CN106866052A

CN106866052A - 一种赤泥‑矿渣地质聚合物及其制备方法

Info

Publication number: CN106866052A
Application number: CN201710126301.2A
Authority: CN
Inventors: 罗忠涛; 康少杰; 张美香; 刘垒; 刘正辉; 王亚洲
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2017-02-07
Filing date: 2017-03-06
Publication date: 2017-06-20
Anticipated expiration: 2037-03-06
Also published as: CN106866052B

Abstract

本发明公开了一种赤泥‑矿渣地质聚合物及其制备方法，该赤泥‑矿渣地质聚合物是以赤泥和矿渣为主要原料经复合碱激发剂激发而成。该发明实现了对赤泥、矿渣两种工业固体废弃物尤其是赤泥的高效利用，并且该发明具有可进行连续化生产，工艺过程简单，成本低，无二次污染，所得制品性能优良等诸多优点。

Description

一种赤泥-矿渣地质聚合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及地质聚合物领域，具体涉及一种赤泥-矿渣地质聚合物及其制备方法。

背景技术

赤泥是氧化铝冶炼过程中附带产生的一种强碱性固体废弃物，目前全球赤泥堆存量接近30亿吨，而其综合利用率却仅为15％左右。我国由于开发技术水平等因素的限制，对赤泥的综合利用效率还远不及此。大部分的赤泥只能利用大面积的堆场露天堆放，风干的赤泥产生的扬尘是造成当下局部雾霾天气的罪魁祸首之一，同时赤泥中的强碱性组分也对地下水***、土壤及地表植被等造成了严重污染和破坏。

赤泥中含有大量具有潜在活性的硅铝组分，这使得赤泥具有制备地质聚合物的潜质，同时以赤泥为原料制备地质聚合物可使赤泥中的碱转化为制备地质聚合物的有利物质。目前虽然在对赤泥制备地质聚合物上已有研究，但还存在缺陷，例如国内最新研究报道中有提及以赤泥作为原料制备地质聚合物，其手段是先对赤泥进行煅烧，然后再通过碱激发实现赤泥的二次聚合，然而煅烧过程使得生产成本大大提高而使其推广应用受到限制；还有就是在制备地质聚合物时将赤泥作为少量掺料使用，例如有研究以高性能偏高岭土、粉煤灰等作为基体，将赤泥掺量控制在20%以内，这对赤泥的消纳利用极为有限。

发明内容

本发明目的是在最大限度利用赤泥的前提下，提供一种以赤泥和矿渣为主要原料制成的具有理想抗压强度（7d抗压强度>20MPa，28d抗压强度>38MPa）的地质聚合物。

本发明的另一目的是提供一种赤泥-矿渣地质聚合物的制备方法，该方法操作工艺简单，成本低廉，可实现对赤泥的高效消纳利用。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种赤泥-矿渣地质聚合物，其是由赤泥和矿渣组成的复合粉体经复合碱激发剂激发而成，复合粉体与复合碱激发剂的质量比为1：0.6-0.85；其中复合粉体的质量百分比组成为：赤泥50%-70%和矿渣30%-50%，复合碱激发剂由水玻璃、氢氧化钠及水调配而得，其模数为1.0-2.0，固含量为18%-42%。

进一步优选，复合碱激发剂的模数为1.2-1.6，固含量为30%-38%。

所述赤泥的质量要求为：含水率≤3%，氧化钙含量≤15%，二氧化硅含量≤20%，氧化铝含量≤25%，粉磨后细度为75um筛筛余小于15%。

所述矿渣为高炉矿渣微粉，其质量要求为：氧化钙含量≤45%，二氧化硅含量≤35%，氧化铝含量≤12%，勃氏比表面积400-450m²/Kg。

所述水玻璃的质量要求为：波美度（°Bé）为50.4，氧化钠含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%。

赤泥-矿渣地质聚合物的制备方法，包括以下步骤：

1）复合粉体配制：选取赤泥、矿渣，然后将赤泥和矿渣按比例混合得到复合粉体，陈化备用；

2）复合碱激发剂配制：利用氢氧化钠溶液调整水玻璃的模数为1.0-2.0、固含量为18%-42%，备用；

调整水玻璃的模数和固含量时，先根据所购水玻璃的初始模数、固含量和目标模数、固含量来计算所需氢氧化钠和水的量，然后将氢氧化钠溶于水中，待氢氧化钠溶液冷却后加入所购水玻璃中制成复合碱激发剂；

3）按照水泥净浆制备工艺，将复合粉体与复合碱激发剂按1：0.6-0.85的质量比混合搅拌均匀，注入40mm*40mm*40mm的模具；

4）将步骤3）所得制品覆膜自然养护24h后拆模，所得试块在自然条件下洒水养护至一定龄期即得到赤泥-矿渣地质聚合物。

本发明具有以下优点和特点：

1、本发明是以赤泥和矿渣两种工业固体废弃物作为制备地质聚合物的原料，所用原料廉价易得，制备工艺简单，可实现连续化生产，具有良好的经济效益。

2、本发明是以赤泥作为主要原料，其掺量为50%-70%，打破了先前赤泥低掺量利用的局限，实现了对赤泥大掺量的消纳利用，为解决因赤泥堆放而带来的环境污染、土地占用等问题提供了有效途径，具有极大的社会效益。

3、本发明在复合碱激发剂的调配过程中对赤泥中的碱加以利用，制备出了力学性能良好的赤泥-矿渣地质聚合物，其比传统的水泥基胶凝材料有更好的耐久性。

4、本发明制备时在碱性环境中，矿渣微粉中的Ca-O断裂释放出的Ca²⁺与液相中的Si(OH)₄单体和Al(OH)₄ ^-单体反应，使得所制备的地质聚合物矿物相中含有大量的水钙沸石相，水钙沸石有分子筛之称，且该相宏观结构呈现为疏松多孔的三维网状结构。因此所制地质聚合物若用于重金属固化领域，可真正实现“以废治废”，既为赤泥的大掺量消纳利用指明了出路，也给重金属固化提供了简单易行且成本低廉的方法，实现了环境治理上的“双赢”。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明内容做进一步的说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例，实施例不应视作对本发明的限定。

实施例1：

1）原料选取：a.选取河南长城铝业公司某赤泥堆场块状赤泥，对其进行干燥粉磨处理，得到赤泥粉体，其含水率≤3%，氧化钙含量≤15%，二氧化硅含量≤20%，氧化铝含量≤25%，细度为75um筛筛余小于15%；

b. 矿渣为市售高炉矿渣，氧化钙含量≤45%，二氧化硅含量≤35%，氧化铝含量≤12%，勃氏比表面积430m²/Kg；

2）复合粉体制备：按质量取干燥粉磨后的赤泥粉体和矿渣微粉，赤泥粉体和矿渣微粉质量百分比分别为50%和50%，将两者干混得到复合粉体，陈化24h备用；

3）复合碱激发剂配制：根据目标模数、固含量计算所需氢氧化钠和水的用量，将所需氢氧化钠颗粒缓慢加入水中并不断搅拌得到氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液冷却至室温后补充因水蒸发而减少的水量；将氢氧化钠溶液和液体水玻璃（质量要求为：波美度（°Bé）为50.4，氧化钠含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%）均匀混合，制得模数为1.6和固含量为30%的复合碱激发剂，备用；

4）成型及养护：按照水泥净浆制备工艺，将复合粉体和复合碱激发剂按1:0.85的质量比加入搅拌机充分混合搅拌得到浆体，将浆体注入40mm*40mm*40mm的模具，覆膜养护24h拆模；将试块在自然条件下洒水养护至一定龄期即得赤泥-矿渣地质聚合物。

所得试块养护至7d和28d的抗压强度（按照水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，下同）分别为39.64MPa和65.06MPa。

实施例2：

1）原料选取：所述同实施例1中步骤1）；

2）复合粉体制备：按质量取干燥粉磨后的赤泥粉体和矿渣微粉，赤泥粉体和矿渣微粉质量百分比分别为60%和40%，将两者干混得到复合粉体，陈化24h备用；

3）复合碱激发剂配制：根据目标模数、固含量计算所需氢氧化钠和水的用量，将所需氢氧化钠颗粒缓慢加入水中并不断搅拌得到氢氧化钠溶液，将氢氧化钠溶液冷却至室温后补充因水蒸发而减少的水量；将氢氧化钠溶液和液体水玻璃（质量要求为：波美度（°Bé）为50.4，氧化钠含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%）均匀混合，制得模数为1.4和固含量为30%的复合碱激发剂，备用；

4）成型及养护：按照水泥净浆制备工艺，将复合粉体和复合碱激发剂按1:0.75的质量比加入搅拌机充分混合搅拌得到浆体，将浆体注入40mm*40mm*40mm的模具，覆膜养护24h拆模；将试块在自然条件下洒水养护至一定龄期即得赤泥-矿渣地质聚合物。

所得试块养护至7d和28d的抗压强度分别28.16MPa和52.24MPa。

实施例3：

1）原料选取：所述同实施例1中步骤1）；

2）复合粉体制备：所述同实施例2中步骤2）；

3）复合碱激发剂配制：根据目标模数、固含量计算所需氢氧化钠和水的用量，将氢氧化钠颗粒缓慢加入一定量的水溶液中并不断搅拌，将溶液冷却至室温后补充因水蒸发而减少的水量；将氢氧化钠溶液和液体水玻璃（质量要求为：波美度（°Bé）为50.4，氧化钠含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%）均匀混合，制得模数为1.6和固含量为34%的复合碱激发剂，备用；

4）成型及养护：所述同实施例2中步骤4）；

所得试块养护至7d和28d的抗压强度分别为30.75MPa和53.85MPa。

实施例4：

1）原料选取：所述同实施例1中步骤1）；

2）复合粉体制备：按质量取干燥粉磨后的赤泥粉体和矿渣微粉，赤泥粉体和矿渣微粉质量百分比分别为70%和30%，将两者干混得到复合粉体，陈化24h备用；

3）复合碱激发剂配制：所述同实施例1中步骤3）；

4）成型及养护：按照水泥净浆制备工艺，将复合粉体和复合碱激发剂按1:0.65的质量比加入搅拌机充分混合搅拌得到浆体，将浆体注入40mm*40mm*40mm的模具，覆膜养护24h拆模；将试块在自然条件下洒水养护至一定龄期即得赤泥-矿渣地质聚合物。

所得试块养护至7d和28d的抗压强度分别为23.52MPa和38.20MPa。

实施例5：

与实施例4的不同之处在于，复合碱激发剂的模数为1.2和固含量为34%；

所得试块养护至7d和28d的抗压强度分别为27.19MPa和44.20MPa。

实施例1-5的试块抗压强度符合7d抗压强度>20MPa，28d抗压强度>38MPa的要求。

本发明所述赤泥-矿渣地质聚合物，复合粉体中赤泥、矿渣的质量百分含量，复合碱激发剂的模数、固含量在其各自上下限及区间取值都能实现本发明，在此就不一一列举实施例。

对照实例1：

与实施例1的不同之处在于：复合粉体和复合碱激发剂的质量比为1:0.5。此时浆体因稠度太大导致流动性太差，实验过程中无法浇注成型。

对照实例2：

与实施例1的不同之处在于：复合碱激发剂的模数为0.8，固含量，固含量为22%。

所得试块养护至7d和28d的抗压强度分别为22.77MPa和18.10MPa。

对照实例3：

与实施例1的不同之处在于：复合粉体制备时赤泥粉体和矿渣微粉质量百分比分别为80%和20%。

所得试块养护至7d和28d的抗压强度分别为12.33MPa和22.97MPa。

对照实例4：

与实施例5的不同之处在于：复合粉体和复合碱激发剂的质量比为1:1。

所得试块养护至7d和28d的抗压强度分别为10.56MPa和17.94MPa且浆体凝结时间过长（>24h）。

对照实例5：

与实施例5的不同之处在于：复合碱激发剂的模数为2.2，固含量为42%。

所得试块养护至7d和28d的抗压强度分别为17.91MPa和30.64MPa。

由对照实例1-5看出，当一些技术参数发生变化时，所得试块的7d或28d抗压强度难以满足产品的理想抗压强度（7d抗压强度>20MPa，28d抗压强度>38MPa）需求。

Claims

1.一种赤泥-矿渣地质聚合物，其特征在于：其是由赤泥和矿渣组成的复合粉体经复合碱激发剂激发而成，复合粉体与复合碱激发剂的质量比为1：0.6-0.85；其中复合粉体的质量百分比组成为：赤泥50%-70%和矿渣30%-50%，复合碱激发剂由水玻璃、氢氧化钠及水调配而得，其模数为1.0-2.0，固含量为18%-42%。

2.如权利要求1所述的赤泥-矿渣地质聚合物，其特征在于所述赤泥的质量要求为：含水率≤3%，氧化钙含量≤15%，二氧化硅含量≤20%，氧化铝含量≤25%，粉磨后细度为75um筛筛余小于15%。

3.如权利要求1所述的赤泥-矿渣地质聚合物，其特征在于所述矿渣为高炉矿渣微粉，其质量要求为：氧化钙含量≤45%，二氧化硅含量≤35%，氧化铝含量≤12%，勃氏比表面积400-450m²/Kg。

4.如权利要求1所述的赤泥-矿渣地质聚合物，其特征在于所述水玻璃的质量要求为：波美度为50.4，氧化钠含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%。

5.权利要求1-4任一项所述赤泥-矿渣地质聚合物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3）将复合粉体与复合碱激发剂按1：0.6-0.85的质量比混合搅拌，注模成型；

4）将步骤3）所得制品覆膜自然养护后拆模，所得试块在自然条件下洒水养护至一定龄期即得到赤泥-矿渣地质聚合物。

6.如权利要求书5所述赤泥-矿渣地质聚合物的制备方法，其特征在于：所述赤泥的质量要求为：含水率≤3%，氧化钙含量≤15%，二氧化硅含量≤20%，氧化铝含量≤25%，粉磨后细度为75um筛筛余小于15%。

7.如权利要求书5所述赤泥-矿渣地质聚合物的制备方法，其特征在于：所述矿渣为高炉矿渣微粉，其质量要求为：氧化钙含量≤45%，二氧化硅含量≤35%，氧化铝含量≤12%，勃氏比表面积400-450m²/Kg。

8.如权利要求书5所述赤泥-矿渣地质聚合物的制备方法，其特征在于：所述水玻璃的质量要求为：波美度为50.4，氧化钠含量≥12.8%，二氧化硅含量≥29.2%。