[发明专利]由铝硅酸盐和白云石制成的熟料替代材料

说明书

本发明涉及新型火山灰性或潜在水硬性熟料替代材料（下文也缩写为SCM）的制造和含有与水泥，特别是波特兰水泥混合的所述材料的粘合剂。

水泥，在这种情况下尤其是波特兰水泥，下文缩写为OPC（普通波特兰水泥），一方面是重要的建筑材料，但另一方面需要大量能量和矿物生料进行其制造。因此努力降低能量和生料需求已有一段时间，例如通过使用副产物和废品。

用SCM取代波特兰水泥熟料尤其适用于实现这些目标。一方面，SCM通常是副产物和废品并因此降低生料使用量。最常用的SCM包括冶金砂和飞灰。另一方面，降低熟料含量又降低其生产的能量需求，因为SCM的生产需要的能量比熟料少。

但是，并非所有副产物和废品都适合作为SCM。火山灰性或潜在水硬性反应性不能太低，否则由该水泥和SCM制成的建筑材料的性质会受到负面影响。例如，煅烧粘土只有具有高矿物纯度才可用作SCM；理想地仅由一种粘土材料构成。氧化铝含量和Al₂O₃/SiO₂比例应该高。此外，通过煅烧活化要求保持在窄温度窗内以及尽可能短的煅烧时间（低至数秒）。由于粘土的吸收性高并且非常细，由水泥和这样的SCM制成的混凝土需要大量塑化剂以补偿提高的需水量。掺合料可吸附和/或吸收在表面上和粘土夹层中，使得必须使用更大的量。

由几个或仅一个相构成的优质粘土在实践中少见，并且由于与其它工业部门的竞争而因此太昂贵。但是，使用混合物难以设定最佳煅烧温度，或换言之，不同成分的不同最佳温度使得不可能活化整个原材料。如果温度太低，活化太少的量。在略高温度下，仅活化在这些较低温度下已经反应的相，这在大多数情况仍是太低含量。尽管在中等温度下通常活化足够的含量，但原材料的一些部分已形成结晶相并因此惰性的相。尽管在高温下转化原材料的（几乎）所有含量，但大部分已形成惰性结晶相。各种粘土矿物具有下列最佳煅烧温度：

- 蛇纹岩400 - 500℃，

- 坡缕石600 - 800℃，

- 高岭石600 - 800℃，

- 埃洛石600 - 800℃，

- 叶蜡石750 - 950℃，

- 蒙脱石800 - 950℃，

- 伊利石800 - 1000℃，

- 云母650 - 1000℃。

非转化相具有尤其高的需水量，因此必须尽可能避免。许多原材料也具有太低的Al₂O₃含量，但显著量的SiO₂和其它成分，如Fe₂O₃、CaO、MgO、Na₂O和K₂O。由于这些原因，许多粘土不能经济地使用并且在某些情况下必须放置含粘土或富粘土的材料。

已经提出通过水热处理它们或通过与石灰石混合煅烧它们或通过将它们与石灰石合并而使这样的粘土可用作SCM；参见例如EP 2 253 600 A1和US 5,626,665。在Tobias Danner的博士论文"Reactivity of calcined clays", ISBN 978-82-471-4553-1中，证实当石灰石已存在于原材料中或将其在燃烧前添加时，对煅烧材料的反应性没有任何影响。在此研究中还确立，源自硅酸镁化合物（即并非源自碳酸镁或白云石至白云石质石灰岩）的具有最高MgO含量的材料不能充分活化以用作SCM，换言之具有最低火山灰反应性。这一研究还表明，所研究的材料的石灰结合能力（换言之火山灰反应性）在700至800℃的燃烧温度下达到其最大限度，并且甚至在略高于800℃，例如850℃的更高温度下，该材料损失相当大量的反应性。换言之，更高的温度产生具有极低至甚至完全没有反应性的材料。因此，这种方法无法解决与具有需要非常不同的煅烧温度的混合相的粘土相关的问题。此外，该研究没有揭示以非常低含量存在的白云石的任何正面作用，因为后者尚未足量添加并且所用燃烧温度也太低。本领域技术人员从这一研究无法推断出白云石至白云石质石灰岩与粘土一起煅烧的协同效应，也无法推断出使用由此获得的材料作为SCM。