CN103073205B - 一种绿辉石地质聚合物材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种绿辉石地质聚合物的制备方法，主要步骤如下：利用绿辉石为固体原料，固体原料按100份重量份计：大颗粒A30-40份，中颗粒B20-30份，小颗粒C30-45份，混匀；向固体料中加入减水剂、水玻璃，混匀后用10-30目的筛子造粒；将造粒后的原料填入模具中，加压成型，脱模；养护后即得绿辉石地质聚合物材料。本发明方法实现了绿辉石矿渣的资源化利用，工艺简单，成本低，能耗少，并且获得机械性能较为优异的绿辉石地质聚合物材料，此绿辉石地质聚合物材料经进一步加工，可用作人造石材，装饰面材。

Description

一种绿辉石地质聚合物材料的制备方法

技术领域

 本发明涉及一种无机胶凝材料的制备方法，具体涉及一种绿辉石地质聚合物材料的制备方法。

背景技术

绿辉石的成分为(Ca，Na)(Mg，Fe²⁺，Fe³⁺，Al)(Si₂O₆)，属单斜晶系，完整晶体少见，常呈柱状和柱粒状集合体，绿色、暗绿色，有时呈蓝绿、浅绿甚至灰白色，条痕无色或淡绿色，玻璃光泽，硬度5～6，密度3.29～3.37g/cm³，主要产于榴辉岩中，亦见于蓝闪石片岩中。本发明所选用的绿辉石是榴辉岩型金红石矿的伴生矿物，它是榴辉岩型金红石矿初选出金红石和石榴子石后剩余的矿物，根据选矿试验综合回收估算，榴辉岩型金红石矿中，伴生石榴子石＞40%，储量203.40万吨，伴生绿辉石含量＞20%，储量101.70万吨。榴辉岩型金红石矿中附加值高的金红石和石榴子石被选出后，剩下的绿辉石的可利用率低，容易造成大量的堆积，不仅占地，还引起环境的污染和资源的浪费。因而实现绿辉石矿渣的资源化利用，是符合环保、资源综合利用的一项值得实践的工作。当前，绿辉石的应用主要集中在磨料、陶瓷原料、颜料、宝石等，但在这些方面的应用，都有成本高，工艺复杂，消耗量少的缺陷。

地质聚合物是一种无机聚合铝硅酸盐材料，又称土壤聚合物、地聚物、土聚物、矿物键合材料、矿物聚合材料等。它主要是指一种或一种以上的矿物材料或经改性的矿物材料为原料，采用浇注或压制的成型方法，在较低的温度下发生地质聚合反应，形成以共价键、离子键为主的致密高强材料。合成地质聚合物的原料以无机非金属矿物和工业废渣为主，主要的有效成分为铝硅酸盐。地质聚合物的合成主要包括在碱激活条件下的溶解、水解、缩聚和固化过程,即无机原料在碱性条件下溶解而释放出水合硅 、铝离子。这些离子通过水解而形成特定的硅、铝氢氧离子,如[Al(OH)₄]^-、[Si(OH)₃]^-、[SiO₂(OH)₂]^2-等，缩聚形成三维的网络状结构，随着网络结构的不断扩大而导致材料凝固,直至最终硬化成为有用的地质聚合物材料。地聚物的三维网络状结构与水泥以水化氧化硅为主的微纤维状结构完全不同,而这种差别导致地质聚合物材料与水泥在性质上大不相同：如它比水泥有更高的机械强度 ,比水泥更耐化学腐蚀和环境的侵蚀，比水泥更耐高温并具有水泥所没有的防火性能等。

目前国内已有部分研究采用偏高岭土，粉煤灰，矿渣等有效成分为铝硅酸盐的材料为原料，合成地质聚合物，并将此用作建筑砖块材料，建筑装饰材料，防火涂料，铺路材料，保温材料等；中国地质大学（北京）的课题组利用富钾板岩提钾后的废渣35%、细粉煤灰60%、NaOH5%(质量比)等原料合成了地质聚合物地面砖，制备出的地面砖样品平均抗压强度达到52.8MPa，单块抗压强度达到46.1MPa。

检索到的相关专利有，专利文献200910092222.X中描述了一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法，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为主要基质原料，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，在10-60MPa的压力下加压成型，40⁰C-280℃的温度下养护，7d抗压强度>25MPa。专利文献200810094314.7中公开的是一种亚麻极短纤维地质聚合物复合艺术造型材料，采用偏高岭土、废弃亚麻极短纤维、粉煤灰或电石渣为固体原料，加入硅酸钠、氢氧化钠水溶液、颜料，搅拌混合后，成型养护得地质聚合物复合艺术造型材料。专利文献201110143599.0中描述了一种稻壳灰和偏高岭土基地聚物复合防火涂料及其制备方法，涂料主要由稻壳灰、碱激发的偏高岭土基地质聚合物组成。专利文献200910108182.3中描述了一种抢修、抢建用地质聚合物胶凝材料，用激发剂和高炉矿渣、钢渣、粉煤灰和煤矸石等材料中一种或多种组合为原料，加水配制成地质聚合物胶凝材料，根据专利中的说明书可知，该专利中所用原料都需要研磨至表面积大于400m²/Kg。专利文献200810074692.7中描述了一种锰渣基地质聚合物胶凝材料的制备方法，用锰渣和高岭土为固体原料，水玻璃、水、激发剂为液体原料采用浇注成型的方法，成型养护后获得锰渣基地质聚合物胶凝材料,该专利所论述实例部分样品7d抗压强度达60MPa。专利文献200810110097.6描述了油页岩灰渣基地质聚合物胶凝材料，用粒径为200目的油页岩灰渣、粒径为200目的低温煅烧高岭土、细度为150目的生石灰、P32.5水泥，掺入模数为3.3的工业硅酸钠与工业碱的混合液，搅拌成型后，养护得油页岩灰渣基地质聚合物，从该专利的说明书中可知，养护28d的抗压强度达28MPa。上述专利文献公开的均是涉及了地质聚合物的相关应用领域，但相关发明中都并不是使用单一原料，且大部分都用到煅烧的偏高岭土，或者是在较高温度下养护，或要把样品研磨到一定细度，且部分工艺相对复杂，这样生产能耗提高，对于大量矿渣的资源化处理并不便利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种可以实现绿辉石矿渣的资源化利用，成本低，工艺简单，消耗量大，无毒无污染的绿辉石地质聚合物材料的制备方法。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种绿辉石地质聚合物材料的制备方法，其特点是，其步骤如下：

（1）取绿辉石矿渣原料进行研磨，得三种颗粒级别的矿渣原料：大颗粒A，其粒径为20-40目；中颗粒B，其粒径为50-100目，小颗粒C，其粒径为200-300目；固体原料按100份重量份计：大颗粒A占30-40份，中颗粒B占20-30份，小颗粒C占30-45份，三颗粒混匀后得固体原料待用；

（2）按固体原料与减水剂重量体积比为50-100g/ml混匀，再按固体原料与水玻璃重量体积比为5-20g/ml，加入水玻璃混匀，将混合物造粒，过10-30目筛，得填料待用；水玻璃的模数为3.0-3.4，减水剂为木质磺酸钠盐减水剂；

（3）将填料装入模具中，在30-90MPa下加压成型，保压3-5min，脱模；然后在温度为25-90℃、湿度为60-90%的条件下养护7-28天，即得到体积密度为2.4-2.6g/cm³，吸水率为8%-14%，抗压强度为30-60MPa的绿辉石地质聚合物材料。

本发明以经选矿后所得的绿辉石矿渣为原料，原料中含有40-50%的SiO₂，8%-10%左右的Al₂O₃，此矿渣因其硅铝含量高，可选作合成地聚物的原料。本发明方法采用低温反应制备绿辉石地质聚合物材料，利用地聚物材料比水泥材料更优异的机械性能，可以将这种材料用作建筑材料、装饰面材、耐火材料，不仅解决了矿渣处理问题，以免造成堆积，更实现了矿渣的资源化利用。与现有技术相比，本发明方法工艺流程简单，成本低，能耗少，无污染。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1，一种绿辉石地质聚合物材料的制备方法，其步骤如下：

（1）取绿辉石矿渣原料进行研磨，得三种颗粒级别的矿渣原料：大颗粒A，其粒径为20目；中颗粒B，其粒径为50目，小颗粒C，其粒径为200目；固体原料按100份重量份计：大颗粒A占30份，中颗粒B占30份，小颗粒C占40份，三种颗粒混匀后得固体原料待用；

（2）按固体原料与减水剂重量体积比为50g/ml混匀，再按固体原料与水玻璃重量体积比为5g/ml，加入水玻璃混匀，将混合物造粒，过10目筛，得填料待用；水玻璃的模数为3.0，减水剂为木质磺酸钠盐减水剂；

（3）将填料装入模具中，在30MPa下加压成型，保压3min，脱模；然后在温度为25℃、湿度为60%的条件下养护7天，即得到体积密度为2.4-2.6g/cm³，吸水率为8%-14%，抗压强度为30-60MPa的绿辉石地质聚合物材料。

实施例2，一种绿辉石地质聚合物材料的制备方法，其步骤如下：

（1）取绿辉石矿渣原料进行研磨，得三种颗粒级别的矿渣原料：大颗粒A，其粒径为40目；中颗粒B，其粒径为100目，小颗粒C，其粒径为300目；固体原料按100份重量份计：大颗粒A占40份，中颗粒B占30份，小颗粒C占30份，三种颗粒混匀后得固体原料待用；

（2）按固体原料与减水剂重量体积比为100g/ml混匀，再按固体原料与水玻璃重量体积比为20g/ml，加入水玻璃混匀，将混合物造粒，过30目筛，得填料待用；水玻璃的模数为3.4，减水剂为木质磺酸钠盐减水剂；

（3）将填料装入模具中，在90MPa下加压成型，保压5min，脱模；然后在温度为90℃、湿度为90%的条件下养护28天，即得到体积密度为2.4-2.6g/cm³，吸水率为8%-14%，抗压强度为30-60MPa的绿辉石地质聚合物材料。

实施例3，一种绿辉石地质聚合物材料的制备方法，其步骤如下：

（1）取绿辉石矿渣原料进行研磨，得三种颗粒级别的矿渣原料：大颗粒A，其粒径为30目；中颗粒B，其粒径为75目，小颗粒C，其粒径为250目；固体原料按100份重量份计：大颗粒A占35份，中颗粒B占20份，小颗粒C占45份，三种颗粒混匀后得固体原料待用；

（2）按固体原料与减水剂重量体积比为75g/ml混匀，再按固体原料与水玻璃重量体积比为12g/ml，加入水玻璃混匀，将混合物造粒，过20目筛，得填料待用；水玻璃的模数为3.2，减水剂为木质磺酸钠盐减水剂；

（3）将填料装入模具中，在60MPa下加压成型，保压4min，脱模；然后在温度为50℃、湿度为75%的条件下养护14天，即得到体积密度为2.4-2.6g/cm³，吸水率为8%-14%，抗压强度为30-60MPa的绿辉石地质聚合物材料。

实施例4，绿辉石地质聚合物材料的制备实验一：将绿辉石的固体原料按照100g重量份计：大颗粒（A）30g，中颗粒（B）25g，小颗粒（C）45g的比例混匀物料，加入1ml木质磺酸钠盐减水剂，10ml模数为3.0的水玻璃，混匀后，用20目的筛子造粒，填入模具中，在50MPa下加压成型，保压4min,脱模后，在25℃室温下养护28d，获得绿辉石地质聚合物材料。参照GB/T 9966.3-2001《天然饰面石材试验方法  第3部分：体积密度、真密度、真气孔率、吸收率试验方法》测试样品的体积密度及吸水率，测试结果：体积密度为2.53g/cm³,气孔率为20%左右，吸水率为9.08%；样品力学性能测试结果如下：养护7d样品的抗压强度达36MPa;养护28d抗压强度为41MPa。

实施例5，绿辉石地质聚合物材料的制备实验二：将绿辉石的固体原料按照100g重量份计：大颗粒（A）35g，中颗粒（B）30g，小颗粒（C）35g的比例混匀物料，加入1ml木质磺酸钠盐减水剂，10ml模数为3.0的水玻璃，混匀后，用30目的筛子造粒，填入模具中，在50MPa下加压成型，保压4min,脱模后，在25℃室温下养护28d，获得绿辉石地质聚合物材料。测试方法同实验一，测试结果为：体积密度为2.517g/cm³,气孔率为25%左右，吸水率为9.25%；样品力学性能测试结果如下：养护7d样品的抗压强度达34MPa;养护28d样品抗压强度为36MPa。

实施例6，绿辉石地质聚合物材料的制备实验三：将绿辉石的固体原料按照100g重量份计：大颗粒（A）30g，中颗粒（B）25g，小颗粒（C）45g的比例混匀物料，加入0.5ml木质磺酸钠盐减水剂，15ml模数为3.0的水玻璃，混匀，用20目的筛子造粒，填入模具中，在50MPa下加压成型，保压4min，脱模，在80℃下养护7d，之后至于室温下养护，获得绿辉石地质聚合物材料。     测试方法同实验一，测试结果为：体积密度为2.56g/cm³，气孔率为24%，吸水率为8.13%。样品力学性能测试结果如下：养护7d样品的抗压强度达44MPa;养护28d样品抗压强度达55MPa。

实施例7，绿辉石地质聚合物材料的制备实验四：将绿辉石的固体原料按照100g重量份计：大颗粒（A）30g，中颗粒（B）25g，小颗粒（C）45g的比例混匀物料，加入1.5ml木质磺酸钠盐减水剂，15ml模数为3.0的水玻璃，混匀，用20目的筛子造粒，填入模具中，在40MPa下加压成型，保压4min，脱模，在60℃下养护28d，获得绿辉石地质聚合物材料。测试方法同实验一，测试结果为：体积密度为2.47g/cm³,气孔率为24%，吸水率为9.13%。样品力学性能测试结果如下：养护7d样品的抗压强度达30MPa;养护28d样品强度达40MPa。

Claims (1)

1.一种绿辉石地质聚合物材料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：

（1）取绿辉石矿渣原料进行研磨，得三种颗粒级别的矿渣原料：大颗粒A，其粒径为20-40目；中颗粒B，其粒径为50-100目，小颗粒C，其粒径为200-300目；固体原料按100份重量份计：大颗粒A占30-40份，中颗粒B占20-30份，小颗粒C占30-45份，三种颗粒混匀后得固体原料待用；

（2）按固体原料与减水剂重量体积比为50-100g/ml混匀，再按固体原料与水玻璃重量体积比为5-20g/ml，加入水玻璃混匀，将混合物造粒，过10-30目筛，得填料待用；水玻璃的模数为3.0-3.4，减水剂为木质磺酸钠盐减水剂；

（3）将填料装入模具中，在30-90MPa下加压成型，保压3-5min，脱模；然后在温度为25-90℃、湿度为60-90%的条件下养护7-28天，即得到体积密度为2.4-2.6g/cm³，吸水率为8%-14%，抗压强度为30-60MPa的绿辉石地质聚合物材料。