CN107814497A - 胶结材、砂浆固化物的制造方法及由其形成的砂浆固化物 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种胶结材、砂浆固化物的制造方法及由其所形成的砂浆固化物。本发明的胶结材的制造方法的步骤如下所述。提供炼钢炉渣。将炼钢炉渣浸泡在水中，以使水形成碱性溶液。将碱性溶液与炼钢炉渣分离。在碱性溶液中加入玻璃粉末，以形成胶结溶液。固化胶结溶液，以形成胶结材。
Description
技术领域
本发明涉及一种混凝土材料及其制造方法，尤其涉及一种胶结材、砂浆固化物的制造方法及由其所形成的砂浆固化物。
背景技术
炼钢炉渣为炼制钢铁时所产生的副产物，其形成的方式为炼钢原料在高炉里经熔炼后，产生的杂质经过氧化与金属分离或燃烧后所形成的渣滓等，然而，若不对炼钢炉渣加以回收再利用，不仅会让炼钢业者需额外负担处理炼钢炉渣的费用，也会造成环境的负担。
早期为通过掩埋的方式来处理炼钢炉渣，然而，其会使环境受到炼钢炉渣中的重金属的污染。而随着工业技术的发展，炼钢炉渣可经安定化处理(stabilizing treatment)后再将其添加在各式建筑物的土木材料中，然而，炼钢炉渣在吸水或接触空气中的二氧化碳之后，其会膨胀而因此使建筑物的结构强度降低，使得炼钢炉渣回收再利用的范围受到限制。因此，目前急需提供一种炼钢炉渣之处理方法，以彻底解决现有技术中处理炼钢炉渣的缺陷，以提升其产业利用性。
发明内容
本发明提供一种胶结材的制造方法，其包括下列步骤：提供炼钢炉渣；将炼钢炉渣浸泡在水中，以使水形成碱性溶液；将碱性溶液与炼钢炉渣分离；在碱性溶液中加入玻璃粉末，以形成胶结溶液；以及固化胶结溶液，以形成胶结材。
本发明提供一种砂浆固化物的制造方法，其包括下列步骤：提供炼钢炉渣；将炼钢炉渣浸泡在水中，以使水形成碱性溶液；在含炼钢炉渣的碱性溶液中加入玻璃粉末并搅拌，以形成砂浆；以及固化砂浆，以形成砂浆固化物。
本发明提供另一种砂浆固化物的制造方法，其包括下列步骤：提供炼钢炉渣；将炼钢炉渣浸泡在水中，以使水形成碱性溶液；将碱性溶液与炼钢炉渣分离；在碱性溶液中加入玻璃粉末及细粒料并搅拌，以形成砂浆；以及固化砂浆，以形成砂浆固化物。
本发明提供一种砂浆固化物，其包括10～50wt％的炼钢炉渣以及50～90wt％的上述的胶结材。
基于上述，本发明的胶结材及砂浆固化物的制造方法将炼钢炉渣及废弃玻璃作为形成胶结材的原料之一，除可将炼钢炉渣及废弃玻璃回收再利用外，也可使处理炼钢炉渣及废弃玻璃所需的成本与形成胶结材及砂浆固化物的原料成本降低。另外，本发明通过将炼钢炉渣浸泡在水中以形成碱性溶液，通过碱性溶液中的氢氧根离子与玻璃粉末进行反应，因此，可不需额外购买碱金属或碱土金属之氢氧化物及硅酸钠等来自备碱性溶液，而使形成胶结材及砂浆固化物的原料成本降低。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一实施例的胶结材的制造方法的步骤流程图。
图2为本发明的第一实施例的砂浆固化物的制造方法的步骤流程图。
图3为本发明的第二实施例的砂浆固化物的制造方法的步骤流程图。
图4为本发明的在胶结溶液经搅拌的温度为80℃以及其搅拌时间为15min的情况下，胶结材中的转炉石的含量以及胶结材的抗压强度的关系曲线图。
图5为本发明的在砂浆经固化的温度为60℃以及转炉石与玻璃粉末(BOF/GL)的重量比例为1：1的情况下，第一实施例的砂浆固化物分别在放置于空气中0天、7天、28天的抗压强度与固化时间的关系曲线图。
附图标记说明
S100、S110、S120、S130、S140、S200、S210、S220、S230、S300、S310、S320、S330、S340：步骤
具体实施方式
图1为本发明的一实施例的胶结材的制造方法的步骤流程图。
请参照图1，在步骤S100中，提供炼钢炉渣。炼钢炉渣的来源主要为在炼钢时产生的副产品，举例来说，炼钢炉渣可包括转炉石(basic-oxygen-furnace slag；BOF)或电弧炉渣(electric-arc-furnace slag；EAF)等。在本实施例中，炼钢炉渣可为转炉石或电弧炉渣。由于炼钢炉渣可作为后续形成砂浆或混凝土中的细粒料之用途来使用，因此炼钢炉渣的粒径会接近一般土木领域里常用的细粒料的粒径。在本实施例中，炼钢炉渣的粒径小于4.75mm。
接着，在步骤S110中，将炼钢炉渣浸泡在水中，以使水形成碱性溶液。由于炼钢炉渣含有大量来自于炼钢时添加的石灰石中的游离氧化钙(free-CaO)，因此，当将炼钢炉渣浸泡在水中时，游离氧化钙溶于水而形成氢氧化钙，并在水中解离出氢氧根离子，使得水的pH值上升而形成碱性溶液。炼钢炉渣的浸泡温度会影响氢氧化钙在水中解离出的氢氧根离子的量，如表1所示，当炼钢炉渣的浸泡温度越低时，氢氧化钙在水中解离出的氢氧根离子的量越多，而使碱性溶液的pH值越高。在本实施例中，炼钢炉渣在水中的浸泡温度为0℃～90℃，较佳为0℃～25℃，更佳为接近0℃。在本实施例中，碱性溶液的pH值范围为11～13。本实施例通过将炼钢炉渣浸泡在水中使水形成碱性溶液，不需额外购买碱金属或碱土金属之氢氧化物及硅酸钠等来自备碱性溶液，因此可降低所需的原料成本。
表1
| 炼钢炉渣的浸泡温度(℃) | 碱性溶液的pH值 |
| 5 | 12.97 |
| 10 | 12.77 |
| 30 | 12.53 |
| 50 | 12.00 |
| 70 | 11.54 |
| 90 | 11.07 |
另外，碱性溶液中的水与炼钢炉渣的重量比例也会影响碱性溶液的pH值，在本实施例中，炼钢炉渣可为转炉石或电弧炉渣，因此，在此处以水与转炉石(W/BOF)的重量比例为例。如表2所示，当W/BOF越小，意即碱性溶液中的转炉石越多，而使碱性溶液含有较多的氢氧化钙，因此，碱性溶液中的pH值越高；相对地，当W/BOF越大，意即碱性溶液中的转炉石越少，而使碱性溶液含有较少的氢氧化钙，因此，碱性溶液中的pH值越低。在本实施例中，W/BOF的范围为0.25～2.0。W/BOF在此范围内时，可确保碱性溶液中含有足够的氢氧根离子。
表2
| W/BOF | 碱性溶液的pH值 |
| 0.4 | 12.77 |
| 0.5 | 12.53 |
| 0.6 | 12.53 |
| 0.8 | 12.65 |
| 0.9 | 12.69 |
| 1.0 | 12.63 |
| 1.5 | 12.01 |
| 2.0 | 11.88 |
再来，在步骤S120中，将碱性溶液与炼钢炉渣分离。当炼钢炉渣在水中浸泡一定时间后，氢氧化钙在水中解离出的氢氧根离子的量已达饱和，意即，碱性溶液的pH值已达平衡。在本实施例中，炼钢炉渣在水中的浸泡时间为1～48小时，较佳为12～48小时，更佳为24小时。当碱性溶液的pH值达平衡时，可将炼钢炉渣自碱性溶液中分离出。将炼钢炉渣自碱性溶液中分离出的方法可例如是通过滤网过滤出碱性溶液中的炼钢炉渣，但在本实施例中其并没有特别的限制。
之后，在步骤S130中，在碱性溶液中加入玻璃粉末并搅拌，以形成胶结溶液。玻璃粉末的来源可来自废弃玻璃，举例来说，玻璃粉末可从各种种类的废弃玻璃容器、废弃玻璃基板等中取得，但本实施例不以此为限，意即，其他非废弃玻璃也可作为本实施例中玻璃粉末的来源。在本实施例中，玻璃粉末可由将废弃玻璃粉碎后取得。当在碱性溶液中加入玻璃粉末时，碱性溶液中的氢氧根离子会与玻璃粉末进行“碱激发反应”，以产生类似水泥浆体的胶结溶液。上述的“碱激发反应”为通过氢氧根离子解離玻璃粉末的硅酸盐结构体，且玻璃粉末经解離后的物质会再重新键结组构。在本实施例中，玻璃粉末的比表面积为3000～20000cm2/g，较佳为3500～15000cm2/g，更佳为4000～10000cm2/g。玻璃粉末的比表面积在此范围内时，由于玻璃粉末的细度足够小，因此可提升进行“碱激发反应”之反应速率。在本实施例中，在碱性溶液中加入玻璃粉末的搅拌时间为10～180分，较佳为30～60分，更佳为30分。在本实施例中，在碱性溶液中加入玻璃粉末的搅拌温度为30℃～80℃，较佳为30℃～50℃，更佳为30℃。
最后，在步骤S140中，固化胶结溶液，以形成胶结材。在胶结溶液经固化的过程中，胶结溶液逐渐失去可塑性而变成不具有流动性的状态，之后胶结溶液的强度将虽着时间的推移而逐渐地增加，最后变成具有高抗压强度的胶结材。在本实施例中，胶结溶液经固化的时间为1～14天，较佳为2～10天，更佳为5天。在本实施例中，胶结溶液经固化的温度为40℃～95℃，较佳为60℃～90℃，更佳为80℃。胶结溶液经固化的温度为上述温度时可使经固化后之胶结材具有高的抗压强度。当胶结溶液经固化的温度小于40C时，胶结溶液经固化成胶结材的时间将会较长，甚至胶结溶液将无法固化成胶结材；当胶结溶液经固化的温度大于95℃时，胶结溶液经固化成胶结材的时间虽然可缩短，但胶结材的抗压强度将由于不充足的固化时间而使得其抗压强度较低。
另外，胶结溶液中的炼钢炉渣与玻璃粉末的重量比例也会影响胶结溶液经固化后形成胶结材的抗压强度，在本实施例中，炼钢炉渣可为转炉石或电弧炉渣，因此，在此处以胶结材中的转炉石的含量为例。如图4及表3所示，在胶结溶液经固化的温度为80℃以及其固化时间为15min的情况下，当胶结材中的转炉石的含量的范围为10％～70％时，胶结材可具有高的抗压强度。由于本发明的目的为消耗大量的炼钢炉渣，因此，胶结材中的转炉石的含量的范围较佳为20％～50％，更佳为接近50％。
表3
| 胶结材中的转炉石的含量(％) | 胶结材的抗压强度(MPa) |
| 10 | 28.91 |
| 20 | 36.76 |
| 30 | 44.94 |
| 32 | 46.52 |
| 33 | 48.64 |
| 34 | 46.12 |
| 36 | 44.49 |
| 38 | 41.94 |
| 40 | 40.74 |
| 50 | 27.45 |
| 60 | 19.68 |
| 70 | 15.84 |
本实施例中的胶结材的制造方法将炼钢炉渣及废弃玻璃作为形成胶结材的原料之一，除可将炼钢炉渣及废弃玻璃回收再利用外，也可使处理炼钢炉渣及废弃玻璃所需的成本与形成胶结材的原料成本降低。另外，本实施例通过将炼钢炉渣浸泡在水中产生氢氧根离子，以使氢氧根离子与玻璃粉末进行“碱激发反应”，由于玻璃粉末在pH值>11的碱性溶液下即可进行“碱激发反应”，本实施例通过控制炼钢炉渣于碱性溶液中的浸泡温度，可确保碱性溶液的pH值>11，因此，可不需额外购买碱金属或碱土金属之氢氧化物及硅酸钠等来自备碱性溶液，而使形成胶结材的原料成本降低。
图2为本发明的第一实施例的砂浆固化物的制造方法的步骤流程图。
请参照图2，步骤S200、S210分别与图1所示的步骤S100、S110相同，因此以下不再赘述。
请继续参照图2，在步骤S220中，在碱性溶液中加入玻璃粉末并搅拌，以形成砂浆。当在碱性溶液中加入玻璃粉末时，碱性溶液中的氢氧根离子会与玻璃粉末进行“碱激发反应”，以在碱性溶液中产生胶结体，而胶结体之后会与碱性溶液中的炼钢炉渣混合以形成砂浆。玻璃粉末的来源、种类及其比表面积的范围已记述于上述胶结材的制造方法的实例中，因此不再赘述。在本实施例中，在碱性溶液中加入玻璃粉末的搅拌时间为5分以上，较佳为20分以上，更佳为30分以上。
最后，在步骤S230中，固化砂浆，以形成砂浆固化物。在砂浆经固化的过程中，砂浆逐渐失去可塑性而变成不具有流动性的状态，之后砂浆的强度将随着时间的推移而逐渐地增加，最后变成具有高抗压强度的砂浆固化物。在本实施例中，砂浆经固化的时间为2～8天，较佳为4～7天，更佳为6天。在本实施例中，砂浆经固化的温度为30℃～80℃，较佳为60℃～70℃，更佳为60℃。砂浆经固化的温度为上述温度时可使经固化后之砂浆固化物具有高的抗压强度。当砂浆经固化的温度小于30℃时，砂浆经固化成砂浆固化物的时间将会较长，甚至砂浆将无法固化成砂浆固化物；当砂浆经固化的温度大于80℃时，砂浆经固化成砂浆固化物的时间虽然可缩短，但砂浆固化物的抗压强度将由于不充足的固化时间而使得其抗压强度较低。
本实施例中的砂浆固化物的制造方法由于与上述的胶结材的制造方法的实施例皆将炼钢炉渣及废弃玻璃作为原料，因此，可使处理炼钢炉渣及废弃玻璃所需的成本以及形成砂浆固化物的原料成本降低。另外，本实施例也使炼钢炉渣浸泡在水中以产生氢氧根离子，并通过控制炼钢炉渣在碱性溶液中的浸泡温度，确保碱性溶液的pH值>11，因此，可不需额外购买碱金属或碱土金属之氢氧化物及硅酸钠等来自备碱性溶液，而使形成砂浆固化物的原料成本降低。
图3为本发明的第二实施例的砂浆固化物的制造方法的步骤流程图。
请参照图3，步骤S300、S310、S320分别与图1所示的步骤S100、S110、S120相同，因此以下不再赘述。
请继续参照图3，在步骤S330中，在碱性溶液中加入玻璃粉末及细粒料并搅拌，以形成砂浆。当在碱性溶液中加入玻璃粉末时，碱性溶液中的氢氧根离子会与玻璃粉末进行“碱激发反应”，以在碱性溶液中产生胶结体，而胶结体之后会与碱性溶液中的细粒料混合以形成砂浆。细粒料可例如是细砂、粒径较小的石头等，但在本实施例中不以此为限。在本实施例中，细粒料的粒径小于4.75mm。而玻璃粉末的来源、种类及其比表面积的范围已记述于上述胶结材的制造方法的实例中，因此不再赘述。在本实施例中，在碱性溶液中加入玻璃粉末及细粒料的搅拌时间为5分以上，较佳为20分以上，更佳为30分以上。
最后，在步骤S340中，固化砂浆，以形成砂浆固化物。在本实施例中，砂浆经固化的时间为2～8天，较佳为4～7天，更佳为6天。在本实施例中，砂浆经固化的温度为30℃～80℃，较佳为60℃～70℃，更佳为60℃。砂浆经固化的温度为上述温度时可使经固化后之砂浆固化物具有高的抗压强度。当砂浆经固化的温度小于30℃时，砂浆经固化成砂浆固化物的时间将会较长，甚至砂浆将无法固化成砂浆固化物；当砂浆经固化的温度大于80℃时，砂浆经固化成砂浆固化物的时间虽然可缩短，但砂浆固化物的抗压强度将由于不充足的固化时间而使得其抗压强度较低。
本实施例中的砂浆固化物的制造方法由于与上述的胶结材的制造方法的实施例皆将炼钢炉渣及废弃玻璃作为原料，因此，可使处理炼钢炉渣及废弃玻璃所需的成本以及形成砂浆固化物的原料成本降低。另外，本实施例也使炼钢炉渣浸泡在水中以产生氢氧根离子，并通过控制炼钢炉渣在碱性溶液中的浸泡温度，确保碱性溶液的pH值>11，因此，可不需额外购买碱金属或碱土金属之氢氧化物及硅酸钠等来自备碱性溶液，而使形成砂浆固化物的原料成本降低。
图5为本发明的在砂浆经固化的温度为60℃以及转炉石与玻璃粉末(BOF/GL)的重量比例为1：1的情况下，第一实施例的砂浆固化物分别在放置于空气中0天、7天、28天的抗压强度与固化时间的关系曲线图。
请参照图5，在第一实施例的砂浆固化物的固化时间经过2天后，砂浆固化物的抗压强度开始随着固化时间而显著地上升，且在砂浆固化物的固化时间经过5天后，砂浆固化物的抗压强度无论是在放置于空气中0天、7天或28天的情况下皆超过30MPa。意即，仅管第一实施例的砂浆固化物中包括炼钢炉渣，与一般土木业常用的砂浆固化物相比，其仍具有相当的抗压强度。
综上所述，本发明的胶结材及砂浆固化物的制造方法将炼钢炉渣及废弃玻璃作为形成胶结材的原料之一，除可将炼钢炉渣及废弃玻璃回收再利用外，也可使处理炼钢炉渣及废弃玻璃所需的成本与形成胶结材及砂浆固化物的原料成本降低。另外，本发明通过将炼钢炉渣浸泡在水中以形成碱性溶液，通过碱性溶液中的氢氧根离子与玻璃粉末进行反应，并通过控制炼钢炉渣在碱性溶液中的浸泡温度，确保碱性溶液的pH值>11，因此，可不需额外购买碱金属或碱土金属之氢氧化物及硅酸钠等来自备碱性溶液，而使形成胶结材及砂浆固化物的原料成本降低。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (20)
1.一种胶结材的制造方法，其包括下列步骤：
提供炼钢炉渣；
将所述炼钢炉渣浸泡在水中，以使水形成碱性溶液；
将所述碱性溶液与所述炼钢炉渣分离；
在所述碱性溶液中加入玻璃粉末并搅拌，以形成胶结溶液；以及
固化所述胶结溶液，以形成胶结材。
2.根据权利要求1所述的胶结材的制造方法，其中所述炼钢炉渣包括转炉石或电弧炉渣。
3.根据权利要求2所述的胶结材的制造方法，其中在将所述炼钢炉渣浸泡在水的步骤中，水与所述转炉石的重量比例为0.25～2.0。
4.根据权利要求1所述的胶结材的制造方法，其中所述玻璃粉末的比表面积为3000～20000cm2/g。
5.根据权利要求1所述的胶结材的制造方法，其中在将所述炼钢炉渣浸泡在水的步骤中，将所述碱性溶液的温度调整至0℃～90℃，且在固化所述胶结溶液的步骤中，将所述胶结溶液的温度调整至40℃～95℃。
6.一种砂浆固化物的制造方法，其包括下列步骤：
提供炼钢炉渣；
将所述炼钢炉渣浸泡在水中，以使水形成碱性溶液；
在含所述炼钢炉渣的所述碱性溶液中加入玻璃粉末并搅拌，以形成砂浆；以及
固化所述砂浆，以形成砂浆固化物。
7.根据权利要求6所述的砂浆固化物的制造方法，其中所述炼钢炉渣包括转炉石或电弧炉渣。
8.根据权利要求7所述的砂浆固化物的制造方法，其中在将所述炼钢炉渣浸泡在水的步骤中，水与所述转炉石的重量比例为0.25～2.0。
9.根据权利要求7所述的砂浆固化物的制造方法，其中在于所述碱性溶液中加入所述玻璃粉末并搅拌的步骤中，所述转炉石与所述玻璃粉末的重量比例为0.1～1.0。
10.根据权利要求6所述的砂浆固化物的制造方法，其中所述玻璃粉末的比表面积为3000～20000cm2/g。
11.根据权利要求6所述的砂浆固化物的制造方法，其中在将所述炼钢炉渣浸泡在水的步骤中，将所述碱性溶液的温度调整至0℃～90℃，且在固化所述砂浆的步骤中，将所述砂浆的温度调整至30℃～80℃。
12.一种砂浆固化物的制造方法，其包括下列步骤：
提供炼钢炉渣；
将所述炼钢炉渣浸泡在水中，以使水形成碱性溶液；
将所述碱性溶液与所述炼钢炉渣分离；
在所述碱性溶液中加入玻璃粉末及细粒料并搅拌，以形成砂浆；以及
固化所述砂浆，以形成砂浆固化物。
13.根据权利要求12所述的砂浆固化物的制造方法，其中所述炼钢炉渣包括转炉石或电弧炉渣。
14.根据权利要求13所述的砂浆固化物的制造方法，其中在将所述炼钢炉渣浸泡在水的步骤中，水与所述转炉石的重量比例为0.25～2.0。
15.根据权利要求12所述的砂浆固化物的制造方法，其中所述玻璃粉末的比表面积为3000～20000cm2/g。
16.根据权利要求12所述的砂浆固化物的制造方法，其中在将所述炼钢炉渣浸泡在水的步骤中，将所述碱性溶液的温度调整至0℃～90℃，且在固化所述砂浆的步骤中，将所述砂浆的温度调整至30℃～80℃。
17.一种砂浆固化物，其包括：
10～50wt％的炼钢炉渣；以及
50～90wt％的根据权利要求1所述的胶结材。
18.根据权利要求17所述的砂浆固化物，其中所述炼钢炉渣包括转炉石或电弧炉渣。
19.根据权利要求17所述的砂浆固化物，其中所述炼钢炉渣的粒径小于4.75mm。
20.根据权利要求17所述的砂浆固化物，其中所述玻璃粉末的比表面积为3000～20000cm2/g。
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