CN101717226A

CN101717226A - 将高炉矿渣固化为建筑材料的方法

Info

Publication number: CN101717226A
Application number: CN200910199745A
Authority: CN
Inventors: 景镇子; 潘晓辉; 鲁磊; 冉献强
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2010-06-02

Abstract

本发明属于废弃物循环利用领域，具体涉及一种将高炉矿渣固化为建筑材料的方法。具体步骤为：首先，将主原料高炉矿渣和含CaO的辅助原料混合形成混合料，所述含CaO的辅助原料的重量为混合料总重量的0～25％；然后，在上述混合料中加入占混合料总重量5％～20％的水或碱溶液，搅拌均匀后，在10～40MPa的压力下压制成型；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在100～200℃的温度下，在0.1～1.55MPa的饱和蒸汽压下水热处理1～48h，即得所需产品。本发明利用水热技术将高炉矿渣固化成建筑材料，这种建筑材料制品能替代传统的墙地砖、护河堤坝砌块，具有强度高、稳定性好的特点，为高炉矿渣的大规模处置和利用提供一种新的有效方法。

Description

将高炉矿渣固化为建筑材料的方法

技术领域

本发明属于废弃物循环利用领域，具体涉及一种将高炉矿渣固化为建筑材料的方法。

背景技术

高炉矿渣是炼铁过程中高温熔渣冷却而形成的一种工业废弃物。根据其冷却方式的不同，分为急冷渣和慢冷渣。急冷渣中含有大量玻璃体，活性高，一般较好利用，现在多利用于制造水泥。而慢冷渣，即重矿渣，由于活性低，处置利用较为困难。无法处置的矿渣现在被大量随意堆放，不仅占用土地，而且对环境也具有及其恶劣的影响。

目前，对高炉矿渣资源化利用的研究工作已取得一定的成果，如中国专利《粒化高炉矿渣水泥砂浆》(公开日1997年3月5日，公开号CN1144206)、《使用粒化的高炉矿渣制造波特兰矿渣水泥的改进方法》(公开日2008年2月6日，公开号CN101117278)、《球磨钢渣尾泥与高炉矿渣复合活性粉及其在制备混凝土中的应用》(公开日2009年9月30日，公开号CN101544479)、《重矿渣砂及其制备方法》(公开日1993年3月24日，公开号CN1070171)和《高炉重矿渣砼路面》(公开日1998年12月23日，公开号CN1202556)中公开的技术，利用高炉矿渣制备了矿渣水泥和混凝土集料等。但还没有一种技术可以直接利用高炉矿渣做墙地砖等建筑材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用水热技术将我国大量存在的高炉矿渣(包括急和慢冷渣)固化为建筑材料的方法，变废为宝，为节能减排做出贡献。

本发明提出的将高炉矿渣固化为建筑材料的方法，利用水热技术将高炉矿渣固化为建筑材料的方法，具体步骤如下：

首先，将主原料高炉矿渣和含CaO的辅助原料混合形成混合料，所述含CaO的辅助原料的重量为混合料总重量的0～25％；然后，在上述混合料中加入占混合料总重量5％～20％的水或碱溶液，搅拌均匀后，在10～40MPa的压力下压制成型；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在100～200℃的温度下，在0.1～1.55MPa的饱和蒸汽压下水热处理1～48h，即得所需产品。

本发明中，所述含CaO的辅助原料为生石灰、消石灰或水泥中一至多种。

本发明中，所述碱溶液KOH溶液或NaOH溶液中任一种。

本发明中，还可在混合料中添加混合料总量5-20％的天然石料。

本发明中，还可在混合料中添加占混合料总量1％～5％的无机染料，以增加美观。

本发明利用水热技术固化高炉矿渣制备了一种新型建筑材料，可用做墙地砖、护河堤坝砌块等，为高炉矿渣的资源化利用提供了一种新的有效地选择。这种处置方式有以下优点：

1.不仅适用于活性大的急冷渣，而且也适合用于活性小的慢冷渣；

2.制备的建筑材料制品强度高，抗折强度最高可达18MPa；

3.水热制备过程由于温度低(≤200℃)，耗能低，是传统陶瓷烧结能耗的1/6。

附图说明

图1：成型压力对固化材料的抗折强度的影响。

图2：消石灰的添加量对固化材料的抗折强度的影响。

图3：氢氧化钠溶液添加量对固化材料的抗折强度的影响。

图4：氢氧化钠溶液浓度对固化材料的抗折强度的影响。

图5：水泥、生石灰、消石灰的添加对固化材料的抗折强度影响的比较。

图6：水热温度对固化材料的抗折强度的影响。

图7：水热时间对固化材料的抗折强度的影响。

图8：天然石料添加量对固化材料的抗折强度的影响。

图9：固化前后样品的SEM图片，其中，(a)、(b)分别为固化前后样品的低倍SEM图片，(c)和(d)为固化后样品较好结晶区域的高倍SEM图片。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：

首先，选取高炉矿渣为主原料，选取普通水泥为辅助原料，将上述原料混合，普通水泥占混合料总重的5％；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量15％的1M NaOH溶液，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为40MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在200℃饱和蒸汽压(1.55MPa)下水热处理48h，得到最终的样品。

实施例2

首先，选取高炉矿渣为主要原料，选取工业用消石灰为辅助原料，将上述原料混合，消石灰占混合料总重的5％；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量10％的2M KOH溶液和1％的无机染料，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为20MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在200℃饱和蒸汽压(1.55MPa)下水热处理12h，得到最终的样品。

实施例3

首先，选取高炉矿渣为主要原料，选取生石灰、天然石料为辅助原料，将上述原料混合，生石灰占混合料总重的5％，天然石料占混合料总重的20％；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量15％的水溶液，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为30MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在100℃饱和蒸汽压(0.1MPa)下水热处理24h，得到最终的样品。

实施例4

首先，选取高炉矿渣为主原料，选取工业用消石灰、天然石料为辅助原料，将上述原料混合，消石灰占混合料总重的10％，天然石料占混合料总重的5％；然后，向上述混合料中加入占混合料总重量15％的4M NaOH溶液和5％的无机染料，搅拌均匀后，在压片机下压制成型，成型压力为10MPa；最后，将压制好的试样放入水热反应釜内，在200℃饱和蒸汽压(1.55MPa)下水热处理1h，得到最终的样品。

水热固化材料的硬化机理是在水热固化过程中，材料内生成了杆状的水化硅酸钙和小颗粒的水榴石晶体，相互胶结在一起的杆状水化硅酸钙和小颗粒的水化石榴石形成于材料内大颗粒的表面，并填充到材料内部大颗粒之间的孔隙当中，提高了材料的致密度，导致材料强度提高。

下面以高炉矿渣作实验进一步说明本发明。

图1为成型压力对固化材料抗折强度的影响。成型压力分别为10MPa、20MPa、30MPa或40MPa。实验条件：消石灰添加量10wt％，2M NaOH溶液添加量15wt％，200℃温度下水热固化12h。由图可以看出，样品的抗折强度随成型压力的增加而提高。

图2为消石灰添加量不同对固化材料抗折强度的影响。实验中分别添加占混合料总重5％、10％、15％、20％、25％的消石灰及不添加消石灰。实验条件：2M NaOH溶液添加量15wt％，30MPa的成型压力，200℃温度下水热固化12h。由图中可以看出，不添加消石灰时，强度很低，随着消石灰的加入，强度增加，消石灰添加量为15wt％时，强度达到最大值，继续加入消石灰，强度缓慢下降。由此可见，消石灰的最佳添加量为10wt％。

图3为2M NaOH添加量对固化材料抗折强度的影响。实验中分别添加0％、5％、10％、15％的2M NaOH溶液。实验条件：消石灰添加量为10％，在30MPa成型压力下成型后，在200℃温度下水热固化12h。由图中可以看出，未加2MNaOH溶液时，材料强度为0MPa，但加入5％、10％、15％的2M NaOH溶液，强度差别很小。

图4为NaOH溶液浓度对固化材料抗折强度的影响。实验中分别15％、的0M、1M、2M、3M、4M NaOH溶液。其实验条件和图3相同。由图中可以看出，添加0M NaOH溶液(即15％的蒸馏水)时，材料强度很低，随着溶液浓度的提高，强度增加，溶度为2M时，强度达到最大值，继续提高浓度，强度缓慢下降。

图5为添加水泥(5％)、生石灰(5％)和消石灰(5％)时固化材料的抗折强度。其实验条件图2相同。从图中看出，三者强度都达到12MPa以上，符合建材的应用要求。

图6、7为水热温度及时间对固化材料抗折强度的影响。实验条件：消石灰添加量10％、2M NaOH添加量15％、成型压力30MPa。图6是不同的温度(未水热固化、100℃、150℃、200℃)下12h水热固化后测试所得，由图4可以看出随着温度提高，水热固化材料强度升高，表明温度升高，有利于水热反应的进行。图7为200℃温度下经不同时间(未水热固化、1h、3h、9h、12h、24h、48h)水热固化后测试所得，由图中可以看出，随着时间的延长，强度增加，24h时最大(约16MPa)，48h时，强度有一定程度的下降。这表明，一定范围内，水热固化时间延长有利于样品强度提高，但过长时间的水热固化对材料强度的增加不利。

图8是天然石料不同添加量对固化材料抗折强度的影响。实验中分别添加占混合料总量0％、5％、10％、20％的天然石料。实验条件：消石灰添加量10wt％，2M NaOH溶液添加量15wt％，40MPa的成型压力，200℃温度下水热反应12h。结果表明，适量添加天然石料对固化体的强度影响不大。

图9是未水热处理(a)和水热处理(b、c、d)后固化材料的电子显微镜图像(a、b为5000倍，c、d为50000倍)。比较a、b两个水热处理前后图像，很明显可以看出，在水热处理前，成型体中颗粒尺寸很大，松散的堆积在一起，颗粒之间存在较大的孔隙，故强度很低。水热固化后，由于溶解/析出、晶体生成和填充等作用，固化体结构变得非常致密。从c和d两个水热处理后高倍率SEM微观相貌图中，可以发现固化体出现水榴石微粒填充到样品空隙中以及彼此相互胶连的杆状水化硅酸钙晶体。由于这两种晶相的共同作用提高了水热处理后固化体的强度。

以上对本发明进行了详细的介绍，文中应用了具体的实例对本发明进行阐述，这是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在本发明的思想应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种将高炉矿渣固化为建筑材料的方法，其特征在于具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的将高炉矿渣固化为建筑材料的方法，其特征在于：所述辅助原料为生石灰、消石灰或水泥中一至多种。

3.根据权利要求1所述的将高炉矿渣固化为建筑材料的方法，其特征在于：所述碱溶液为KOH溶液或NaOH溶液。

4.根据权利要求1所述的将高炉矿渣固化为建筑材料的方法，其特征在于：在混合料中添加混合料总量5-20％的天然石料。

5.根据权利要求1或4所述的将高炉矿渣固化为建筑材料的方法，其特征在于：在混合料中添加混合料总量1％～5％的无机染料。