本發(fā)明屬于水泥，具體涉及一種改性鋁酸鹽水泥、碳封存磷鋁酸鹽水泥及制備方法。

背景技術：

1、碳捕集、利用和封存（ccus）技術成為我國實現(xiàn)碳中和目標不可或缺的關鍵技術。ccus固井水泥環(huán)的完整性是確保井筒密封性的關鍵，直接影響co2地質封存井的安全性和長效性。硅酸鹽油井水泥呈高堿度特性，其水化形成的氫氧化鈣和c-s-h凝膠等產物易遭受酸性介質（co2）的腐蝕，在長期服役co2腐蝕條件下將導致固井水泥環(huán)力學性能退化，無法滿足co2長期封存要求。磷鋁酸鹽水泥（capc），具有低堿度、早強、高強、耐水、耐高溫和抗化學腐蝕等特性，可用作碳封存材料體系。

2、磷鋁酸鹽水泥是一種生物水泥材料，具有較高的長期強度和穩(wěn)定的水化產物（羥基磷灰石），然而其主要礦物磷酸三鈣在常溫下與水反應緩慢，早期強度較低。李仕群等在cao-al2o3-p2o5三元相圖中采用分區(qū)試驗的方法進行了探索，通過溶膠凝膠法合成了含新相的水硬性材料，其礦物組成為李胡（lhss）固溶相（被認為是磷鋁酸鹽固溶體）、鋁酸一鈣（ca）、鋁酸二鈣（c2a）、磷酸三鈣（c3p）和少量玻璃相，后來將其稱為磷鋁酸鹽水泥。

3、同時，磷鋁酸鈣水泥可通過鋁酸鈣水泥（calcium?aluminate?cement，cac）和磷酸鹽為主要原料復合制備，基于磷酸鹽和鋁酸鈣相的酸堿反應形成水化產物并產生強度。鋁酸鈣水泥作為磷鋁酸鈣水泥的主要基礎材料，其中主要由鋁酸一鈣（ca）、鋁酸二鈣（ca2），七鋁酸十二鈣（c12a7）和鈣鋁黃長石（c2as）等礦相組成，水化速度快，具有抗硫酸鹽侵蝕、耐火性能好、早期強度發(fā)展快等特點。鋁酸一鈣和二鋁酸鈣相均具有水化速率快、活性高的特點，其中鋁酸一鈣的水化速率更快且活性更高。目前，采用鋁酸鈣水泥與磷酸鹽復配的磷鋁酸鈣水泥凝結時間和稠化性能不可控，嚴重影響磷鋁酸鈣水泥的工程應用。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種改性鋁酸鹽水泥，并將其與磷酸鹽復配得到碳封存磷鋁酸鹽水泥，具有抗二氧化碳腐蝕，強度高，凝結時間和稠化性能可調的特點。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下：

3、一種改性鋁酸鹽水泥，礦相組成以質量百分數(shù)計，包括ca：20%~55%，ca2：10%~50%，c2as：25%~35%，c12a7：0.1%~0.2%。優(yōu)選ca/ca2=0.5~1.5。

4、進一步地，本發(fā)明還提供上述改性鋁酸鹽水泥的制備方法，包括如下步驟：

5、（1）將鈣質原料和鋁質原料經破碎、烘干并磨細充分混合，得到生料；

6、（2）將混合均勻的生料升溫至800～950℃下保溫20~40min，然后升溫至1300℃~1600℃下煅燒30~100min，煅燒結束后快速冷卻，得到水泥熟料塊；

7、（3）將所得水泥熟料塊研磨并充分混合均勻，即得。

8、具體地，步驟（1）中，所述鈣質原料為石灰石、生石灰或熟石灰中的至少一種，優(yōu)選石灰石；所述鋁質原料為鋁礬土、鋁灰、含鋁廢渣中的至少一種，優(yōu)選鋁礬土和鋁灰。

9、具體地，步驟（1）中，所述鈣質原材料中含有質量百分比40%～55％的cao；所述鋁質原料中含有質量百分比50%～70％al2o3；所述的生料按照質量組成百分比30%～40%cao，50%～65%al2o3進行配置得到。

10、具體地，步驟（2）中，先以5～15℃/min的升溫速率升至800～950℃，保溫30min后，再以5～15℃/min的升溫速率升至1300～1600℃，保溫30～100min。

11、具體地，步驟（2）中，煅燒結束后采用風冷、水冷、液氮冷卻中的任意一種形式快速冷卻至室溫。

12、進一步地，本發(fā)明還提供一種碳封存的磷鋁酸鹽水泥，由上述改性鋁酸鹽水泥、磷酸鹽和摻合料混合而成；其中，磷酸鹽質量百分比為5%~15%，摻合料的質量百分比為5%~20%，其余為改性鋁酸鹽水泥。

13、具體地，所述的磷酸鹽為磷酸三鈉、磷酸二氫鈉、聚磷酸鈉、三聚磷酸、偏磷酸鈉和六偏磷酸鈉中的至少一種。

14、具體地，所述的摻合料為粉煤灰、礦渣和硅粉中的至少一種。

15、更進一步地，本發(fā)明還請求保護上述碳封存的磷鋁酸鹽水泥的制備方法，包括如下步驟：

16、（1）將改性鋁酸鹽水泥粉磨并過74μm篩孔；

17、（2）將步驟（1）過篩的改性鋁酸鹽水泥與磷酸鹽和摻合料復配，將混合料置于球磨機中混合均勻，即得。

18、本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，具有如下的有益效果：

19、第一，本發(fā)明基于鋁酸鹽水泥礦相活性和水化特性，調控鋁酸鹽水泥中ca和ca2礦相含量和（ca/ca2）比例在0.5~1.5范圍，優(yōu)化礦相匹配，提升磷鋁酸鹽水泥的工程性能。鋁酸鹽水泥礦相中ca相有利于水泥早期強度發(fā)展，但是會導致水泥快凝和后期強度降低；ca2相有利于水泥后期強度發(fā)展；c12a7容易導致水泥快凝，后期強度降低。本項目調控鋁酸鹽水泥具有較高含量的ca和ca2礦相，且控制ca/ca2礦相比例0.5~1.5，較低含量的c12a7，使得磷鋁酸鹽水泥的凝結時間可調以及具有優(yōu)良的力學性能。

20、第二，本發(fā)明采用改性鋁酸鹽水泥與磷酸鹽復配制備磷鋁酸鹽水泥，先調控鋁酸鹽礦相組成和活性，再與磷酸鹽復配，協(xié)同調控磷鋁酸鹽水泥的反應活性、反應速率和水化性能。相比于磷鋁酸鹽水泥的直接煅燒制備，本專利中提出的改性鋁酸鹽水泥與磷酸鹽復配的磷鋁酸鹽水泥工程性能更易于調控，可通過改變鋁酸鹽水泥礦相組成含量、磷酸鹽種類和含量以及摻合料種類和摻量等方面來調控磷鋁酸鹽水泥的工程性能，使其適用于耐co2腐蝕、修補等工程應用中。

21、第三，本發(fā)明磷酸鹽用量低（5%~15%），有效降低磷鋁酸鹽水泥制備成本?，F(xiàn)有技術中采用商用鋁酸鹽水泥和磷酸鹽試劑復配制備磷鋁酸鹽水泥，其中磷酸鹽試劑摻量達15%~40%，使得磷鋁酸鹽水泥的制備成本高。本發(fā)明針對鋁酸鹽礦相（ca和ca2）組成含量進行調控改性，大幅度降低磷酸鹽摻量以及磷鋁酸鹽水泥制備成本，同時具有優(yōu)良的凝結、稠化和力學性能。

22、第四，本發(fā)明提出的磷鋁酸鹽水泥具有凝結時間可調，較強的早期強度和后期強度，以及優(yōu)良的耐co2侵蝕性能，為碳封存提供一種新型的膠凝材料。同時還具有優(yōu)良的抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕性能、耐高溫性能、優(yōu)良的抗凍性能以及修補性能。

技術特征：

1.一種改性鋁酸鹽水泥，其特征在于，礦相組成以質量百分數(shù)計，包括ca：20%~55%，ca2：10%~50%，c2as：25%~35%，c12a7：0.1%~0.2%。

2.權利要求1所述改性鋁酸鹽水泥的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

3.根據權利要求2所述的性鋁酸鹽水泥的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，所述鈣質原料為石灰石、生石灰或熟石灰中的至少一種；所述鋁質原料為鋁礬土、鋁灰、含鋁廢渣中的至少一種。

4.根據權利要求2所述的性鋁酸鹽水泥的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，所述鈣質原材料中含有質量百分比40%～55％的cao；所述鋁質原料中含有質量百分比50%～70％al2o3；所述的生料按照質量組成百分比30%～40%cao，50%～65%al2o3進行配置得到。

5.根據權利要求2所述的性鋁酸鹽水泥的制備方法，其特征在于，步驟（2）中，先以5～15℃/min的升溫速率升至800～950℃，保溫30min后，再以5～15℃/min的升溫速率升至1300～1600℃，保溫30～100min。

6.根據權利要求2所述的性鋁酸鹽水泥的制備方法，其特征在于，步驟（2）中，煅燒結束后采用風冷、水冷、液氮冷卻中的任意一種形式快速冷卻至室溫。

7.一種碳封存的磷鋁酸鹽水泥，其特征在于，由權利要求1所述的改性鋁酸鹽水泥、磷酸鹽和摻合料混合而成；其中，磷酸鹽質量百分比為5%~15%，摻合料的質量百分比為5%~20%，其余為改性鋁酸鹽水泥。

8.根據權利要求7所述的碳封存的磷鋁酸鹽水泥，其特征在于，所述的磷酸鹽為磷酸三鈉、磷酸二氫鈉、聚磷酸鈉、三聚磷酸、偏磷酸鈉和六偏磷酸鈉中的至少一種。

9.根據權利要求7所述的碳封存的磷鋁酸鹽水泥，其特征在于，所述的摻合料為粉煤灰、礦渣和硅粉中的至少一種。

10.權利要求7所述碳封存的磷鋁酸鹽水泥的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

技術總結
本發(fā)明公開了一種改性鋁酸鹽水泥、碳封存磷鋁酸鹽水泥及制備方法，基于鋁酸鹽水泥礦相活性和水化特性，調控鋁酸鹽水泥中CA和CA<subgt;2</subgt;礦相含量和（CA/CA<subgt;2</subgt;）比例在0.5~1.5范圍，優(yōu)化礦相匹配，提升磷鋁酸鹽水泥的工程性能。本發(fā)明采用上述改性鋁酸鹽水泥、磷酸鹽和摻合料復配得到的磷鋁酸鹽水泥，具有凝結時間可調，較強的早期強度和后期強度，以及優(yōu)良的耐CO<subgt;2</subgt;侵蝕性能，為碳封存提供一種新型的膠凝材料。同時還具有優(yōu)良的抗?jié)B性、抗硫酸鹽侵蝕性能、耐高溫性能、優(yōu)良的抗凍性能以及修補性能。

技術研發(fā)人員：馬英,孟強,王春雨,盧都友,姚曉,沈曉冬
受保護的技術使用者：南京工業(yè)大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9