CN112279542A - 一种钢渣-煤矸石地聚物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢渣‑煤矸石地聚物，各组分及其所占重量份数包括：钢渣粉70～100份，煤矸石粉5～20份，碱性激发剂1～10份，水10～50份。本发明以钢渣磁选尾渣和煤矸石为主要原料，在激发条件下，促进生成N‑A‑S‑H凝胶相、C‑S‑H凝胶相或S‑A‑H凝胶相，并在形成的地聚物内部形成胶凝网络结构，同时通过调控钢渣粉与煤矸石粉之间的配比以及碱性激发条件，可充分利用钢渣粉中的CaO成分，进一步提升所得低聚物材料的力学性能和体积稳定性，有效提升所得低聚物材料的力学性能和耐久性能；此外，本发明可实现钢渣粉在低聚物材料中的高掺量应用，具有重要的经济和环境效益。

Description

一种钢渣-煤矸石地聚物及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种钢渣-煤矸石地聚物及其制备方法。
背景技术
地聚物使用富含硅铝元素的物质作为原材料，用来制备混凝土材料，省略了高温煅烧生产水泥的过程，可以极大地减少建筑材料生产过程中的资源和能源消耗；地聚物由SiO4四面体单元和AlO4四面体单元连接形成，具有特殊的三维网络结构，具有早强快硬、耐高温、抗渗等性能特点，可作为普通水泥混凝土的理想替代材料。
钢渣、煤矸石属于工业生产过程排放的常见固体废弃物。钢渣通过破碎、湿法粉磨工艺处理，磁选出可回收利用的铁质矿物，剩余尾渣由于含水量高、活性低且钢渣中硅铝含量的不足，不易形成SiO4四面体和AlO4四面体相互连接的三维立体网状结构，难以有效应用于制备地聚物材料；此外地聚物存在聚合速率快等特点，易导致收缩大、存在开裂风险等问题。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种钢渣-煤矸石地聚物，对钢渣与煤矸石等工业固废进行回收处理，并将其作为制备地聚物的原材料，在碱性激发剂的作用下提升活性硅铝组分溶出量，制备具有优异力学性能和稳定性能的地聚物材料；且涉及的制备方法简单、操作方便、成本低，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种钢渣-煤矸石地聚物，各组分及其所占重量份数包括：钢渣粉70～100份，煤矸石粉5～20份，碱性激发剂1～10份，水10～50份。
上述方案中，所述钢渣粉为通过破碎湿法粉磨后经过磁选回收其中的铁质组分后余下的尾渣，其比表面积为100～500m2/kg；其主要组成及所占质量百分比包括：SiO2 10～20％，CaO 40～50％，Al2O3 5％以下；铁含量小于2wt％。
上述方案中，所述煤矸石粉的比表面积为500～1000m2/kg；其主要组成及所占质量百分比包括：SiO2 50～65％，Al2O3 15～35％。
上述方案中，所述碱性激发剂选自氢氧化钠、氢氧化钙、水玻璃、硅溶胶中的至少一种。
优选的，所述激发剂为氢氧化钠与水玻璃的组合物、氢氧化钙与水玻璃的组合物或氢氧化钠与硅溶胶的组合物。
更优选的，所述激发剂为氢氧化钠与水玻璃按4～5:6的混合物。
上述一种钢渣-煤矸石地聚物的制备方法，包括以下步骤：
1)干混料的制备：将所述钢渣粉、煤矸石粉进行混合得到干混料；
2)搅拌：将所述干混料与激发剂加水拌合；
3)成型：将所得拌合产物进行压制成型；
4)采用密封养护方式，得所述钢渣-煤矸石地聚物。
上述方案中，步骤2)中所述拌和步骤采用强制搅拌手段，搅拌速率为30～40r/min，搅拌时间为3～15min。
上述方案中，所述压制成型压力为2～5MPa。
上述方案中，所述养护温度为20～40℃。
本发明的原理为：
本发明以钢渣磁选尾渣和煤矸石为主要原料，采用的钢渣磁选尾渣(钢渣粉)的主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3以及少量的Fe2O3、MgO等，在激发条件下，能够发生水化反应生成水化铝酸盐和水化硅酸盐；但钢渣磁选尾渣硅铝含量较低，不易形成SiO4四面体和AlO4四面体相互连接的三维立体网状结构，本发明进一步结合少量煤矸石粉，调整反应体系中的SiO2/Al2O3摩尔比，弥补钢渣中硅铝含量的不足，促进生成N-A-S-H凝胶相、C-S-H凝胶相或S-A-H凝胶相，并在形成的地聚物内部形成胶凝网络结构，增强地聚物的力学性能，同时可一定程度上缓解材料体系的水化速率；此外，通过调控钢渣粉与煤矸石粉之间的配比以及碱性激发条件，可充分利用钢渣粉中的CaO成分，进一步提升所得低聚物材料的力学性能和体积稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明以钢渣磁选尾渣(钢渣粉)和煤矸石粉为主要原料制备钢渣-煤矸石地聚物，可实现钢渣磁选尾渣和煤矸石的高附加值应用，所得钢渣-煤矸石地聚物可兼具良好的良好的力学性能和耐久性，并可根据需求制备不同密度等级和抗压强度的地聚物，有望代替普通混凝土广泛应用于普通建筑工程领域。
2)本发明首先将钢渣、煤矸石进行预处理后制备干混料，再掺入激发剂、水等其他组分，该制备方法能够使各组分分散均匀，便于储存运输；采用的制备方法工艺简单，条件可控，设备要求低，可用于工业化生产；且涉及的原料成本低、来源广，具有重要的经济和环境效益。
3)本发明可实现钢渣粉在低聚物材料中的高掺量应用，并可进一步充分利用钢渣粉中的CaO等成分，促进提升所得低聚物产品的力学性能和体积稳定性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中，钢渣原料为通过破碎湿法粉磨后经过磁选回收其中的铁质组分后余下的尾渣，其比表面积为300～350m2/kg，其主要组成及所占质量百分比包括：SiO2 15～18％，CaO 42～45％，Al2O3 3～5％，铁含量小于2wt％；煤矸石的比表面积为700～750m2/kg，其主要组成及所占质量百分比包括：SiO2 55～58％，Al2O3 25～28％；
采用的碱性激发剂由氢氧化钠和水玻璃按4:6的质量比复合而成。
实施例1
一种钢渣-煤矸石地聚物，其制备方法包括如下步骤：
1)原料称取；按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：钢渣粉80份，煤矸石粉20％，碱性激发剂3份，水30份；
2)干混料的制备：将所述钢渣、煤矸石进行混合得到干混料；
3)搅拌：将所述干混料与激发剂加水拌和，在转速为30r/min的条件下搅拌10min；
4)成型：将所得拌合物在5MPa的压力条件下进行压制成型，然后在40℃温度条件下密封养护，得所述钢渣-煤矸石地聚物。
经测试，养护7d后所得钢渣-煤矸石地聚物的7d抗压强度为21.13MPa，28d龄期的自收缩值为1.653mm/m。
实施例2
一种钢渣-煤矸石地聚物，其制备方法包括如下步骤：
原料称取；按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：钢渣粉75份，煤矸石粉18份，碱性激发剂8份，水25份；
2)干混料的制备：将所述钢渣、煤矸石进行混合得到干混料；
3)搅拌：将所述干混料与激发剂加水拌和，在转速为30r/min的条件下搅拌10min；
4)成型：将所得拌合物在5MPa的压力条件下进行压制成型，然后在40℃温度条件下密封养护，得所述钢渣-煤矸石地聚物。
经测试，养护7d后所得钢渣-煤矸石地聚物的7d抗压强度为23.05MPa，28d龄期的自收缩值为1.572mm/m。
实施例3
一种钢渣-煤矸石地聚物，其制备方法包括如下步骤：
1)原料称取；按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：钢渣粉70份，煤矸石粉10份，碱性激发剂6份，水25份；
2)干混料的制备：将所述钢渣、煤矸石进行混合得到干混料；
3)搅拌：将所述干混料与激发剂加水拌和，在转速为30r/min的条件下搅拌10min；
4)成型：将所得拌合物在5MPa的压力条件下进行压制成型，然后在40℃温度条件下密封养护，得所述钢渣-煤矸石地聚物。
经测试，养护7d后所得钢渣-煤矸石地聚物的7d抗压强度为19.51MPa，28d龄期的自收缩值为1.734mm/m。
对比例1
一种钢渣-煤矸石地聚物，其制备方法包括如下步骤：
1)原料称取；按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：钢渣粉60份，煤矸石粉18份，碱性激发剂8份，水30份；
2)干混料的制备：将所述钢渣、煤矸石进行混合得到干混料；
3)搅拌：将所述干混料与激发剂加水拌和，在转速为30r/min的条件下搅拌10min；
4)成型：将所得拌合物在5MPa的压力条件下进行压制成型，然后在40℃温度条件下密封养护，得所述钢渣-煤矸石地聚物。
经测试，养护7d后所得钢渣-煤矸石地聚物的7d抗压强度为17.35MPa，28d龄期的自收缩值为1.837mm/m。
上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钢渣-煤矸石地聚物，其特征在于，各组分及其所占重量份数包括：钢渣粉70～100份，煤矸石粉5～20份，碱性激发剂1～10份，水10～50份。
2.根据权利要求1所述的钢渣-煤矸石地聚物，其特征在于，所述钢渣粉为通过破碎湿法粉磨后经过磁选回收其中的铁质组分后余下的尾渣，其比表面积为100～500m2/kg；其主要组成及所占质量百分比包括：SiO210～20％，CaO 40～50％，Al2O3 5％以下；铁含量小于2wt％。
3.根据权利要求1所述的钢渣-煤矸石地聚物，其特征在于，所述煤矸石粉的比表面积为500～1000m2/kg；其主要组成及所占质量百分比包括：SiO2 50～65％，Al2O3 15～35％。
4.根据权利要求1所述的钢渣-煤矸石地聚物，其特征在于，所述碱性激发剂选自氢氧化钠、氢氧化钙、水玻璃、硅溶胶中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的钢渣-煤矸石地聚物，其特征在于，所述激发剂为氢氧化钠与水玻璃的组合物、氢氧化钙与水玻璃的组合物或氢氧化钠与硅溶胶的组合物。
6.权利要求1～5任一项所述钢渣-煤矸石地聚物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)干混料的制备：将所述钢渣粉、煤矸石粉进行混合得到干混料；
2)搅拌：将所述干混料与激发剂加水拌合；
3)成型：将所得拌合产物进行压制成型；
4)采用密封养护方式，得所述钢渣-煤矸石地聚物。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述拌和步骤采用强制搅拌手段，搅拌速率为30～40r/min，搅拌时间为3～15min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述压制成型压力为2～5MPa。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述养护温度为20～40℃。
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