm×500mm型水泥磨。
步骤2、将步骤1中得到的物料与钢渣和氰化渣选铁废料(比表面积为400～800m2/kg)、生石灰、NaOH、Na2SiO3按比例混合，然后置于振动搅拌机中，搅拌均匀，最后得到复合尾渣胶凝材料。所述钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料与铜渣总量的质量比为8:1:1～4:4:2。
本发明还公开了一种上述的复合尾渣胶凝材料在制备复合渣水泥中的应用，包括以下步骤：将复合尾渣胶凝材料和硅酸盐水泥混合，制备得到复合渣水泥，其中，复合尾渣胶凝材料与硅酸盐水泥的质量比为1:9～3:7。
实施例1
一种复合尾渣胶凝材料，由以下质量份的各物质组成：
钢渣和氰化渣选铁废料80、加气混凝土废料10、铜渣10、生石灰10、脱硫灰渣6、NaOH1、Na2SiO30.75、废弃石粉0.5。
上述复合尾渣胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
采用颚式破碎机将铜渣破碎至<2mm、烘干，然后用球磨机粉磨至<0.08mm；原状加气混凝土废料烘干，采用球磨机粉磨至<0.08mm，然后置于300℃高温煅烧1h，并自然冷却；脱硫灰渣烘干后用振动球磨机粉磨至<0.08mm；废弃石烘干后用球磨机粉磨至<0.08mm；所述烘干温度均为80℃，烘干至含水率均小于0.1％；所述粉磨机为SMΦ500mm×500mm型水泥磨。
将上述物料与钢渣和氰化渣选铁废料(比表面积为400m2/kg)、生石灰、NaOH、Na2SiO3按比例混合，然后置于振动搅拌机中，搅拌均匀，最后得到复合尾渣胶凝材料。所述钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料与铜渣总量的质量比为8:1:1。
本实施例得到的复合渣胶凝材料以10％、20％、30％的掺量与P·I42.5硅酸盐水泥混合，按照国际标准《GB/T17671--1999水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)制备胶砂试块并检测抗压强度。
实施例2
一种复合尾渣胶凝材料，由以下质量份的各物质组成：
钢渣和氰化渣选铁废料70、加气混凝土废料20、铜渣10、生石灰12、脱硫灰渣8、NaOH1.5、Na2SiO31、废弃石粉0.5。
上述复合尾渣胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
采用颚式破碎机将铜渣破碎至<2mm、烘干，然后用球磨机粉磨至<0.08mm；原状加气混凝土废料烘干，采用球磨机粉磨至<0.08mm，然后置于500℃高温煅烧2h，并自然冷却；脱硫灰渣烘干后用振动球磨机粉磨至<0.08mm；废弃石烘干后用球磨机粉磨至<0.08mm；所述烘干温度均为80℃，烘干至含水率均小于0.1％；所述粉磨机为SMΦ500mm×500mm型水泥磨。
将上述物料与钢渣和氰化渣选铁废料(比表面积为500m2/kg)、生石灰、NaOH、Na2SiO3按比例混合，然后置于振动搅拌机中，搅拌均匀，最后得到复合尾渣胶凝材料。所述钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料与铜渣总量的质量比为7:2:1。
本实施例得到的复合渣胶凝材料以10％、20％、30％的掺量与P·I42.5硅酸盐水泥混合，按照国际标准《GB/T17671--1999水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)制备胶砂试块并检测抗压强度。
实施例3
一种复合尾渣胶凝材料，由以下质量份的各物质组成：
钢渣和氰化渣选铁废料60、加气混凝土废料25、铜渣15、生石灰14、脱硫灰渣6、NaOH 2、Na2SiO3 1.25、废弃石粉0.5。
上述复合尾渣胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
采用颚式破碎机将铜渣破碎至<2mm、烘干，然后用球磨机粉磨至<0.08mm；原状加气混凝土废料烘干，采用球磨机粉磨至<0.08mm，然后置于450℃高温煅烧2h，并自然冷却；脱硫灰渣烘干后用振动球磨机粉磨至<0.08mm；废弃石烘干后用球磨机粉磨至<0.08mm；所述烘干温度均为80℃，烘干至含水率均小于0.1％；所述粉磨机为SMΦ500mm×500mm型水泥磨。
将上述物料与钢渣和氰化渣选铁废料(比表面积为400m2/kg)、生石灰、NaOH、Na2SiO3按比例混合，然后置于振动搅拌机中，搅拌均匀，最后得到复合尾渣胶凝材料。所述钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料与铜渣总量的质量比为6:2.5:1.5。
本实施中，加气混凝土废料的化学成份以质量百分比计为：SiO2 35～60％，CaO20～45％，Al2O3 3～8％，Fe2O3 3～6％，FeO 2～7％，MgO 2～6％，Na2O 0.01～1％，K2O0.01～1％，SO2 0.01～3％，烧失量为0.01～2％，其他0.01～3％。
铜渣的化学成份以质量百分比计为：SiO2 50～70％，Al2O3 5～15％，Fe2O3 1～8％，TiO2 0.01～2％，CaO 1～8％，MgO 1～6％，Na2O 0.01～3％，K2O 0.01～3％，SO3 0.01～5％，烧失量0.01～5％，其他0.01～2％。
钢渣和氰化渣选铁废料化学成份以质量百分比计为：SiO2为50～65％，CaO为15～30％，Al2O3为1～5％，MgO为2～4％，Fe2O3为1～10％，烧失量0～0.3％，其他1～10％。
脱硫灰渣的化学成份以质量百分比计为：SiO2 1～5％，SO3 30～60％，CaO 25～60％，Al2O3 1～5％，Fe2O3 0.01～3％，MgO 0.01～2％，Na2O 0.01～0.5％，K2O 0.01～2％，烧失量为0.01～2％，其他0.01～3％。
废弃石粉的化学成份以质量百分比计为：SO30.01～1％、Al2O3 1～15％、Fe2O30.01～5％、TiO2 0.01～2％、CaO 20～50％、MgO 1～3％、SiO2 25～50％、MnO 0.01～2％，烧失量为10～30％，其他0.01～3％。
本实施例得到的复合渣胶凝材料以10％、20％、30％的掺量与P·I42.5硅酸盐水泥混合，按照国际标准《GB/T17671--1999水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)制备胶砂试块并检测抗压强度。
实施例4
一种复合尾渣胶凝材料，由以下质量份的各物质组成：
钢渣和氰化渣选铁废料60、加气混凝土废料20、铜渣20、生石灰14、脱硫灰渣10、NaOH 1、Na2SiO3 1、废弃石粉0.5。
上述复合尾渣胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
采用颚式破碎机将铜渣破碎至<2mm、烘干，然后用球磨机粉磨至<0.08mm；原状加气混凝土废料烘干，采用球磨机粉磨至<0.08mm，然后置于500℃高温煅烧1.5h，并自然冷却；脱硫灰渣烘干后用振动球磨机粉磨至<0.08mm；废弃石烘干后用球磨机粉磨至<0.08mm；所述烘干温度均为80℃，烘干至含水率均小于0.1％；所述粉磨机为SMΦ500mm×500mm型水泥磨。
将上述物料与钢渣和氰化渣选铁废料(比表面积为600m2/kg)、生石灰、NaOH、Na2SiO3按比例混合，然后置于振动搅拌机中，搅拌均匀，最后得到复合尾渣胶凝材料。所述钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料与铜渣总量的质量比为3:1:1。
本实施例得到的复合渣胶凝材料以10％、20％、30％的掺量与P·I42.5硅酸盐水泥混合，按照国际标准《GB/T17671--1999水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)制备胶砂试块并检测抗压强度。
实施例5
一种复合尾渣胶凝材料，由以下质量份的各物质组成：
钢渣和氰化渣选铁废料40、加气混凝土废料40、铜渣20、生石灰13、脱硫灰渣7、NaOH 1.2、Na2SiO3 0.9、废弃石粉0.5。
上述复合尾渣胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
采用颚式破碎机将铜渣破碎至<2mm、烘干，然后用球磨机粉磨至<0.08mm；原状加气混凝土废料烘干，采用球磨机粉磨至<0.08mm，然后置于500℃高温煅烧1.5h，并自然冷却；脱硫灰渣烘干后用振动球磨机粉磨至<0.08mm；废弃石烘干后用球磨机粉磨至<0.08mm；所述烘干温度均为80℃，烘干至含水率均小于0.1％；所述粉磨机为SMΦ500mm×500mm型水泥磨。
将上述物料与钢渣和氰化渣选铁废料(比表面积为700m2/kg)、生石灰、NaOH、Na2SiO3按比例混合，然后置于振动搅拌机中，搅拌均匀，最后得到复合尾渣胶凝材料。所述钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料与铜渣总量的质量比为2:2:1。
本实施例得到的复合渣胶凝材料以10％、20％、30％的掺量与P·I42.5硅酸盐水泥混合，按照国际标准《GB/T17671--1999水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)制备胶砂试块并检测抗压强度。
实施例6
一种复合尾渣胶凝材料，由以下质量份的各物质组成：
钢渣和氰化渣选铁废料50、加气混凝土废料30、铜渣20、生石灰11、脱硫灰渣9、NaOH 1.8、Na2SiO3 1.1、废弃石粉0.5。
上述复合尾渣胶凝材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
采用颚式破碎机将铜渣破碎至<2mm、烘干，然后用球磨机粉磨至<0.08mm；原状加气混凝土废料烘干，采用球磨机粉磨至<0.08mm，然后置于500℃高温煅烧1.5h，并自然冷却；脱硫灰渣烘干后用振动球磨机粉磨至<0.08mm；废弃石烘干后用球磨机粉磨至<0.08mm；所述烘干温度均为80℃，烘干至含水率均小于0.1％；所述粉磨机为SMΦ500mm×500mm型水泥磨。
将上述物料与钢渣和氰化渣选铁废料(比表面积为800m2/kg)、生石灰、NaOH、Na2SiO3按比例混合，然后置于振动搅拌机中，搅拌均匀，最后得到复合尾渣胶凝材料。所述钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料与铜渣总量的质量比为5:3:2。
本实施中，加气混凝土废料的化学成份以质量百分比计为：SiO2 35～60％，CaO20～45％，Al2O3 3～8％，Fe2O3 3～6％，FeO 2～7％，MgO 2～6％，Na2O 0.01～1％，K2O0.01～1％，SO2 0.01～3％，烧失量为0.01～2％，其他0.01～3％。
铜渣的化学成份以质量百分比计为：SiO2 50～70％，Al2O3 5～15％，Fe2O3 1～8％，TiO2 0.01～2％，CaO 1～8％，MgO 1～6％，Na2O 0.01～3％，K2O 0.01～3％，SO3 0.01～5％，烧失量0.01～5％，其他0.01～2％。
钢渣和氰化渣选铁废料化学成份以质量百分比计为：SiO2为50～65％，CaO为15～30％，Al2O3为1～5％，MgO为2～4％，Fe2O3为1～10％，烧失量0～0.3％，其他1～10％。
脱硫灰渣的化学成份以质量百分比计为：SiO2 1～5％，SO3 30～60％，CaO 25～60％，Al2O3 1～5％，Fe2O3 0.01～3％，MgO 0.01～2％，Na2O 0.01～0.5％，K2O 0.01～2％，烧失量为0.01～2％，其他0.01～3％。
废弃石粉的化学成份以质量百分比计为：SO30.01～1％、Al2O3 1～15％、Fe2O30.01～5％、TiO2 0.01～2％、CaO 20～50％、MgO 1～3％、SiO2 25～50％、MnO 0.01～2％，烧失量为10～30％，其他0.01～3％。
本实施例得到的复合渣胶凝材料以10％、20％、30％的掺量与P·I42.5硅酸盐水泥混合，按照国际标准《GB/T17671--1999水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)制备胶砂试块并检测抗压强度。
实施例1-6所制得的胶砂试块在标准养护28d后进行抗压强度检测，其检测结果如下表所示：
实施例1-6所述胶砂试块强度性能指标
从实施例1-6可知：本发明利用钢渣和氰化渣选铁废料、加气混凝土废料和铜渣制备复合尾渣胶凝材料，可用于水泥，且该复合渣水泥具有较好的抗压强度，优于国家标准。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
