CN102180606A - 一种类地聚合物水泥及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种类地聚合物水泥及其制备方法。其方案是按下述各组分制备：石煤提钒尾矿为62～73wt％、固体碱金属氢氧化物为5～10wt％、固体铝酸钠为7～11wt％、超细活性微硅粉为8～16wt％和偏高岭土为6～13wt％。制备步骤是：先向石煤提钒尾矿中加固体碱金属氢氧化物，搅拌，干法球磨和煅烧；再向其中加入固体铝酸钠、超细活性微硅粉和偏高岭土，搅拌，干法球磨后制得类地聚合物水泥成品；使用时向该水泥成品中加水，边搅拌边注浆，室温下形成硬化浆体。本发明具有操作简单、成本低和对容器及人体的化学腐蚀程度低的特点，所制备的类地聚合物水泥的硬化浆体抗压强度和抗折强度高，对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。

Description

一种类地聚合物水泥及其制备方法
技术领域
本发明属于地聚合物技术领域，具体涉及一种类地聚合物水泥及其制备方法。
背景技术
随着人类对资源的不断开发以及环保意识的不断强化，未来材料总的发展趋势为逐步由非金属材料部分地替代金属材料，而在非金属材料中，无机材料在许多领域中将越来越多地取代有机材料。由蕴藏量极其丰富而价廉的无机矿物制备无毒、耐高温、高强度的无机材料是当今世界材料学研究的重要方向之一。地聚合物是一类新型的高性能无机聚合物材料，是碱激活胶凝材料中最具前途的一类。地聚合物的性能独特，在建筑材料、固废材料、密封材料和耐高温材料等方面均显示出巨大的应用前景。
在国内外制备地聚合物的工艺中，一般是通过偏高岭土、粉煤灰等活性Si-Al质原材料在溶液状态的碱性激发剂(例如氢氧化钠、氢氧化钾、硅酸钠、硅酸钾等)作用下形成具有一定强度、且具有三维网状结构的无机聚合物(徐宇晴，齐季，于淏.一种新的制备地聚合物材料的方法[P].CN 200710003404.6，2007；S.Andini，R.Cioffi，F.Colangelo，et al.Coal fly ashas raw material for the manufacture of geopolymer-based products[J].Waste Management，2008，28：416～423)，即为“地聚合物”。由于其生产过程避开了生产普通硅酸盐水泥那样需要大量消耗资源和能源，基本不排放CO2，而且可以以工业生产中废弃的固体硅铝质材料为原料，因而地聚合物材料已经引起越来越多的材料研究者的关注。但在传统的制备地聚合物工艺中包含“配制碱激发剂溶液”这一步骤，由于具有粘稠性和强碱性的碱激发剂溶液对盛装容器以及人体均易造成化学腐蚀，且临时配制碱激发剂溶液过程繁琐，又加上针对不同的硅铝原材料，水和固体碱激发剂的加入量无统一标准，所以，这无形中给地聚合物的大面积推广应用带来极大困难。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、成本低的类地聚合物水泥及其硬化浆体的制备方法；用该方法制备的类地聚合物水泥可大大降低生产和使用过程中对容器和人体造成的化学腐蚀程度，且硬化浆体的抗压强度和抗折强度高，对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，类地聚合物水泥的组分及其含量为：
石煤提钒尾矿          62～73wt％；
固体碱金属氢氧化物    5～10wt％；
固体铝酸钠            7～11wt％；
超细活性微硅粉        8～16wt％；
偏高岭土              6～13wt％；
按上述组分及其含量，该类地聚合物水泥的制备步骤是：
第一步、向石煤提钒尾矿中添加固体碱金属氢氧化物，机械搅拌5～10分钟，再置于球磨机中干法球磨10～15分钟，制得球磨料；
第二步、将球磨料放入马弗炉中煅烧，温度为300～600℃；保温2～4小时，制得煅烧料；
第三步、将煅烧料置于室温下冷却，然后向其中加入固体铝酸钠、超细活性微硅粉和偏高岭土，机械搅拌5～10分钟，制得混合料；
第四步、将混合料放入球磨机中干法球磨10～15分钟，制得类地聚合物水泥。
在上述技术方案中：石煤提钒尾矿中SiO2的含量为65～85wt％，Al2O3的含量为5～20wt％；粒径小于0.074mm；固体碱金属氢氧化物为氢氧化钠、或为氢氧化钾、或为氢氧化钠和氢氧化钾的混合物；超细活性微硅粉中SiO2的含量为95％以上，BET比表面积为20～40m2/g；偏高岭土中SiO2的含量为50～55wt％，Al2O3的含量为42～47wt％。
所述的类地聚合物水泥的硬化浆体的制备方法是，向所制得的类地聚合物水泥中加入水，水与类地聚合物水泥的质量比例为1∶(2～3)，边搅拌，边注浆，在室温下形成硬化浆体。
由于采用上述技术方案，本发明在原料的使用上采用废弃的石煤提钒尾矿为主要原料，不仅解决了石煤提钒尾矿的堆放问题，而且拓宽了制备地聚合物水泥的原料来源。本发明工艺简单，在制备过程中省去“配制碱激发剂溶液”这一步骤，因而对盛装容器和人体造成的化学腐蚀程度大大降低。
本发明所制备的类地聚合物水泥在使用前可像普通硅酸盐水泥一样存放；在使用时只需添加一定量的水便可形成结构类似于地聚合物的硬化浆体，操作简单，硬化浆体的3天抗压强度可达到30MPa以上，3天抗折强度可达4.5MPa以上，28天抗压强度可达到50MPa以上，28天抗折强度可达到8.5MPa以上，且对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。
因此，本发明具有操作简单、成本低和对盛装容器和人体造成的化学腐蚀程度低的特点，所制备的类地聚合物水泥的硬化浆体不仅抗压强度和抗折强度高，而且对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的描述，并非对其保护范围的限制：
为避免重复，先将本具体实施方式所要涉及到的原料统一描述如下：石煤提钒尾矿中SiO2的含量为65～85wt％，Al2O3的含量为5～20wt％，粒径小于0.074mm；超细活性微硅粉中SiO2的含量为95％以上，BET比表面积为20～40m2/g；偏高岭土中SiO2的含量为50～55wt％，Al2O3的含量为42～47wt％。具体实施例中不再赘述。
实施例1
一种类地聚合物水泥及其制备方法。类地聚合物水泥的组分及其含量为：
石煤提钒尾矿    62～68wt％；
固体氢氧化钠    5～7wt％；
固体铝酸钠      9～11wt％；
超细活性微硅粉  8～12wt％；
偏高岭土        6～9wt％；
按上述组分及其含量，该类地聚合物水泥的制备步骤是：
第一步、向石煤提钒尾矿中添加固体氢氧化钠，机械搅拌5～10分钟，再置于球磨机中干法球磨10～15分钟，制得球磨料；
第二步、将球磨料放入马弗炉中煅烧，温度为300～400℃；保温3～4小时，制得煅烧料；
第三步、将煅烧料置于室温下冷却，然后向其中加入固体铝酸钠、超细活性微硅粉和偏高岭土，机械搅拌5～10分钟，制得混合料；
第四步、将混合料放入球磨机中干法球磨10～15分钟，制得类地聚合物水泥。
所述的类地聚合物水泥的硬化浆体的制备方法是，向所制得的类地聚合物水泥中加入水，水与类地聚合物水泥的质量比例为1∶(2～3)，边搅拌，边注浆，在室温下形成硬化浆体。
本实施例在操作过程中对盛装容器和人体造成的化学腐蚀程度低，硬化浆体的3天抗压强度可达到30MPa以上，3天抗折强度可达4.5MPa以上，28天抗压强度可达到50MPa以上，28天抗折强度可达到8.5MPa以上，且对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。
实施例2
一种类地聚合物水泥及其制备方法。类地聚合物水泥的组分及其含量为：
石煤提钒尾矿    68～73wt％；
固体氢氧化钾    5～7wt％；
固体铝酸钠      7～9wt％；
超细活性微硅粉  8～12wt％；
偏高岭土        6～9wt％；
按上述组分及其含量，该类地聚合物水泥的制备步骤是：
第一步、向石煤提钒尾矿中添加固体氢氧化钾，机械搅拌5～10分钟，再置于球磨机中干法球磨10～15分钟，制得球磨料；
第二步、将球磨料放入马弗炉中煅烧，温度为400～500℃；保温3～4小时，制得煅烧料；
第三步、将煅烧料置于室温下冷却，然后向其中加入固体铝酸钠、超细活性微硅粉和偏高岭土，机械搅拌5～10分钟，制得混合料；
第四步、将混合料放入球磨机中干法球磨10～15分钟，制得类地聚合物水泥。
所述的类地聚合物水泥的硬化浆体的制备方法是，向所制得的类地聚合物水泥中加入水，水与类地聚合物水泥的质量比例为1∶(2～3)，边搅拌，边注浆，在室温下形成硬化浆体。
本实施例在操作过程中对盛装容器和人体造成的化学腐蚀程度低，硬化浆体的3天抗压强度可达到33MPa以上，3天抗折强度可达5MPa以上，28天抗压强度可达到55MPa以上，28天抗折强度可达到9MPa以上，且对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。
实施例3
一种类地聚合物水泥及其制备方法。类地聚合物水泥的组分及其含量为：
石煤提钒尾矿                          62～68wt％；
固体氢氧化钠和固体氢氧化钾的混合物    5～7wt％；
固体铝酸钠                            7～9wt％；
超细活性微硅粉                        12～16wt％；
偏高岭土                              6～9wt％；
按上述组分及其含量，该类地聚合物水泥的制备步骤是：
第一步、向石煤提钒尾矿中添加固体氢氧化钠和固体氢氧化钾的混合物，机械搅拌5～10分钟，再置于球磨机中干法球磨10～15分钟，制得球磨料；
第二步、将球磨料放入马弗炉中煅烧，温度为500～600℃；保温2～3小时，制得煅烧料；
第三步、将煅烧料置于室温下冷却，然后向其中加入固体铝酸钠、超细活性微硅粉和偏高岭土，机械搅拌5～10分钟，制得混合料；
第四步、将混合料放入球磨机中干法球磨10～15分钟，制得类地聚合物水泥。
所述的类地聚合物水泥的硬化浆体的制备方法是，向所制得的类地聚合物水泥中加入水，水与类地聚合物水泥的质量比例为1∶(2～3)，边搅拌，边注浆，在室温下形成硬化浆体。
本实施例在操作过程中对盛装容器和人体造成的化学腐蚀程度低，硬化浆体的3天抗压强度可达到35MPa以上，3天抗折强度可达5.5MPa以上，28天抗压强度可达到57MPa以上，28天抗折强度可达到9.5MPa以上，且对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。
实施例4
一种类地聚合物水泥及其制备方法。类地聚合物水泥的组分及其含量为：
石煤提钒尾矿                         62～68wt％；
固体氢氧化钠和固体氢氧化钾的混合物   7～10wt％；
固体铝酸钠                           7～9wt％；
超细活性微硅粉                       8～12wt％；
偏高岭土                             9～13wt％；
按上述组分及其含量，本实施例中类地聚合物水泥的制备步骤及其硬化浆体的制备方法同实施例3
本实施例在操作过程中对盛装容器和人体造成的化学腐蚀程度低，硬化浆体的3天抗压强度可达到35MPa以上，3天抗折强度可达5MPa以上，28天抗压强度可达到55MPa以上，28天抗折强度可达到9.5MPa以上，且对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。
实施例5
一种类地聚合物水泥及其制备方法。类地聚合物水泥的组分及其含量为：
石煤提钒尾矿                        68～73wt％；
固体氢氧化钠和固体氢氧化钾的混合物  5～7wt％；
固体铝酸钠                          7～9wt％；
超细活性微硅粉                      8～12wt％；
偏高岭土                            6～9wt％。
按上述组分及其含量，本实施例中类地聚合物水泥的制备步骤及其硬化浆体的制备方法同实施例3。
本实施例在操作过程中对盛装容器和人体造成的化学腐蚀程度低，硬化浆体的3天抗压强度可达到30MPa以上，3天抗折强度可达4.5MPa以上，28天抗压强度可达到50MPa以上，28天抗折强度可达到8.5MPa以上，且对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。
本具体实施方式在原料的使用上采用废弃的石煤提钒尾矿为主要原料，不仅解决了石煤提钒尾矿的堆放问题，而且拓宽了制备地聚合物水泥的原料来源。本具体实施方式工艺简单，在制备过程中省去“配制碱激发剂溶液”这一步骤，因而对盛装容器和人体造成的化学腐蚀程度大大降低。
本具体实施方式所制备的类地聚合物水泥在使用前可像普通硅酸盐水泥一样存放；在使用时只需添加一定量的水便可形成结构类似于地聚合物的硬化浆体，操作简单，硬化浆体的3天抗压强度可达到30MPa以上，3天抗折强度可达4.5MPa以上，28天抗压强度可达到50MPa以上，28天抗折强度可达到8.5MPa以上，且对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。
因此，本具体实施方式具有操作简单、成本低和对盛装容器和人体造成的化学腐蚀程度低的特点，所制备的类地聚合物水泥的硬化浆体不仅抗压强度和抗折强度高，而且对硫酸盐浸蚀、水浸蚀、碱-集料反应抵抗力强，抗干缩性好。

Claims (7)

1.一种类地聚合物水泥的制备方法，其特征在于该类地聚合物水泥的组分及其含量是：
石煤提钒尾矿          62～73wt％；
固体碱金属氢氧化物    5～10wt％；
固体铝酸钠            7～11wt％；
超细活性微硅粉        8～16wt％；
偏高岭土              6～13wt％；
该类地聚合物水泥的制备步骤是，按上述组分及其含量：
第一步、向石煤提钒尾矿中添加固体碱金属氢氧化物，机械搅拌5～10分钟，再置于球磨机中干法球磨10～15分钟，制得球磨料；
第二步、将球磨料放入马弗炉中煅烧，温度为300～600℃；保温2～4小时，制得煅烧料；
第三步、将煅烧料置于室温下冷却，然后向其中加入固体铝酸钠、超细活性微硅粉和偏高岭土，机械搅拌5～10分钟，制得混合料；
第四步、将混合料放入球磨机中干法球磨10～15分钟，制得类地聚合物水泥。
2.根据权利要求1所述的类地聚合物水泥的制备方法，其特征在于所述的石煤提钒尾矿中SiO2的含量为65～85wt％，Al2O3的含量为5～20wt％；粒径小于0.074mm。
3.根据权利要求1所述的类地聚合物水泥的制备方法，其特征在于所述的固体碱金属氢氧化物为氢氧化钠、或为氢氧化钾、或为氢氧化钠和氢氧化钾的混合物。
4.根据权利要求1所述的类地聚合物水泥的制备方法，其特征在于所述的超细活性微硅粉中SiO2的含量为95％以上，BET比表面积为20～40m2/g。
5.根据权利要求1所述的类地聚合物水泥的制备方法，其特征在于所述的偏高岭土中SiO2的含量为50～55wt％，Al2O3的含量为42～47wt％。
6.根据权利要求1～5项中的任一项所述的类地聚合物水泥的制备方法所制备的类地聚合物水泥。
7.如权利要求1所述的一种类地聚合物水泥的硬化浆体制备方法，其特征在于向所制得的类地聚合物水泥中加入水，水与类地聚合物水泥的质量比例为1∶(2～3)，边搅拌，边注浆，在室温下形成硬化浆体。
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