用于生产水泥熟料替代物的方法技术领域
本发明涉及以天然的和/或合成的、含沸石的火山灰和/或粘土形式
的起始材料生产水泥熟料替代物的方法。
背景技术
水泥在混凝土和砂浆的生产中用作粘合剂并主要由水泥熟料组
成，水泥熟料在其生产中引起高CO2的排放。针对节约CO2的背景，
愈发常见将水泥熟料替代物混合至水泥中，因为对于它们来说在热处
理过程中排放很少或不排放物质(materialbedingtes)CO2，并且由于它们
的活化需要较低的温度水平，相对于水泥熟料也具有较低的能量需求，
因此带来CO2输出的降低。在这方面特别适合的是天然存在的粘土或
含沸石的火山灰，通过有针对性的热处理，可以将其转变为具有火山
灰性质的物质，并且可以特别地用作水泥熟料替代物。
然而，当在建筑材料中技术上地使用时，以这种方式生产的水泥
熟料替代物的缺点是显著增加的需水量(w/z指数)，特别地导致早期
强度和新拌混凝土的可加工性的退化。由于需水量上升，观察到不太
有利的强度发展。
发明内容
因此，本发明的目的是实现水泥熟料替代物的需水量的显著降低，
优选使其在纯OPC水泥的数量级以内，从而允许强度，特别是早期强
度的增加。
具体实施方式
根据本发明，这个目的通过用于生产水泥熟料替代物的方法而实
现，所述方法通过提供以单独天然粘土形式的起始材料，或与抑或单
独天然的或合成的、含沸石的火山灰，并在500-1200℃的温度范围，
将作为用于生产水泥熟料替代物的起始材料进行热处理。此处，在起
始材料的热处理之前和/或期间，加入至少一种熔剂，其在实际热处理
期间降低水泥熟料替代物的比表面积。特别地，由于熔剂，在熟料替
代物中对于需水量不利的开孔变为烧结粘土，并且部分至完全的熔化
导致沸石矿物的骨架结构的坍塌。
熔剂的另一个作用是降低熔点，从而促进热处理(特别是在回转
窑或气流床反应器中的热处理)期间熔体的形成。这导致含粘土的和/
或含沸石的颗粒更早的和/或更好的熔化，因此结晶作用蒸发的水可以
从塑化的微结构中更快地或更完全地逸出，由于熔体比例的增加，开
孔泡沫结构坍塌，从而抑制永久空穴的形成。
由于熔剂的加入，水泥熟料替代物的需水量可以降低6.5％或更多。
作为用于评估熔剂对加工能力影响的测量变量，使用水/水泥指数。所
述水/水泥指数基于ASTMC1437-07和C230进行测定。在这种情况下
所测定的量为获得110％的坍落度所需要的水量。在下文中，这个变量
被称为w/z指数。
本发明另外的实施方案是从属权利要求的主题。根据本发明一个
优选的实施方案，至少一种熔剂选自碱金属化合物或碱土金属化合物
和/或这些化合物的混合物。这里的至少一种熔剂可以更特别地选自碱
金属氧化物和/或碱土金属氧化物或碱性碱金属-碱土金属卤化物或碱
金属氢氧化物和/或碱土金属氢氧化物或碱金属硫酸盐和/或碱土金属
硫酸盐或碱金属碳酸盐和/或碱土金属碳酸盐、或过渡金属的氧化物(例
如，FeO、Fe2O3)、和/或这些组的混合物。
至少一种熔剂可以进一步包含铝盐、铁盐、或锌盐，或有机酸(特
别是羧酸)的盐，和/或它们的混合物。此外，至少一种熔剂可以为相
对于所应用的原材料具有0.1至0.52重量％，优选0.2至0.4重量％，
更优选0.25至0.35重量％的比例的至少一种氯化物。
以溶液形式的加入特别地确保了由于在窑/反应器的气氛中固体的
低体积比例，在粘土颗粒或沸石自身上获得效果。在干燥加入的情况
下，这种效果可以通过充分混合或联合碾磨，或通过颗粒表面的电化
学修饰而获得。
可以特别地在气流床反应器中或在窑(更特别地回转窑)中，或
在流化床中进行热处理。在这里可以使用优选650至1000℃，最优选
830至950℃的温度。
预期的起始材料特别地包括，含粘土矿物的物质和/或含沸石的物
质，例如高岭土或经沸石处理的天然火山灰。熔剂的比例优选为0.1
至5重量％，优选1至2.5重量％，更优选1.2至1.8重量％。
优选在热处理之前将至少一种熔剂与起始材料混合。也可以将至
少一种熔剂与液体一起或者以干燥的形式加入至起始材料中。此外可
以考虑的是，在热处理之前将起始材料和至少一种熔剂的混合物静电
充电，使得熔剂积聚在表面，并促进水泥熟料替代物比表面积的减小。
进一步可以考虑的是，在热处理之前将凝聚剂加入至起始材料和至少
一种熔剂的混合物中。由于这种凝聚剂，在凝聚物中形成了更高的内
表面积，并且反过来引起熔剂和待煅烧的含粘土或含沸石的材料之间
更大的粘合，并且还提供熔剂和待煅烧的材料之间更强烈的相互作用。
特别地，未经处理的粘土和含沸石的火山灰的开孔结构对于需水
量是无益的，因此对于未经处理的原材料的加工性能也是无益的。由
于熔剂的加入，通常多孔的起始材料颗粒在热操作中表面变为封闭，
因此，在随后的处理过程中，首先获得粘合剂，然后在混凝土中，在
内表面区域占据和吸收更少的水。由于熔剂的加入，发现所生产的水
泥熟料替代物具有显著更好的加工性质。特别地，对于相同或相似的
水的加入，其加工性能接近常规的OPC水泥的加工性能。此外，由于
稀释的“水和/或增塑剂”的分配，早期强度得以增加。然而，熔剂的
加入也可以用于调整含沸石的火山灰的需水量。不经热处理，这些火
山灰在开放骨架结构中吸收水分，因此降低了加工能力。通过在水泥
熟料替代物的热处理之前和/或期间加入熔剂，这些物质的需水量也通
过沸石的部分熔化而降低。
作为选自碱金属盐的熔剂，特别地考虑以下物质：
KCl、K2SO4、K2S、K2CO3、KF、KNO3、K2CO3、K3PO4、K2BO3、
K2O等，或者NaCl、Na2SO4、Na2SO3、NaF、NaNO3、Na2CO3、Na3PO4、
Na2BO3、Na2O。考虑选自碱土金属化合物的示例包括CaF2、CaCl2、
CaSO4、CaS、CaCO3、CaF2、Ca(NO3)2、CaCO3、Ca3(PO4)2、CaBO3、
CaO等，或者MgF2、MgCl2、MgSO4、MgS、MgCO3、MgF2、Mg(NO3)2、
MgCO3、Mg3(PO4)2、MgBO3、MgO。
在本发明所依据的实验中，碳酸钠(Na2CO3)给出更低的w/z指
数的最佳值。
实施例1
在这个实施例中，所选择的起始材料为高岭土，加入1％的Na2CO3
作为熔剂。
在热处理之后，将约70％的CEMI和约30％的附着有熔剂的偏高
岭土混合，用于测定w/z指数。作为加入熔剂的结果，相比于经历无
熔剂处理的含偏高岭土的水泥(w/z指数＝0.618)，附着有熔剂的含偏
高岭土的水泥的w/z指数降低了4.7％。
实施例2
随着Na2CO3更高的加入(1.75％)，可以将w/z指数降低至0.58。
对于经历了无熔剂处理的含偏高岭土的水泥，从w/z值0.618开始，这
对应于6.1％的改进。
实施例3
在Na2CO3甚至更高的加入(2.5％)的情况下，相比于无熔剂高岭
土的处理，发现了w/z指数6.5％的改进。
实施例4
当使用氯化钠作为熔剂时，对于1％的加入，其w/z指数与加入1％
的Na2CO3的w/z指数处于同一量级，即为0.586。
熔剂的使用显著改进了以天然的和/或合成的、含沸石的火山灰和/
或粘土形式的起始材料的加工性能。其原因特别地在于熔剂的熔点降
低作用，因此即使在相对较低的温度也将颗粒的表面软化。
如上所述，在水泥处理中降低的需水量可以有助于早期强度的增
加，因此例如，有助于更早的形成模壳(Ausschalen)。这通过在水泥
熟料替代物的生产中使用熔剂，可以有意地控制或影响。此外，通过
在较低的温度水平下处理材料以获得期望的水泥熟料替代物的性能，
熔剂的使用允许某些水泥熟料替代物的能源优化生产。