CN101708983A - 一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法，属于无机非金属材料及工业固体废弃物回收利用技术领域。它包括采用河津赤泥、粉煤灰为主要基质原料，以建筑细沙和建筑碎石作为骨料，并以固体水玻璃粉作为碱激发剂制备赤泥粉煤灰免烧地质聚合物胶凝材料。按重量百分数计，原料分别为河津赤泥5～98％，粉煤灰1～65％，建筑细沙和建筑碎石1～96％，固体水玻璃粉1～20％，并以赤泥+粉煤灰+建筑细沙和建筑碎石为100％计，外加5～45％的水和0.1～10％的木质素磺酸钙粉，经过配料、混合、陈化、成形、养护和干燥等工艺过程制备而成。本发明具有对工业固体废弃物的利用率高、污染少、能耗低、制备工艺操作简单的优势，体现了绿色环保和节能减排的重要意义。

Description

一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种赤泥粉煤灰地质聚合物材料及其制备方法，属于无机非金属材料及工业固体废弃物回收利用技术领域。
背景技术：
赤泥是氧化铝生产中用碱浸出铝土矿以后的浸出渣。随着国内铝工业规模的不断发展，我国每年赤泥排放量越来越大，赤泥的堆存会占用土地。赤泥若随雨水进入土壤会引起土壤的盐碱化，同时还会污染地下水，对生态环境造成一定影响；露天堆放的赤泥在干燥的天气随风吹散在空气中会导致空气污染而且容易引起沙尘天气。因此如何高效利用赤泥并减少其对环境的污染，近年来愈来愈引起人们的高度重视。在国外，赤泥在作为生产水泥的原料和利用高铁含量的赤泥炼铁的技术方面都有相关的报道，然而这些技术对赤泥的回收利用量是有限的，且对赤泥的种类也有要求和限制，回收的成本也相对较高。我国近几年来也在加强对赤泥利用的研究，但目前还较少见相对成熟和能够规模化利用赤泥的技术应用。现阶段我国对赤泥的利用主要集中在用赤泥作为水泥配料方面，但大量的赤泥因碱含量高而限制了在水泥生料中的配比，使得国内产生的赤泥能够被资源化的程度较低，大量的赤泥目前仍采用湿法堆存。利用赤泥制备地质聚合物材料可以避免赤泥的强碱性的负面影响，很大程度上提高赤泥的利用率，同时使所制得地聚物材料获得良好的强度性能。
粉煤灰也称飞灰，是燃煤电厂或城市集中供热锅炉中煤燃烧后由烟气带出并经除尘器收集的粉尘，也是一种工业固体废弃物。粉煤灰中含有大量的SiO2、Al2O3和玻璃体等具有火山灰活性的颗粒，具有潜在的化学活性。我国目前在粉煤灰的综合利用方面研究相对较多，其主要集中在水泥和混凝土等建筑材料行业，经济发达地区的粉煤灰大部分都被应用于建材等行业。但我国边远地区的粉煤灰的利用率还是比较低的，大部分粉煤灰被堆积，尤其是湿排灰几乎没有得到充分的利用，这对粉煤灰来说是潜在资源的浪费。如何解决大量的灰渣排放，消除其潜在的危害，把粉煤灰经过再加工后增值利用，已经成为电力、环保和材料行业的一个重要课题。可见，开展赤泥和粉煤灰的综合利用具有重要的环境保护和经济意义。
目前虽然有研究报道通过生产赤泥粉煤灰烧结砖可以提高对赤泥和粉煤灰的利用率，然而该生产过程中对能耗的需求量较高，这样会加大烧结过程中的生产成本。
本发明是采用以赤泥和粉煤灰等工业固体废弃物为主要原料而制备的赤泥粉煤灰地质聚合物材料，一方面本发明对原料的品质要求相对不高，另一方面该制备过程不需要经过高温烧成，不仅减少矿物材料制备过程中的能量消耗，而且实现了对赤泥和粉煤灰等工业固体废弃物的有效利用，充分体现出为我国“节能减排”战略发展需求做贡献的重要意义。
发明内容：
本发明的目的主要是针对目前国内氧化铝生产规模的扩大，赤泥的排放量愈来愈大，为了实现对赤泥的利用，提出一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法，来实现对工业固体废弃物的有效利用，同时达到制备高效节能、绿色环保、具有优良强度性能无机聚合物材料的目的。为实现上述目的，本发明的内容和技术方案如下：
本发明是一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料，其技术思想为：利用赤泥中的高含量的硅酸二钙以及粉煤灰中的玻璃相硅酸盐，通过水玻璃的碱激发作用使其发生解聚和缩聚进而形成具有较高强度的网络凝胶结构的地质聚合物材料。同时，还使得粉煤灰潜在的火山灰活性成分得到激发，粉煤灰中的硅铝玻璃体发生硅氧键和铝氧键的断裂形成低聚态的四面体单元，这些四面体单元与赤泥的水化产物作用形成C-S-H和C-A-H凝胶，随着养护过程不断脱水缩聚，最终形成了具有较高强度的地质聚合物胶凝材料。
本发明提出一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料，其特征在于：配料时各原料的加入量及质量要求如下：河津赤泥5～98％，粉煤灰1～65％，建筑细沙和建筑碎石1～96％，固体水玻璃粉1～20％，并以河津赤泥+粉煤灰+建筑细沙和建筑碎石为100％计，外加5～45％的水和0.1～10％的木质素磺酸钙粉。
本发明提出一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料，其特征在于：所选赤泥是山西河津氧化铝厂生产氧化铝过程浸出后的固体废弃物赤泥。其化学成分按重量百分比计，各组分的含量分别为，Al2O3 5～15％，SiO2 15～25％，Fe2O3 5～12％，CaO 44～48％，Na2O 1～3％，TiO2 1～5％。
本发明提出一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料的制备方法，其特征在于：首先是将所述的粉状原料(河津赤泥，粉煤灰，固体水玻璃粉，木质素磺酸钙粉)按比例称重后混合磨细到颗粒小于0.088mm之后，再按上述比例加入建筑细沙(0.5～2mm比例大于35％，0.25mm以上比例大于50％，0.074mm以上比例大于75％)和建筑碎石(25～40mm比例大于50％，10～25mm比例大于75％)并混合均匀，加适量水在强制式搅拌机中混料至半干状态，然后在室温下密封陈化3～30小时，在10～60MPa的压力下振动加压成形，成形后的坯体在室温下自然养护3天或者7天，然后在40～280℃干燥6～38h。干燥之后即得到该赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料，其相关强度性能达到：3天后抗压强度＞20MPa，7天后抗压强度≥25MPa。
本发明的优点在于采用赤泥、粉煤灰为主要原料制备地质聚合物材料，实现对工业固体废弃物的有效回收利用，减少制备过程中原料对粘土等矿物原料的依赖，同时制备该种地质聚合物材料无需经过高温煅烧处理，从而降低了能耗，节省了成本消耗；采用该种方法制备的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料表现出良好的强度性能，尤其是具有良好的早期抗压强度；该发明制得的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料的优良的强度性能适合应用于建筑材料中，特别是可以大量应用到墙体材料中，从而减少建筑材料的生产成本和对矿物原料(如建筑石料和水泥)的大量消耗，减少建筑石料和水泥矿物原料的开采，保护了耕地和大自然环境。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
本发明的原料和配方为：按重量百分数计，配料时各组分的含量分别为，河津赤泥5～98％，粉煤灰1～65％，建筑细沙(0.5～2mm比例大于35％，0.25mm以上比例大于50％，0.074mm以上比例大于75％)和建筑碎石(25～40mm比例大于50％，10～25mm比例大于75％)1～96％，固体水玻璃粉1～20％，并以河津赤泥+粉煤灰+建筑细沙和建筑碎石为100％计，外加5～45％的水和0.1～10％的木质素磺酸钙粉。
本发明提出的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法，其特征在于：其方法首先是将所述的粉状原料(河津赤泥，粉煤灰，固体水玻璃粉，木质素磺酸钙粉)按比例称重后并混合磨细到颗粒小于0.088mm之后，再按上述的比例加入建筑细沙(0.5～2mm比例大于35％，0.25mm以上比例大于50％，0.074mm以上比例大于75％)和建筑碎石(25～40mm比例大于50％，10～25mm比例大于75％)并混合均匀，再加水在强制式搅拌机中混料至半干状态，然后在室温下密封陈化3～30小时，在10～60MPa的压力下振动加压成形，成形后的坯体在室温下自然养护3天或者7天，然后在40～280℃干燥6～38h。干燥之后即得到该赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料，其相关强度性能达到：3天后抗压强度≥20MPa，7天后抗压强度≥25MPa。
该种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料的制备工艺流程为：
原料→磨细→配料→加水混料→陈化→半干法高压振动加压成形密实→养护→干燥→赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料
具体实施例1
本发明具体实施例1的原料和配方为：按重量百分数计，配料时各组分的含量分别为河津赤泥70％，粉煤灰5％，建筑细沙和建筑碎石25％，固体水玻璃粉4％，并以河津赤泥+粉煤灰+建筑细沙和建筑碎石为100％计，外加15％的水和3％的木质素磺酸钙粉。
本发明提出的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法，其特征在于：其方法首先是将所述的粉状原料(河津赤泥70％，粉煤灰5％，固体水玻璃粉4％，木质素磺酸钙粉1％)按比例称重后并混合磨细到颗粒小于0.088mm之后，再按上述比例加入建筑细沙10％和建筑碎石15％并混合均匀，再加水在强制式搅拌机中混料至半干状态，之后出料并室温下密封陈化10小时后，在25MPa的压力下振动加压成形为240×115×53mm的坯体，成形后的坯体在室温下自然养护3天和7天，然后在85℃下干燥20h。烘干之后即得到该赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料。
该实施例1配方的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料的相关强度性能达到3天养护后的抗压强度为21.38MPa，7天养护后的抗压强度25.22MPa。
具体实施例2
本发明具体实施例2的原料和配方为：按重量百分数计，配料时各组分的含量分别为河津赤泥36％，粉煤灰24％，建筑细沙和碎石40％，固体水玻璃粉6％，并以河津赤泥+粉煤灰+建筑细沙和建筑碎石为100％计，外加10％的水和2.5％的木质素磺酸钙粉。
本发明提出的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法，其特征在于：所述方法首先是将所述的粉状原料(河津赤泥36％，粉煤灰24％，固体水玻璃粉6％，木质素磺酸钙粉2.5％)按比例称重并混合磨细到颗粒小于0.088mm之后，再按上述比例加入建筑细沙20％和建筑碎石20％并混合均匀，再加水在强制式搅拌机中混料至半干状态，之后出料并室温下密封陈化15小时后，在50MPa的压力下振动加压成形为240×115×53mm的坯体，成形后的坯体在室温下自然养护3天和7天，然后在100℃下干燥15h。烘干之后即得到该赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料。
该实施例2配方的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料的相关强度性能达到3天养护后的抗压强度为41.63MPa，7天养护后的抗压强度45.85MPa。
具体实施例3
本发明具体实施例3的原料和配方为：按重量百分数计，配料时各组分的含量分别为河津赤泥15％，粉煤灰40％，建筑细沙和建筑碎石45％，固体水玻璃粉8％，并以河津赤泥+粉煤灰+建筑细沙和建筑碎石为100％计，外加7％的水和2％的木质素磺酸钙粉。
本发明提出的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法，其特征在于：所述方法首先是将所述的粉状原料(河津赤泥15％，粉煤灰40％，固体水玻璃粉8％，木质素磺酸钙粉2％)按比例称重并混合磨细到颗粒小于0.088mm之后，再按上述比例加入建筑细沙25％和建筑碎石20％并混合均匀，再加水在强制式搅拌机中混料至半干状态，之后出料并室温下密封陈化8小时后，在40MPa的压力下振动加压成形为240×115×53mm的坯体，成形后的坯体在室温下自然养护3天和7天，然后在80℃下干燥25h。烘干之后即得到该赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料。
该实施例3配方的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料的相关强度性能达到3天养护后的抗压强度为51.67MPa，7天养护后的抗压强度53.42MPa。

Claims (3)

1.本发明是一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料，其特征在于：按重量百分数计，配料时各组分的含量分别为，河津赤泥5～98％，粉煤灰1～65％，建筑细沙和建筑碎石1～96％，固体水玻璃粉1～20％，并以河津赤泥+粉煤灰+建筑细沙和建筑碎石为100％计，外加5～45％的水和0.1～10％的木质素磺酸钙粉。
2.根据权利要求1所述的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料，其特征在于：所选赤泥是山西河津氧化铝厂生产氧化铝过程浸出后的固体废弃物赤泥。其化学成分按重量百分比计，各组分的含量分别为，Al2O3 5～15％，SiO2 15～25％，Fe2O3 5～12％，CaO 44～48％，Na2O 1～3％，TiO2 1～5％。
3.根据权利要求1所述的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料的制备方法，其特征在于：所有原料加水混料至半干状态并在室温下密封陈化后进行成形，其成形密实技术采用的是半干法高压振动加压成形密实技术，振动成形时压力在10～60MPa；然后经过养护和干燥等工艺过程即得到本发明所制备的赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料。
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