一种水泥砂浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其是涉及一种水泥砂浆及其制备方法。

背景技术

近几年，我国建筑节能和墙体材料改革不断推进与深化，石膏工业迅速发展， 随着优质天然石膏资源的日渐枯竭，以及环境保护、发展绿色工业等国情要求， 石膏原料发生了巨大的变化，由天然石膏向工业副产石膏转变。因此，工业副产 石膏的综合利用成为石膏行业关注的重点。我国的工业副产石膏主要包括脱硫石 膏、磷石膏、钛石膏、废陶模石膏、芒硝石膏、氟石膏、盐石膏、柠檬石膏等。 工业副产石膏的资源化利用途径很多，各行业的研究机构从自身擅长的研究领域 出发已开展了大量的研究工作，如纸面石膏板、底层抹灰石膏、砌块、条板等石 膏建材制品已经彻底摆脱了对天然石膏的依赖。工业副产石膏利用量持续增加， 但在未来相当长的时期内，我国工业副产石膏受资源化利用途径、市场等方面因 素影响，还不可能做到100％消化利用。工业副产石膏特别是磷石膏、钛石膏等 杂质含量高、地理位置不利，且技术支撑能力不足、时税政策支持力度不够，一 些副产石膏利用产品尚未列入税收优惠目录，这些影响因素很大程度上制约了副 产石膏综合利用的深入发展。

我国钛白粉90％以上由硫酸法生产，生产过程中产生大量酸性废水。酸性废 水主要来自于偏钛酸水洗、酸解、煅烧废气冷却洗涤废水、以及清洗设备和操作 场地的含酸废水等，通常采用加入石灰(或电石渣)来中和酸性废水，这就产生了 以二水石膏为主要成分的副产物，即钛石膏。

目前，钛石膏绝大部分采用渣场堆存方式处置，钛白粉企业每年需要消耗巨 额堆场建设维护费用。由于钛石膏综合利用率较低，大量的钛石膏排放严重制约 了我国钛白粉行业的健康发展，2019年我国钛白粉产量约300万吨，若按每产1 吨钛白粉副产8吨钛石膏(干基)来计算，钛石膏的年排放量约2400万吨。截至 2019年，历年累积钛石膏堆存量已近2亿吨。钛石膏的大量堆存不仅占用大量 耕地，还会对土壤、水源等带来巨大污染风险。虽然国内有很多钛石膏综合利用 的技术和文献，但因钛石膏的质量参差不齐，很难达到质量稳定的要求，因此市 场认可度较差，严重影响了钛石膏综合利用。

目前，钛石膏的应用领域主要为制备水泥缓凝剂，生产纸面石膏板、石膏砌 块、粉刷石膏和石膏腻子等石膏建材，制备复合胶结材料，制备路基回填材料或 用于土壤改良剂，也有一些报道将钛石膏用作水泥砂浆，如中国专利申请 201911366347.7中公开了一种钛石膏建筑水泥砂浆及其制备方法，包括以下制 备步骤，废酸浓缩、钛石膏制备、降低钛石膏含水率、材料选择、混合搅拌和产 品成型。该制备方法采用新型降低钛石膏含水率的方法，降低分离了石膏与铁盐， 改变了石膏的颜色，由红、黄色变为白色，改变了石膏含水量高、粘度大、杂质 含量高等缺点，但是该申请并没有关注砂浆的抗开裂能力和砂浆的稳定性；

再如，中国专利申请202010397583.1中公开了一种少孔隙抗裂砂浆及其制 备方法，所述混砂浆包括以下组分：650-700份炉底渣，220-240份粒化高炉矿 渣粉，48-50份钛石膏，10-12份硅酸盐水泥熟料，6-8份玻璃粉，4-6份重钙， 3-5份改性减水剂，1-3份改性蛭石，0.3-0.5份十二烷基苯磺酸钠，600-700份水。 该发明通过实现添加成分的调整与改性，实现砂浆整体的配方优化，消除砂浆成 型过程中的孔隙缺陷，延长水泥水化的有效时间，及时消除内部热应力，提升模 型的抗尺寸收缩与抗开裂能力，但是依然没有关注砂浆的稳定性。

因此，需要开发一种同时具有优异抗压强度、抗折强度，较好抗尺寸收缩与 抗开裂能力，且稳定性好，砂浆材料分离度低的钛石膏水泥砂浆。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水泥砂浆及其制备方法，通过各种原料之间的相 互作用，提高水泥砂浆的抗压强度和抗折强度，使砂浆具有较好抗尺寸收缩与抗 开裂能力，并且所制备的砂浆稳定性好，砂浆材料分离度低，提高砂浆的保水性。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水泥砂浆，按重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥10-20％，粉 煤灰10-15％，石英砂40-60％，减水剂5-10％，增稠剂5-15％，缓凝剂4-8％和水 余量。

优选地，所述的水泥砂浆，按重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥 12-18％，粉煤灰12-15％，石英砂45-55％，减水剂6-8％，增稠剂8-12％，缓凝 剂5-6％和水余量。

所述的粉煤灰的粒径为30-50μm和60-100μm；

所述的粉煤灰为：

30-50μm 10-30％；

60-100μm 余量；

所述的减水剂选自木质素磺酸盐类减水剂，所述的木质素磺酸盐类减水剂为 木质素磺酸钙、木质素磺酸钠和木质素磺酸镁中的一种或几种。

所述的增稠剂季铵盐与无机增稠剂的混合物；

所述的季铵盐选自烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐、烷基二甲基苄基季 铵盐烷基二甲基苄基季铵盐和烷基二甲基羟乙基季铵盐烷基二甲基羟乙基季铵 盐中的一种或几种；

优选地，所述的季铵盐选自烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐或/和烷基 二甲基羟乙基季铵盐烷基二甲基羟乙基季铵盐；

再优选地，所述的季铵盐为烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐；

所述的无机增稠剂选自膨润土、凹凸棒土、硅酸铝和黏土中的一种或几种；

优选地，所述的无机增稠剂选自膨润土、凹凸棒土和黏土中的一种或几种；

再优选地，所述的无机增稠剂为膨润土。

在一些优选实施方案中，所述的增稠剂为质量比1:2-4的烷基三甲基季铵盐 烷基三甲基季铵盐与膨润土的混合物。

所述的缓凝剂为钛石膏，所述的钛石膏中CaSO

所述的钛石膏通过以下方法制备：

(1)收集钛白酸性废水转入调节池中混合均匀，将混合均匀的钛白酸性废 水转入一级中和池中加入药剂A进行一级中和，调节pH为3-4，得到一级中和 液；

(2)将步骤(1)中得到的一级中和液转入二级中和池中加入药剂B进行 二级中和，调节pH为7-9，得到二级中和液；

(3)将步骤(2)中得到的二级中和液转入曝气池中，并充入压缩空气，得 到混合物A；

(4)将混合物A转入浓密池，并将底部浆料转入高压压干机压干，即得到 所需钛石膏。

上述步骤(1)中所述的一级中和池中所加药剂A为碳酸钙；

上述步骤(2)中所述的二级中和池所加药剂B为氢氧化钙；

上述步骤(3)中所述的曝气池中还需加入絮凝剂，所述的絮凝剂为聚丙烯 酰胺。

本发明在实施过程中意外地发现在钛白酸性废水进行一级中和过程中向一 级中和池中加入部分晶种会有利于钛石膏的形成，使得到的钛石膏的质量明显提 高，使钛石膏中CaSO

其中，所述的晶种为步骤(2)中所述的二级中和液；所述的晶种的加入量 按照钛白酸性废水中的钛石膏的含量计为2-5％。

所述的增稠剂和缓凝剂的质量比为0.5-3:1；

优选地，所述的增稠剂和缓凝剂的质量比为1-3:1；

再优选地，所述的增稠剂和缓凝剂的质量比为2:1。

本发明还提供了上述水泥砂浆的制备方法，包括以下步骤：

S1、将减水剂、增稠剂、缓凝剂和20％的配方量的水混合，搅拌均匀，得 到混合物M；

S2、向步骤S1得到的混合物M中加入普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和 剩余量的水搅拌均匀，即得所述水泥砂浆。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明在实施过程中将粉煤灰进行分级与其他组分混合，提高了水泥 砂浆的强度，使砂浆的抗压强度和抗折强度均有一定程度的提高；

(2)本发明采用钛石膏作为缓凝剂，一方面提高了钛石膏的资源利用，另 一方面，本发明公开所使用的钛石膏的制备方法，采用本发明提供的制备方法制 备的钛石膏缓凝效果好，其中，所述的增稠剂为质量比1:2-4的烷基三甲基季铵 盐烷基三甲基季铵盐与膨润土的混合物，能够明显提高水泥砂浆的耐候性，通过 控制缓凝剂与增稠剂的质量比，明显提高了水泥砂浆的稳定性和保水性能，砂浆 材料分离度低；并且是砂浆具有较好抗尺寸收缩与抗开裂能力。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明进一步说明。

基础实施例一种钛石膏的制备方法

包括以下步骤：

(1)收集钛白酸性废水转入调节池中混合均匀，将混合均匀的钛白酸性废 水和晶种一同转入一级中和池中加入碳酸钙进行一级中和，调节pH为3-4，得 到一级中和液；

(2)将步骤(1)中得到的一级中和液转入二级中和池中加入氢氧化钙进行 二级中和，调节pH为7-9，得到二级中和液；

(3)将步骤(2)中得到的二级中和液转入曝气池中加聚丙烯酰胺，并充入 压缩空气，得到混合物A；

(4)将混合物A转入浓密池，并将底部浆料转入高压压干机压干，即得到 所需钛石膏。

上述步骤(1)中所添加的晶种为提前制备的二级中和液，所述的晶种的加 入量按照钛白酸性废水中的钛石膏的含量计为2-5％。

实施例1一种水泥砂浆

按重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥10％，粉煤灰10％，石英砂 40％，木质素磺酸钙5％，烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐1％，膨润土4％， 钛石膏4％和水余量。

所述的粉煤灰为：

30-50μm 10％；

60-100μm 90％；

所述的钛石膏按基础实施例的方法制备，钛石膏中CaSO

制备方法，包括以下步骤：

S1、将木质素磺酸钙、烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐、膨润土、钛石 膏和20％的配方量的水混合，搅拌均匀，得到混合物M；

S2、向步骤S1得到的混合物M中加入普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和 剩余量的水搅拌均匀，即得所述水泥砂浆。

实施例2一种水泥砂浆

按重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥20％，粉煤灰15％，石英砂 60％，木质素磺酸钠5％，烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐2.5％，膨润土 7.5％，钛石膏8％和水余量。

所述的粉煤灰为：

30-50μm 30％；

60-100μm 70％；

所述的钛石膏按基础实施例的方法制备，钛石膏中CaSO

制备方法，包括以下步骤：

S1、将木质素磺酸钠、烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐、膨润土、钛石 膏和20％的配方量的水混合，搅拌均匀，得到混合物M；

S2、向步骤S1得到的混合物M中加入普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和 剩余量的水搅拌均匀，即得所述水泥砂浆。

实施例3一种水泥砂浆

按重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥12％，粉煤灰12％，石英砂 45％，木质素磺酸钠6％，烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐4％，膨润土8％， 钛石膏5％和水余量。

所述的粉煤灰为：

30-50μm 20％；

60-100μm 80％；

所述的钛石膏按基础实施例的方法制备，钛石膏中CaSO

制备方法，包括以下步骤：

S1、将木质素磺酸钠、烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐、膨润土、钛石 膏和20％的配方量的水混合，搅拌均匀，得到混合物M；

S2、向步骤S1得到的混合物M中加入普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和 剩余量的水搅拌均匀，即得所述水泥砂浆。

实施例4一种水泥砂浆

按重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥18％，粉煤灰15％，石英砂 55％，木质素磺酸镁8％，烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐2％，膨润土6％， 钛石膏6％和水余量。

所述的粉煤灰为：

30-50μm 25％；

60-100μm 75％；

所述的钛石膏按基础实施例的方法制备，钛石膏中CaSO

制备方法，包括以下步骤：

S1、将木质素磺酸镁、烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐、膨润土、钛石 膏和20％的配方量的水混合，搅拌均匀，得到混合物M；

S2、向步骤S1得到的混合物M中加入普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和 剩余量的水搅拌均匀，即得所述水泥砂浆。

实施例5一种水泥砂浆

按重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥15％，粉煤灰12％，石英砂 50％，木质素磺酸钠8％，烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐3％，膨润土9％， 钛石膏6％和水余量。

所述的粉煤灰为：

30-50μm 30％；

60-100μm 70％；

所述的钛石膏按基础实施例的方法制备，钛石膏中CaSO

制备方法，包括以下步骤：

S1、将木质素磺酸钠、烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐、膨润土、钛石 膏和20％的配方量的水混合，搅拌均匀，得到混合物M；

S2、向步骤S1得到的混合物M中加入普通硅酸盐水泥、粉煤灰、石英砂和 剩余量的水搅拌均匀，即得所述水泥砂浆。

对比例1

与实施例5的区别在于：普通硅酸盐水泥15％，粉煤灰12％，石英砂50％， 木质素磺酸钠8％，烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐12％，钛石膏6％和水 余量；其他操作和步骤与实施例5相同。

对比例2

与实施例5的区别在于：普通硅酸盐水泥15％，粉煤灰12％，石英砂50％， 木质素磺酸钠8％，烷基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐9％，膨润土3％，钛石 膏6％和水余量；其他操作和步骤与实施例5相同。

对比例3

与实施例5的区别在于：使用的钛石膏为商业购买钛石膏，含CaSO

对比例4

与实施例5的区别在于：在制备钛石膏的时候没有加入晶种，制备得到的钛 石膏中CaSO

对比例5与实施例5的区别在于：增稠剂和缓凝剂的质量比为0.2:1，即烷 基三甲基季铵盐烷基三甲基季铵盐0.75％，膨润土2.25％，钛石膏15％；其他操 作和步骤与实施例5相同。

对比例6

与实施例5的区别在于：增稠剂和缓凝剂的质量比为4:1，即烷基三甲基季 铵盐烷基三甲基季铵盐3.6％，膨润土10.8％，钛石膏3.6％；其他操作和步骤与 实施例5相同。

效果试验

以下对上述实施例和对比例制备的水泥砂浆进行相关性能测试

效果试验1、抗压强度、抗折强度和收缩率测试

表1

根据上表1的检测数据可以看出，本发明实施例1-5制备的砂浆具有较好的 抗压强度和抗折强度，较低的收缩率，尤其是实施例5制备的水泥砂浆的强度性 能最好；根据对比例1-2中改变各组分的具体种类或质量比，或对比例3-4使用 其他钛石膏，或改变增稠剂和缓凝剂的质量比制备得到的水泥砂浆的强度性能均 不如本发明。

效果试验2、耐候性试验检测

检测方法：参照标准JG149-2003《膨胀聚苯板薄抹灰砂浆外墙保温系统》 进行热雨循环，测出抗折强度降低率和抗压强度损失率

表2

根据上表2的检测数据可知，本发明实施例1-5制备的砂浆具有较好的耐候 性，尤其是实施例5制备的水泥砂浆的耐候性能最好；根据对比例1-2中改变各 组分的具体种类或质量比，或对比例3-4使用其他钛石膏，或改变增稠剂和缓凝 剂的质量比制备得到的水泥砂浆的耐候性能均不如本发明，尤其是改变钛石膏的 种类或制备方法，得到的砂浆的耐候性明显降低。

效果试验3、保水性试验检测

测试方法：依据JC/T1023-2007标准测试对砂浆流动度损失进行测定。

表3

根据上表3的检测数据可知，本发明实施例1-5制备的砂浆30minde流动损 失≤1mm，说明制备的水泥砂浆具有较好的保水性，尤其是实施例5制备的水泥 砂浆的保水性能最好；根据对比例1-2中改变各组分的具体种类或质量比，或对 比例3-4使用其他钛石膏，或改变增稠剂和缓凝剂的质量比制备得到的水泥砂浆 的保水性能均不如本发明，尤其是改变钛石膏的种类或制备方法，得到的砂浆的 保水性明显降低。

上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非 用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含 于本发明技术方案的范围内。