一种铜渣硅酸盐水泥材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种铜渣硅酸盐水泥材料及其制备方法。
背景技术
海洋工程中的大型构筑物由于不断遭受硫酸根和镁离子等腐蚀性离子的侵蚀，因此生产应用于海洋工程等抗蚀性强的大体积混凝土工程中的水泥材料的核心在于生产一种抗蚀性强的高性能水泥基材料。
铜渣是炼铜过程中产生的一种工业废渣，目前国内一般采用火法贫化法、炉渣选矿法及湿法来提炼铜渣中的有价金属，投资和运行成本相对较高，所获得的生产制品附加值较低，并且过程中产生一定的污染；而未被利用的铜渣占用土地，也会造成金属资源的流失和环境的污染，因此有必要探索一种低成本的铜渣利用途径。铜渣中具有一定含量的SiO2、FeO和少量的CaO、Al2O3、MgO等含氧化合物，因此具有良好的火山灰活性，并且易磨性和力学性能均表现良好，具备用于水泥基材料生产的基本条件，而目前未见利用铜渣生产水泥材料的报道，因此有必要进行利用铜渣制备抗蚀性强的高性能铜渣硅酸盐水泥材料的探索，这对提高水泥基材料的抗侵蚀性能及对海洋工程的建设具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铜渣硅酸盐水泥材料及其制备方法，本发明的原料包括铜渣、矿渣、氢氧化钙和水泥，通过对铜渣进行处理，激发其火山灰活性，再与矿渣、水泥充分搅拌混合均匀，制备得到的铜渣硅酸盐水泥材料强度高、抗硫酸盐侵蚀性能好，适合用于海洋工程等抗蚀性强的大体积混凝土工程中。
本发明的技术方案如下：
一种铜渣硅酸盐水泥材料，所述铜渣硅酸盐水泥材料由以下重量百分比的组分组成：铜渣5-15％、矿渣5-15％、氢氧化钙2-6％，水泥为余量；
所述铜渣的比表面积为368-427m2/kg，所述铜渣中各组分的含量，按照重量百分比计为SiO2≥27.59％、Al2O3≥5.26％、Fe2O3≥59.16％、CaO≥3.74、MgO≥2.2％。本发明中氢氧化钙作为激发剂使用。
作为技术方案的优选，所述铜渣与矿渣的用量相等。
作为技术方案的进一步优选，所述铜渣硅酸盐水泥材料由以下重量百分比的组分组成：铜渣10％、矿渣10％、氢氧化钙4％，水泥为余量。
作为技术方案的优选，所述矿渣中各组分的含量，按照重量百分比计为SiO2≥31.59％、Al2O3≥16.29％、Fe2O3≥1.56％、CaO≥38.84％、MgO≥8.58％。
作为技术方案的优选，所述氢氧化钙为分析纯氢氧化钙。
作为技术方案的优选，所述水泥为普通硅酸盐水泥，其强度≥42.5MPa。
一种如上述的铜渣硅酸盐水泥材料的制备方法，包括以下步骤，
(1)原料的准备：按照上述的重量百分比称取铜渣、矿渣、氢氧化钙和水泥；
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于烘箱中烘干，然后用球磨机粉磨，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀；
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
作为技术方案的优选，所述烘干的温度为120-130℃，时间为3-5h。
本发明使用的球磨机的筒体转速最高为530r/min，功率为1000W。作为技术方案的优选，所述粉磨的时间为15-40min。
本发明的铜渣硅酸盐水泥材料的强度参数：118d抗折强度≥8.9MPa，118d抗压强度≥59.0MPa；抗硫酸镁侵蚀试验90d抗蚀系数≥1.07。
本发明的铜渣、矿渣、氢氧化钙和水泥均为市场购买得到，无需特别制备。
发明原理：本发明通过对铜渣进行高温冶炼、低温冷淬、烘干后粉磨，在激发剂氢氧化钙激发处理，使其内部活性离子团[SiO4]4-和[AlO4]5-等迅速溶出，与水泥中的Ca(OH)2进行如下反应：
SiO2(活性)+xCa(OH)2+m1H2O→x1CaO·SiO2·m1H2O(C-S-H)，
Al2O3(活性)+xCa(OH)2+m2H2O→x2CaO·Al2O3·m2H2O(C-A-H)，形成具有胶凝性的C-S-H凝胶和水化铝酸钙(C-A-H)，二者在碱性环境中稳定存在，对提高硅酸盐水泥的强度，改善水泥的抗蚀性能具有积极作用。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过对铜渣进行高温冶炼、低温冷淬、烘干后粉磨和氢氧化钙激发处理，使其内部活性离子团[SiO4]4-和[AlO4]5-等迅速溶出，加入水泥中后，与水泥中的Ca(OH)2进行如下反应：SiO2(活性)+xCa(OH)2+m1H2O→x1CaO·SiO2·m1H2O(C-S-H)，Al2O3(活性)+xCa(OH)2+m2H2O→x2CaO·Al2O3·m2H2O(C-A-H)，形成具有胶凝性的C-S-H凝胶和水化铝酸钙(C-A-H)，二者在碱性环境中稳定存在，因此，铜渣参与二次火山灰反应加剧，降低了水泥基材料中的钙相含量，减少钙矾石等膨胀性产物的生成，使得水泥基材料的密实度增强，抗蚀性能提高。
(2)本发明使用铜渣提高水泥的抗蚀性能，对铜渣进行处理使得其比表面积与矿渣粗细搭配，保证铜渣的火山灰活性更易被激发，再使用适量的矿渣提高水泥的强度。铜渣和矿渣的加入可以调整生产混合原料的可塑性，便于搅拌成型加工，提高产品的抗折强度、抗压强度和抗蚀性能，使得本发明的铜渣硅酸盐水泥材料的强度和抗蚀性兼优，可以应用于海洋工程等抗蚀性强的大体积混凝土工程中。
(3)本发明以铜渣和矿渣为原料制备强度高、抗蚀性能好的铜渣硅酸盐水泥材料，变废为宝，有利于提高资源的综合利用率，保护环境，具有很大的经济效益和社会效益。
(4)本发明的原料简单，价格低廉，生产成本低，生产工艺简单，适合推广应用。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明进一步详细说明，但不限于本发明的保护范围。
一、原料选取和预处理要求：
选用的铜渣的比表面积为368-427m2/kg，铜渣中各组分的含量，按照重量百分比计为SiO2≥27.59％、Al2O3≥5.26％、Fe2O3≥59.16％、CaO≥3.74、MgO≥2.2％。
选用的矿渣中各组分的含量，按照重量百分比计为SiO2≥31.59％、Al2O3≥16.29％、Fe2O3≥1.56％、CaO≥38.84％、MgO≥8.58％。
选用的氢氧化钙为分析纯氢氧化钙。
选用的水泥为普通硅酸盐水泥，其强度≥42.5MPa。
二、高抗蚀低热水泥材料的制备方法
对比实施例1
称取水泥2000g。
对比实施例2
称取矿渣400g、水泥1520g和氢氧化钙80g。
实施例1
(1)原料的准备：称取铜渣200g、矿渣200g、氢氧化钙80g和水泥1520g。
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于125℃的烘箱中烘4h，然后用球磨机粉磨40min，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀。
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
实施例2
(1)原料的准备：称取铜渣250g、矿渣250g、氢氧化钙100g和水泥1400g。
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于125℃的烘箱中烘4h，然后用球磨机粉磨35min，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀。
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
实施例3
(1)原料的准备：称取铜渣300g、矿渣300g、氢氧化钙120g和水泥1280g。
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于127℃的烘箱中烘3.5h，然后用球磨机粉磨30min，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀。
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
实施例4
(1)原料的准备：称取铜渣150g、矿渣150g、氢氧化钙60g和水泥1640g。
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于128℃的烘箱中烘3.5h，然后用球磨机粉磨25min，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀。
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
实施例5
(1)原料的准备：称取铜渣100g、矿渣100g、氢氧化钙40g和水泥1760g。
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于123℃的烘箱中烘4.5h，然后用球磨机粉磨20min，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀。
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
实施例6
(1)原料的准备：称取铜渣230g、矿渣220g、氢氧化钙90g和水泥1460g。
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于122℃的烘箱中烘4.5h，然后用球磨机粉磨15min，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀。
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
实施例7
(1)原料的准备：称取铜渣280g、矿渣270g、氢氧化钙110g和水泥1340g。
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于121℃的烘箱中烘5h，然后用球磨机粉磨20min，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀。
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
实施例8
(1)原料的准备：称取铜渣160g、矿渣170g、氢氧化钙70g和水泥1600g。
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于120℃的烘箱中烘5h，然后用球磨机粉磨25min，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀。
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
实施例9
(1)原料的准备：称取铜渣120g、矿渣135g、氢氧化钙50g和水泥1695g。
(2)铜渣的处理：先将铜渣置于130℃的烘箱中烘3h，然后用球磨机粉磨30min，最后加入氢氧化钙充分搅拌混合均匀。
(3)原料的混合：将矿渣、水泥和处理过的铜渣充分搅拌混合均匀，得到本发明的铜渣硅酸盐水泥材料。
三、产品性能指标测试
对对比实施例1-2及实施例1-9的水泥基材料进行强度试验和抗硫酸镁侵蚀试验(GB/T50082-2009)，试验结果如下表1。
表1水泥材料强度测试和抗蚀测试结果
由表1可以看出，与对比实施例1或2的水泥材料相比，实施例1-9的铜渣硅酸盐水泥材料的抗折强度和抗压强度均提高5％以上，抗蚀系数提高30％以上，可见，铜渣的加入有利于提高水泥材料的抗蚀性能，铜渣和矿渣的合理搭配加入有利于提高水泥材料的强度和抗蚀性能，使铜渣硅酸盐水泥材料的综合性能更优，适合应用于海洋工程等抗蚀性强的大体积混凝土工程中。
