CN101857387A - 脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料及其制备方法 - Google Patents

脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脱硫石膏-高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料及其制备方法，该地聚合物胶凝材料以高钙粉煤灰为主要原料，以热处理脱硫石膏为矿物外加剂，以氢氧化钠和液体状的钠水玻璃制得的溶液为复合化学外加剂，本发明确定了脱硫石膏热处理方式和复合化学外加剂的模数和掺量，并在一定的养护环境中使该体系具有较好的性能。该发明利用的是工业废弃物高钙粉煤灰和污泥，减轻了环境的负担，也降低了成本，减少了资源消耗，而且这种地聚合物胶凝材料是一种低碳排放的绿色环保型的胶凝材料，符合当前社会发展的趋势，具有良好的经济效益与社会效益。

Description

脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料领域，涉及以高钙粉煤灰作为硅铝源原材料，以脱硫石膏为矿物外加剂、以钠水玻璃和氢氧化钠配制所得溶液为复合化学外加剂所制备的一种新型低碳排放的地聚合物胶凝材料及其制备方法。
背景技术
水泥是一种传统的胶凝材料，为人类经济发展与社会进步做出了巨大贡献，然而硅酸盐水泥的原材料的紧缺已是全球必须面对的十分紧迫的实际问题，在本世纪中叶就将耗尽。加之，硅酸盐水泥不仅高能源消耗，而且其生产过程是一个高碳排放的过程，生产1吨水泥将排放约1吨的温室气体。因此，各国纷纷出台相应的措施限制水泥工业规模的发展，同时由于国家经济建设迫切需要，各国也相继发展新型的绿色胶凝材料，以取代这种传统的胶凝材料水泥，使胶凝材料在为人类造福的同时不至于给环境造成严重的负担。
粉煤灰是火力发电厂排放出来的一种以硅铝为主要成分的工业副产品。普通粉煤灰是烟煤作为动力燃料而排放出来的氧化钙含量很低的低钙粉煤灰，而高钙粉煤灰则是褐煤、亚烟煤或次烟煤作为动力燃料而排放出来的，其(SiO2+Al2O3+Fe2O3)的质量百分含量≥50％，CaO的质量百分含量≥10％。随着电力工业的飞速发展和煤炭资源的耗竭，具有高挥发分的褐煤、次烟煤和亚烟煤也常常被用作动力燃料，导致越来越多的高钙粉煤灰的大量排出，并由于其游离氧化钙含量高而难以在水泥基材料中得到有效利用并堆积形成新的污染源，亟需加以处置利用。相对于低钙粉煤灰，高钙粉煤灰中除含有大量的硅铝质成分外，还含有一定的钙质成分。另外，为实现能源的清洁燃烧，各国各火力电厂均将安装烟气脱硫净化工艺，脱硫石膏是这一工艺的副产物，其主要化学成分是二水硫酸钙。
地聚合物是以硅铝质材料为原料通过矿物聚缩反应而生成的一种低能耗、长寿命、无CO2排放的高性能无机聚合物。随着人类对环境保护意识的加强和研究工作的进展，制备地聚合物的原材料也已从天然矿物原料拓宽为可利用固体废弃物。粉煤灰基地聚合物的研究目前集中于低钙粉煤灰，这与其含有相对较纯的硅铝质成分有关。
发明内容
本发明以高钙粉煤灰为主要原料，以热处理脱硫石膏为矿物外加剂，以钠水玻璃和液体状的氢氧化钠制得的溶液为复合化学外加剂，确定脱硫石膏热处理方式和复合化学外加剂的模数和掺量，并在一定的养护环境中使该体系具有较好的性能，在一定范围内能部分取代或优于水泥使用。
高钙粉煤灰中大部分是细小的玻璃质球状颗粒，当高钙粉煤灰被复合化学外加剂激发时，部分铝硅相从高钙粉煤灰的球壳溶出并发生地聚合反应，这与碱激发低钙粉煤灰类似。而脱硫石膏经低温煅烧后失水变成硬石膏，在脱硫石膏和高钙粉煤灰为主的体系中除自身凝结产生强度外，还起到硫酸盐激发剂的作用，有一定的激发效果。脱硫石膏含有少量未反应的CaCO3和部分可溶盐，如盐，这些杂质的存在都可以加速水化，激发活性。高钙粉煤灰具有火山灰活性，其和脱硫石膏K+、Na+的体系在碱和硫酸盐等激发剂的激发作用下，能形成一定强度的地聚合物胶凝材料。
该发明利用的是工业废弃物高钙粉煤灰和脱硫石膏，首先给废弃物的利用提供了途径，减轻了环境的负担，也降低了成本，减少了资源消耗，符合节能减排且满足我国国情的要求；同时它是一种无熟料的胶凝材料，节约了能源消耗；加之这种新型胶凝材料只有少量的温室气体的排放，是一种环保型的胶凝材料。另外，它在一定程度上可以取代水泥，可以减少水泥的生产，也就是减少了水泥生产过程中的高资源、能源消耗，高碳排放，也减少了其对环境造成的巨大压力。所以，这种低碳排放的胶凝材料是一种绿色环保型的胶凝材料，符合当前社会发展的趋势，具有良好的经济效益与社会效益。
本发明的技术方案如下：
本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料的原料包括高钙粉煤灰、热处理脱硫石膏和复合化学外加剂，其中：热处理脱硫石膏为脱硫石膏在600℃～800℃的温度下煅烧0.5h～1.5h而得；复合化学外加剂由氢氧化钠和液体状的钠水玻璃配制而成，复合化学外加剂的模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0；该三种原料之间的量比关系为：高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏的质量比为9∶1～8∶2；由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏质量之和的10％～15％。
本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料的制备方法按以下步骤进行：
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0，制成复合化学外加剂备用。
b、将脱硫石膏升温至600℃～800℃的温度下煅烧0.5h～1.5h，制得热处理脱硫石膏，冷却后备用。
c、将高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏以质量比9∶1～8∶2混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏质量之和的10％～15％，即得试样。
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h或室温下养护3d～28d，即得到本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
本制备方法也可按照步骤b、a、c、d的顺序进行。
进一步，步骤a中所得复合化学外加剂陈化24h后备用，可进一步提高复合化学外加剂的活性。
进一步，步骤b中在将脱硫石膏升温至600℃～800℃煅烧的过程中，控制升温速率为10℃/min，升至设定温度后煅烧0.5h～1.5h。
进一步，步骤c中控制高钙粉煤灰、热处理脱硫石膏以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4。
由上述步骤制得的脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料主要由无定形的无机聚合物组成，各项性能优良，抗压强度与《砌筑水泥》(GB/T 3183-2003)中12.5等级砌筑水泥相当，能够取代该等级的砌筑水泥运用于实际工程。
具体实施方式
本发明六个实施例中的主要原材料脱硫石膏和高钙粉煤灰取自某电厂，其主要成分见表1。氢氧化钠为含99.2％NaOH的化学试剂；市售的液体状的钠水玻璃固含量38.3％，含有9.1％Na2O，29.2％SiO2和61.7％的水。
表1 脱硫石膏和高钙粉煤灰的主要化学成分及含量(wt.％)
Figure GSA00000108042100031
实施例①
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5，制成复合化学外加剂，陈化24h，备用。
b、控制升温速率为10℃/min，将脱硫石膏升温至600℃，煅烧1h，制得热处理脱硫石膏，冷却后备用。
c、将高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏以质量比9∶1混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏质量之和的10％，并控制高钙粉煤灰、热处理脱硫石膏以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4，即得试样。
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h，即得到本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例②其余条件和步骤均与实施例①相同，不同之处在于步骤d为：将制得的试样在室温下养护3d～28d，即得本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例③
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5，制成复合化学外加剂，陈化24h，备用。
b、控制升温速率为10℃/min，将脱硫石膏升温至800℃，煅烧1h，制得热处理脱硫石膏，冷却后备用。
c、将高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏以质量比9∶1混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏质量之和的10％，并控制高钙粉煤灰、热处理脱硫石膏以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4，即得试样。
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h，即得到本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例④其余条件和步骤均与实施例③相同，不同之处在于步骤d为：将制得的试样在室温下养护3d～28d，即得本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例⑤
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5，制成复合化学外加剂，陈化24h，备用。
b、控制升温速率为10℃/min，将脱硫石膏升温至800℃，煅烧1h，制得热处理脱硫石膏，冷却后备用。
c、将高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏以质量比8∶2混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏质量之和的10％，并控制高钙粉煤灰、热处理脱硫石膏以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4，即得试样。
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h，即得到本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
实施例⑥其余条件和步骤均与实施例③相同，不同之处在于步骤d为：将制得的试样在室温下养护3d～28d，即得本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料。
由以上六个实施例制备的脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料的基本性能见表2
表2脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料的基本性能
Figure GSA00000108042100041
由表2中的数据可知，按照实施例的制备方法制得的脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料的各项性能优良，抗压强度与《砌筑水泥》(GB/T 3183-2003)中12.5等级砌筑水泥相当，能够取代该等级的砌筑水泥运用于实际工程。
上述对实施例的描述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显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理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，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料，其特征在于：该地聚合物胶凝材料的原料包括高钙粉煤灰、热处理脱硫石膏和复合化学外加剂，其中：热处理脱硫石膏为脱硫石膏在600℃～800℃的温度下煅烧0.5h～1.5h而得；复合化学外加剂由氢氧化钠和液体状的钠水玻璃配制而成，复合化学外加剂的模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0；该三种原料之间的量比关系为：高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏的质量比为9∶1～8∶2；由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏质量之和的10％～15％。
2.根据权利要求1所述的地聚合物胶凝材料的制备方法，按以下步骤进行：
a、将氢氧化钠和液体状的钠水玻璃混合，控制其模数M(SiO2)/n(Na2O)为1.5～2.0，制成复合化学外加剂，备用；
b、将脱硫石膏升温至600℃～800℃的温度下煅烧0.5h～1.5h，制得热处理脱硫石膏，冷却后备用；
c、将高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏以质量比9∶1～8∶2混合，并加入制得的复合化学外加剂，由复合化学外加剂引入的Na2O的质量为高钙粉煤灰与热处理脱硫石膏质量之和的10％～15％，即得试样；
d、将制得的试样在75℃下水热养护4h～24h或室温下养护3d～28d，即得到本发明脱硫石膏—高钙粉煤灰地聚合物胶凝材料；
本制备方法也可按照步骤b、a、c、d的顺序进行。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤a中所得复合化学外加剂陈化24h后备用。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：步骤b中在将脱硫石膏升温至600℃～800℃煅烧的过程中，控制升温速率为10℃/min，升至设定温度后煅烧0.5h～1.5h。
5.根据权利要求2或3或4的制备方法，其特征在于：步骤c中控制高钙粉煤灰、热处理脱硫石膏以及复合化学外加剂构成的体系的水灰比为0.4。
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Address after: 247000 Jin Yuan, Anhui, Chizhou, Guichi, China. At the intersection of Feng Ming Road and GUI Tong Road, the original building is 300 meters east.

Patentee after: Shanghai Di Hao Industrial Co., Ltd.

Address before: 1239 Siping Road, Shanghai, No. 200092

Patentee before: Tongji University

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Address after: 247000 Jiangnan industrial cluster area, Chizhou, Anhui, Jin Yuan building, intersection of Feng Ming Road and Guizhou copper kilometer.

Patentee after: Anhui Di Hao science and technology environmental materials Co., Ltd.

Address before: 247000 Jin Yuan, Anhui, Chizhou, Guichi, China. At the intersection of Feng Ming Road and GUI Tong Road, the original building is 300 meters east.

Patentee before: Shanghai Di Hao Industrial Co., Ltd.

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