CN112876185A - 一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于固废资源综合利用领域，提供一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料及制备方法，其原材料为：钢渣300‑400份；赤泥100‑140份；石墨烯3‑5份；废弃泡沫颗粒40‑60份；增强剂30‑50份；减水剂15‑20份；拌合水120‑160份。制备方法为：首先，将石墨烯、减水剂加入拌合水中，置于340W超声波环境中处理4min，形成均匀的石墨烯水溶液；其次，将钢渣、赤泥、废弃泡沫颗粒、增强剂加入至搅拌锅中搅拌均匀，再加入石墨烯水溶液搅拌均匀，将制备的浆体浇注于模具中；最后，将试样在空气环境中养护后拆模。本发明制备的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料不仅具有较低的生产成本，还有较好的电磁波吸波性能，有利于推动工业源固废资源钢渣、赤泥的综合利用，具有显著的环保、经济及工程应用价值。

Description

一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料及制备方法

技术领域

本发明属于固废资源综合利用领域，涉及一种吸波材料，特别涉及一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料及制备方法。

背景技术

近年来，随着5G等现代无线通讯技术、城市电力***、工业***的快速发展，电磁波作为最常用的无线信息载体存在于居民日常生活、无线通讯、电子设备等方方面面。电磁波是由同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波的波动性决定了电磁波可以携带数据信号进行远距离传输，同时具有反射、衍射、共振等波动特性，而粒子性决定了电磁波可以与物质微观粒子发生相互作用，产生热效应、光电效应、康普顿效应等现象，因此电磁波在无线通讯技术、工业领域、医学领域、军事领域有较多的应用。

电磁波在改变现代生活质量的同时，也带来了一定的隐患。在民用领域，无线通讯基站、城市电力***、大型工业设备等电力设施会通过电磁感应生成大量电磁波污染城市空间，而家用电器如电磁炉、电脑、微波炉等电器也会辐射电磁波污染家庭居住环境，军民日常生活的家庭、城市环境充斥着大量的电磁波污染，严重危害人类的身心健康。在军事领域，电磁波主要应用于雷达探测、无线指令、无线通讯等方面，电磁波的波动性特征导致电磁波极易产生干涉、衍射等现象，军事设施发出的电磁波如果与其他电磁波发生共振、干涉、衍射等现象，接收终端接收到的信号会产生明显误差，极大影响军事设施的使用精度。此外，国防重点设施的电脑、机房等会辐射出携带机密信号的电磁波，若被间谍截获破译，极易造成机密信息泄露，对国民军事、经济等造成极大危害。因此，目前电磁波污染已成为全球关注的重点问题，电磁波污染也成为继大气污染、水污染、噪音污染之后的第四大污染源。

针对日趋严重的电磁波污染，电磁屏蔽技术、电磁波吸波材料等手段被用于降低、消除电磁波污染。其中，电磁屏蔽技术主要用于保证局部空间内的设施不受外部电磁波污染的干扰，但并不能消除、降低屏蔽空间外部的电磁波污染。电磁波吸波材料主要利用电磁波的粒子特性，通过吸波材料微观粒子与电磁波发生极化驰豫、磁滞驰豫、热效应等现象，以介电损耗、磁损耗、电阻损耗等方式将电磁波能量转换成热能，实现降低、消除电磁波的目的。电磁波吸波材料分为吸波涂层材料、结构吸波材料。吸波涂层材料主要用于军事隐身如战斗机隐身涂层等，精密设备保护如零件电磁保护等，此类材料吸波效果较好，但其生产成本高、耐久性较差、强度较低，目前在民用建筑领域应用极少。结构吸波材料包括水泥基复合吸波材料、陶瓷基吸波材料、聚合物复合吸波材料等，结构吸波材料不仅具有较好的吸波性能，同时具备一定的结构强度。

钢渣是炼钢过程中的一种副产品。它由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。钢渣含有多种有用成分：金属铁2％～8％，氧化钙40％～60％，氧化镁3％～10％，氧化锰1％～8％，故可作为钢铁冶金原料使用。钢渣的矿物组成以硅酸三钙为主，其次是硅酸二钙、RO相、铁酸二钙和游离氧化钙。目前中国钢渣年增量约超过1.2亿吨，累年堆存量巨大，并且目前的综合利用率约为25％，有大量堆存矿渣亟待处理。赤泥是氧化铝工业中的固体废弃物，因其含有大量氧化铁，而呈暗红色，因此取名赤泥。赤泥主要含有SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃等成分，具有一定的碱性，因此综合利用较少。据统计，每生产1吨氧化铝可排放赤泥0.8吨-1.76吨，目前全国赤泥累计堆存量约4亿吨，但综合利用率不足30％，拓宽赤泥的综合利用渠道迫在眉睫。

在钢渣资源综合利用方面，目前主要通过碱激发的方式制备胶凝材料，而赤泥本身含有碱性成分，且自身硅铝含量较高，具备一定的活性，因此可以代替碱作为激发剂激发钢渣活性制备胶凝材料，不仅可以消耗赤泥的碱性成分，还可以降低碱激发过程中碱的成本，是一种有效的钢渣、赤泥的综合利用渠道。同时赤泥/钢渣胶凝材料相比于水泥混凝土材料含有更多的Ca、Al、Fe、Mn等金属氧化物成分，极易在电磁场中产生极化，通过极化、驰豫可有效耗散电磁波能量，且电磁波能量转换所得的热能还可保持室内温度，因此钢渣、赤泥等固废资源可作为电磁波吸波胶凝材料的基体材料，且具有较好的经济效益、环保效益。

本发明涉及一种基于赤泥/钢渣基胶吸波凝材料及其制备方法，是以钢渣、赤泥作为主要原材料，充分利用钢渣、赤泥中的金属氧化物成分，通过赤泥的碱性成分激发钢渣活性制备胶凝材料，获得一种生产成本低、吸波效果好的建筑胶凝材料，具有显著的创新意义以及环保、工程实用价值，市场前景非常广阔。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于赤泥/钢渣基胶吸波凝材料及其制备方法，所述材料为一种基于固废资源钢渣、赤泥的胶凝材料，目的是综合利用固废资源钢渣、赤泥生产一种吸波胶凝材料，显著降低生产成本，同时具有较好的电磁波吸波效果，获得一种新型低成本的吸波胶凝材料。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料，所述吸波材料是一种基于赤泥/钢渣活性激发的新型胶凝材料，能够在较宽频率范围内有效吸收入射电磁波能量，综合利用工业固废资源赤泥、钢渣等制备具备电磁波吸波性能的胶凝材料。本发明所述的赤泥/钢渣基胶吸波凝材料主要包括钢渣、赤泥、石墨烯、废弃泡沫颗粒、增强剂、减水剂和水。

原材料各组分的要求如下：

钢渣：高炉炼铁的副产品，它由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。主要成分包括：SiO₂、CaO、Al₂O₃、Fe₂O₃、MnO₂、MgO等，颗粒粒径分布范围10-80μm。

赤泥：氧化铝工业中采用拜耳法生产氧化铝时排出的红褐色工业废渣，粒径100μm以下，主要成分包括Al₂O₃、Fe₂O₃、Na₂O、CaO、SiO₂等。

石墨烯：一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，片径10-30μm，比表面积120m²/g-150m²/g。

废弃泡沫颗粒：各类包装拆卸后的废弃泡沫，主要成分为可发性聚苯乙烯，颗粒粒径范围2-4mm。

增强剂：氧化镁，可有效提高赤泥激发赤泥/钢渣胶凝材料的强度。

减水剂：聚羧酸类减水剂，可均匀分散赤泥与钢渣颗粒，提高激发效果，减少单位用水量。

拌合水：普通自来水，主要性能指标应符合行业标准《混凝土用水标准》JGJ63的规定。

结合其试验性能指标，原材料各组分的重量份如下：

钢渣300-400份；

赤泥100-140份；

石墨烯3-5份；

废弃泡沫颗粒40-60份；

增强剂30-50份；

减水剂15-20份；

拌合水120-160份；

上述原材料的质量允许误差：钢渣：±1％；赤泥：±1％；石墨烯：±0.5％；废弃泡沫颗粒：±1％；增强剂：±0.5％；减水剂：±0.5％；拌合水：±1％。

上述赤泥/钢渣基吸波胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将精确称量的石墨烯、减水剂加入至精确称量的拌合水中，超声并搅拌制得分散均匀的石墨烯水溶液。所述的超声功率为340W，超声时间为4min。

第二步，按照配比精确称重各原材料，将钢渣、赤泥、增强剂、废弃泡沫颗粒加入至搅拌锅中搅拌均匀，再加入第一步所制备的均匀石墨烯水溶液，以130r/min转速搅拌150s-200s，再以70r/min转速搅拌80s-120s，将搅拌所得的浆体浇注在200×200×20mm³的钢制磨具上，刮去***多余浆体；

第三步，将第二步制备的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料标准养护3天后拆模，继续在空气环境下养护至相应龄期后进行电磁波吸波性能测试，其中养护温度为：30±3℃，相对湿度为：70±5％。

参考JC/T 2499-2018建筑材料吸收电磁波性能测试方法，将制备的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料置于吸波暗室中，通过弓形反射法测试其电磁波吸波性能，以电磁波反射率作为性能指标评价其吸波效果。

本发明的有益效果为：

(1)该新型吸波胶凝材料由钢渣、赤泥等固废资源制备而成，具有生产成本低、吸波效果较好等特点，在固废资源综合利用、净化城市居民生活空间等方面具有显著的工程应用价值。

(2)本发明将工业固废资源钢渣、赤泥等应用于吸波胶凝材料中，在钢渣与赤泥质量比为35:12时，养护28天的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料在2-18GHz范围内电磁波反射率低于-7dB(电磁波吸收量约80％)的频宽达11.7GHz，电磁波反射率低于-10dB(电磁波吸收量约90％)的频宽达5.9GHz，且在4.2GHz处有最低反射率-23.1dB，具备较好的电磁波吸波效果。本发明制备的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料生产成本低，吸波效果较好，具有显著的创新环保意义和工程应用前景。

附图说明

图1为弓形反射法示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例1

钢渣：鞍钢集团钢铁生产副产品，平均颗粒粒径10-30μm，300份。

赤泥：河南省某铝业公司拜耳法生产氧化铝时排出的废渣，粒径处于100μm以下，100份。

石墨烯：一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，美国XGScience公司生产，平均片径10-30μm，比表面积120m²/g-150m²/g，3份。

废弃泡沫颗粒：发泡聚苯乙烯质废弃泡沫颗粒，平均粒径2-4mm，40份。

增强剂：氧化镁，天津市科密欧化学试剂有限公司生产，分析纯，30份。

减水剂：聚羧酸高效减水剂，15份。

拌合水：大连市自来水，120份。

制备步骤如下：

将精确称量的石墨烯、减水剂加入至精确称量的拌合水中，并置于超声波环境中，在340W的超声功率条件下超声、搅拌处理4min制得分散均匀的石墨烯水溶液。

按照各原料配比精确称量各原材料，将赤泥、钢渣、废弃泡沫颗粒、增强剂加入到搅拌锅中搅拌均匀，再加入上述制备的石墨烯水溶液，以130r/min转速搅拌150s，再以70r/min转速搅拌80s，将搅拌好的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料浆体浇注模具中，并刮去磨具表面多余浆体。

将上述制备的试样标准养护3天后拆模，继续在空气环境中养护至相应龄期后进行相关性能测试，其中养护温度为：30±3℃，相对湿度为：70±5％。

实施例2

钢渣：鞍钢集团钢铁生产副产品，平均颗粒粒径30-50μm，350份。

赤泥：河南省某铝业公司拜耳法生产氧化铝时排出的废渣，粒径处于100μm以下，120份。

石墨烯：一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，美国XGScience公司生产，平均片径10-30μm，比表面积120m²/g-150m²/g，4份。

废弃泡沫颗粒：发泡聚苯乙烯质废弃泡沫颗粒，平均粒径2-4mm，50份。

增强剂：氧化镁，天津市科密欧化学试剂有限公司生产，分析纯，40份。

减水剂：聚羧酸高效减水剂，18份。

拌合水：大连市自来水，140份。

制备步骤如下：

将精确称量的石墨烯、减水剂加入至精确称量的拌合水中，并置于超声波环境中，在340W的超声功率条件下超声、搅拌处理4min制得分散均匀的石墨烯水溶液。

按照各原料配比精确称量各原材料，将赤泥、钢渣、废弃泡沫颗粒、增强剂加入到搅拌锅中搅拌均匀，再加入上述制备的石墨烯水溶液，以130r/min转速搅拌180s，再以70r/min转速搅拌100s，将搅拌好的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料浆体浇注模具中，并刮去磨具表面多余浆体。

将上述制备的试样标准养护3天后拆模，继续在空气环境中养护至相应龄期后进行相关性能测试，其中养护温度为：30±3℃，相对湿度为：70±5％。

实施例3

钢渣：鞍钢集团钢铁生产副产品，平均颗粒粒径10-30μm，400份。

赤泥：河南省某铝业公司拜耳法生产氧化铝时排出的废渣，粒径处于100μm以下，140份。

石墨烯：一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，美国XGScience公司生产，平均片径10-30μm，比表面积120m²/g-150m²/g，5份。

废弃泡沫颗粒：发泡聚苯乙烯质废弃泡沫颗粒，平均粒径2-4mm，60份。

增强剂：氧化镁，天津市科密欧化学试剂有限公司生产，分析纯，50份。

减水剂：聚羧酸高效减水剂，20份。

拌合水：大连市自来水，160份。

制备步骤如下：

将精确称量的石墨烯、减水剂加入至精确称量的拌合水中，并置于超声波环境中，在340W的超声功率条件下超声、搅拌处理4min制得分散均匀的石墨烯水溶液。

按照各原料配比精确称量各原材料，将赤泥、钢渣、废弃泡沫颗粒、增强剂加入到搅拌锅中搅拌均匀，再加入上述制备的石墨烯水溶液，以130r/min转速搅拌200s，再以70r/min转速搅拌120s，将搅拌好的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料浆体浇注模具中，并刮去磨具表面多余浆体。

将上述制备的试样标准养护3天后拆模，继续在空气环境中养护至相应龄期后进行相关性能测试，其中养护温度为：30±3℃，相对湿度为：70±5％。

参考JC/T 2499-2018建筑材料吸收电磁波性能测试方法，将实施例1-实施例3制备的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料试样(200×200×20mm³)置于吸波暗室中，通过弓形反射法测试其电磁波吸波性能，以电磁波反射率作为性能指标评价其吸波效果，其中弓形反射法示意图1所示，三个实施例的测试结果如表1所示。

当钢渣与赤泥质量比为3:1(实施例1)、35:12(实施例2)、20:7(实施例3)时，养护28天的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料在2-18GHz范围内电磁波反射率低于-7dB(电磁波吸收量约80％)的频宽分别为10.1GHz、11.7GHz、10.8GHz，电磁波反射率低于-10dB(电磁波吸收量约90％)的频宽分别为5.4GHz、5.9GHz、5.6GHz，且最低反射率分别为-22.4dB、-23.1dB、-22.8dB；而水泥基复合吸波材料试样(实施例4)在2-18GHz范围内电磁波反射率低于-7dB(电磁波吸收量约80％)的频宽为7.8GHz，电磁波反射率低于-10dB(电磁波吸收量约90％)的频宽为3.4GHz，最低反射率为-14.7dB，对比可知：赤泥/钢渣基吸波胶凝材料不仅成本更低，同时具有更优异的电磁波吸波效果。

表1：赤泥/钢渣基吸波胶凝材料电磁波吸波性能

通过表1可知，赤泥/钢渣基吸波胶凝材料可以在较宽的频率范围内(>10GHz)吸收80％以上入射电磁波能量，相比于同等组分的水泥基复合吸波材料具有更宽的作用频率范围、更低的最低电磁波反射率，具有较好的电磁波吸波效果。

以上所述的实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，只是基于本发明整体构思下的某种实现方式，并不用来限定本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明展现的技术范围内做出的的任何修改、改进或替换，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料，其特征在于，所述吸波材料是一种基于赤泥/钢渣活性激发的胶凝材料，包括钢渣、赤泥、石墨烯、废弃泡沫颗粒、增强剂、减水剂和水；

结合其试验性能指标，原材料各组分的要求及重量份如下：

钢渣：300-400份；高炉炼铁的副产品；

赤泥：100-140份；氧化铝工业中采用拜耳法生产氧化铝时排出的红褐色工业废渣；

石墨烯：3-5份；

废弃泡沫颗粒：40-60份；主要成分为可发性聚苯乙烯；

增强剂：30-50份；氧化镁，用于提高赤泥激发赤泥/钢渣胶凝材料的强度；

减水剂：15-20份；聚羧酸类减水剂，用于均匀分散赤泥与钢渣颗粒，提高激发效果，减少单位用水量；

拌合水：120-160份；普通自来水；

上述原材料的质量允许误差：钢渣：±1％；赤泥：±1％；石墨烯：±0.5％；废弃泡沫颗粒：±1％；增强剂：±0.5％；减水剂：±0.5％；拌合水：±1％。

2.根据权利要求1所述的一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料，其特征在于，所述钢渣颗粒的粒径分布范围10-80μm。

3.根据权利要求1所述的一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料，其特征在于，所述赤泥的粒径100μm以下。

4.根据权利要求1所述的一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料，其特征在于，所述石墨烯的片径10-30μm，比表面积120m²/g-150m²/g。

5.根据权利要求1所述的一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料，其特征在于，述废弃泡沫颗粒的颗粒粒径范围2-4mm。

6.一种权利要求1-5任一所述的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将精确称量的石墨烯、减水剂加入至精确称量的拌合水中，超声、搅拌处理制得分散均匀的石墨烯水溶液；

第二步，按照配比精确称重各原材料，将钢渣、赤泥、增强剂、废弃泡沫颗粒加入至搅拌锅中搅拌均匀，再加入第一步所制备的均匀石墨烯水溶液，以130r/min转速搅拌150s-200s，再以70r/min转速搅拌80s-120s，将搅拌所得的浆体浇注钢制磨具上，刮去***多余浆体；

第三步，将第二步制备的赤泥/钢渣基吸波胶凝材料标准养护3天后拆模，继续在空气环境下养护至相应龄期后进行电磁波吸波性能测试，其中养护温度为：30±3℃，相对湿度为：70±5％。

7.根据权利要求6所述的一种赤泥/钢渣基吸波胶凝材料的制备方法，其特征在于，所述第一步中所述的超声功率为340W，超声时间为4min。

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