CN107188442A

CN107188442A - 一种工业废弃物基地质聚合物及其制备方法

Info

Publication number: CN107188442A
Application number: CN201710496268.2A
Authority: CN
Inventors: 田俊; 鄂欣蕊; 王德永; 屈天鹏; 施加伦; 熊远东; 卢士磊; 张敏
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2017-09-22
Anticipated expiration: 2037-06-26
Also published as: CN110759655A; CN110759655B; CN107188442B

Abstract

本发明公开了一种工业废弃物基地质聚合物及其制备方法。该地质聚合物的组成（以质量百分比计）为：铝灰35～45%，高炉渣10～15%，钢渣35～40%，偏高岭土8～15%，按原料总质量的30%添加碱性激发剂。将原料磨成粉末，混合均匀后加入碱性激发剂并搅拌，然后注入模具中，脱模后在室温条件下养护，即得产品。本发明成本低廉，制备方法简单，易于操作。同时本发明地质聚合物主要原料采用常见且产量较大的工业废弃物：钢渣，高炉渣和铝灰，实现了废弃物的二次利用，对节约资源，保护环境具有重要意义。

Description

一种工业废弃物基地质聚合物及其制备方法

技术领域

本发明属于固体废弃物二次利用领域，特别涉及一种工业废弃物基地质聚合物及其制备方法。

背景技术

地质聚合物（geopolyme）是近40年来发展起来的一类新型碱激活胶凝材料，是一种由AlO₄和SiO₄四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物，属于非金属材料。其性能与水泥相似，但性能优于水泥。与普通硅酸盐水泥相比较，具有高强、耐酸碱、低渗透、低收缩、低膨胀、低导热、耐高温、耐久性好等优点。另外，传统的硅酸盐水泥采用“两磨一烧”工艺，消耗大量石油、煤和天然气等能源，同时排放出大量的温室气体，而地质聚合物的制备过程能耗低（传统水泥能耗的30%，陶瓷的1/20，钢的1/70，塑料的1/150），CO₂排放量少（传统硅酸盐水泥的1/5），可以说是一种无污染的“绿色”环保材料，近年来受到广泛关注。地质聚合物在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料、和耐高温材料等方面均有应用。国内在这一领域起步较晚,目前仅有少量基础性研究论文和综述发表，这些文章大多针对地聚合物在水泥方面的应用，而关于怎样制备高性能地聚合物材料的报道十分少见。

随着工业的不断发展，其所产生的废弃物也越来越多。特别是近几十年来，我国钢铁工业和铝业迅猛发展，产生了大量的废渣，很大部分还没有得到很好的利用。大量废渣的堆积不仅占用土地资源，而且会造成环境污染和安全隐患。并且钢渣由于容易粉化目前还没有得到很好的利用。实现钢铁废渣的有效回收利用是钢铁企业的责任和任务。因此，如何合理、有效地利用钢铁渣资源，是近几年来国内外钢铁行业、建材工业等企业所面临的重要课题之一。

发明内容

本发明的目的之一是研究开发一种工业废弃物基地质聚合物及其制备方法，利用铝灰、高炉渣、钢渣，配合添加少量的偏高岭土，在碱性激发剂的作用下使其发生聚合反应来制备地质聚合物，达到废弃物回收利用的目的。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种工业废弃物基地质聚合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）将铝灰、高炉渣、钢渣和偏高岭土分别研磨成10～20μm的粉末，然后混合均匀得到混合物；所述混合物中，钢渣的质量百分数为35～45%，铝灰的质量百分数为铝灰 35～45%；

（2）将Na₂SiO₃与NaOH溶液按照质量比1:10搅拌均匀，得到碱性激发剂；

（3）将碱性激发剂与混合物混合，搅拌20～30min后注入模具中，在60℃下干燥24h后脱模，然后在室温下养护，得到工业废弃物基地质聚合物。

本发明还公开了一种工业废弃物基地质聚合物前驱体系的制备方法，包括以下步骤：

（3）将碱性激发剂与混合物混合，搅拌20～30min，得到工业废弃物基地质聚合物前驱体系。

上述技术方案中，所述NaOH溶液的浓度为8mol/L。

上述技术方案中，混合物中，各成分的质量百分数为：铝灰 35～45%，高炉渣 10～15%，钢渣 35～45%，偏高岭土 8～12%。

上述技术方案中，碱性激发剂的用量为混合物质量的30%。

高炉渣和钢渣是钢铁企业产生的主要固体废弃物，高炉渣是高炉炼铁过程中产生的主要固体废物，钢渣是转炉或者电炉冶炼过程中形成的。钢渣由于易粉碎性而无法进行较好的工业应用，导致其大量被填埋处理。本发明结合其他成分限定，添加大量钢渣，得到的地质聚合物性能优异，克服了现有钢渣无法应用或者仅能少量利用的问题。

铝灰是电解铝或铸造铝生产工艺中产生的熔渣经冷却加工后的产物；其含有多种杂质，现有技术认为会影响地质聚合物的凝胶过程，从而不适用于制备地质聚合物，现有技术没有关于铝灰与地质聚合物关系的报道。本发明通过限定各组分比例，尤其钢渣与铝灰的配合，结合养护工艺，制备出性能优异的地质聚合物，彻底解决了现有技术问题。

传统的制备地质聚合物的原材料主要为煅烧高岭石即偏高岭土。将高岭石在600～700℃高温下煅烧6h后，与碱激发剂混合成浆状,浇入模具，在室温至70℃静置养护，但是价格相对较高而且会造成资源枯竭；本发明仅采用少量的偏高岭土，结合其他废弃原料的比例限定，可以得到强度良好、符合应用标准的地质聚合物。

很多研究表明，原材料的矿物组成和自身性质对地质聚合物的机械性能和地质聚合物的合成过程影响很大，尤其是不同铝硅酸盐矿物与高岭石混合后，发生聚合反应的行为差异很大，导致产品性能各异。利用固体废弃物制备地质聚合物进行的研究，国内外以利用粉煤灰最多。工业固体废弃物的化学成分各有不同，其矿物组成也有较大差异，如:原材料中化学成份、矿物组成、Si/Al、CaO含量、碱激发剂种类等对制备出的地质聚合物性能都有很大影响，导致制备出的地质聚合物各项性能同样差异也较大，比如采用不同产地的高岭土，制备的地质聚合物性能也存在明显差别；现有技术认为粉煤灰制备的地质聚合物抗压与抗折强度最佳。本发明以废弃物为主，仅添加一层左右的偏高岭土，解决了各废弃物中杂质成分的影响，通过参数限定，合理配伍，制备的地质聚合物性能优异，符合应用要求；克服了现有技术认为废弃物为主无法得到可应用地质聚合物以及只有粉煤灰才可用于制备废弃物基底地质聚合物的技术偏见。

原材料中的结晶相和玻璃相的聚合物在很大程度上影响着原材料的活性，但是固体铝硅酸盐在发挥其胶凝性能时,聚合的变化也是很复杂的。玻璃体的聚合度在什么范围制备出的地质聚合物性能最好,评定铝硅酸盐工业废渣活性指标等,还有待进一步研究，现有技术还没有相关理论指导。

本发明的地质聚合物所用原料主要是目前产量较多的工业废弃物，为这些废弃物的二次利用提供了一种新的途径。

碱激发胶凝材料反应产物一直是研究的热点,而且不同的学者的观点难以统一。究其原因，一是反应产物结晶程度低，现有的测试手段难以准确地描述和测量；二是不同学者研究手段和实验条件各异；另外，随着激发剂体系的不同，反应产物也有所不同。现有地质聚合物一般存在早凝现象,而且早期强度高,但后期强度增长不大,这是由于地质聚合物的早凝阻止了原材料的进一步水化；本发明的地聚合物在成型、反应过程凝固后部分自由水作为结构水存在于反应物当中,终产物以离子键以及共价键为主,范德瓦尔斯键为辅,因此具备优异的性能。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但是需要说明的是，实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制。

将铝灰、高炉渣、钢渣和偏高岭土研磨成10～20μm的粉末，然后按照表1所示的配比混合均匀，得到原料混合物。用Na₂SiO₃与NaOH溶液（8mol/L）按照质量比1:10搅拌均匀，得到碱性激发剂。将碱性激发（原料混合物总质量的30%）加入到原料混合物中并搅拌20～30min，得到混合均匀的浆料。然后将浆料注入模具（40mm×40mm×160mm）中，在干燥箱（温度60℃）内干燥24h；然后脱模，抗压强度在50 MPa左右。脱模后在室温（＞20℃）条件下养护28天，然后测试其抗压强度；称取地聚合物样品的起始质量后，分别浸入4mol/L的NaOH溶液中（采用浓度为1mol/L的盐酸，浸入10分钟）,记下起始时间,30min后取出，在50℃烘箱中干燥1h，再称重，计算质量保持率；结果如表1所示，很明显，本发明的产品性能远远优于行业标准以及国家相关标准。

表1 实施例组成配比（质量百分比）及性能

实施例	铝灰	高炉渣	钢渣	偏高岭土	抗压强度（MPa）	抗弯强度（MPa）	耐碱性	耐酸性
									1	38	11	40	11	80	241	99.7%	99.5%
2	35	14	42	9	82	245	99.4%	99.6%
									3	40	11	38	11	83	250	99.8%	99.7%
4	40	12	36	12	84	249	99.7%	99.7%
									5	44	10	38	8	83	246	99.6%	99.5%
6	37	14	39	10	82	247	99.5%	99.5%

可以看出，本发明方法制备的地质聚合物不仅力学强度优异，而且耐酸碱能力强，制备过程无需特殊处理，表面无白霜，收缩率低，另外，本发明产品性能稳定，十批产品的抗压强度误差小于0.1%，解决了现有技术因大量地利用工业副产品或废渣，这些工业副产品或废渣成分和性质渡动往往较大,实际生产中难以稳定产品的质量与性能的缺陷。

地聚合物材料的研究在我国尚属起步阶段，对其形成机理、制备工艺、应用开发的进一步研究不但具有较高的学术价值，而且必将对我国的经济建设产生深远有益的影响。本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形式的技术方案，均落在本发明要求的范围之内。

Claims

1.一种工业废弃物基地质聚合物的制备方法，包括以下步骤：

（1）将铝灰、高炉渣、钢渣和偏高岭土分别研磨成粉末，然后混合均匀得到混合物；所述混合物中，钢渣的质量百分数为35～45%，铝灰的质量百分数为铝灰 35～45%；

（2）将Na₂SiO₃与NaOH溶液搅拌均匀，得到碱性激发剂；

2.一种工业废弃物基地质聚合物前驱体系的制备方法，包括以下步骤：

3.根据权利要求1或者2所述的制备方法，其特征在于，所述NaOH溶液的浓度为8mol/L。

4. 根据权利要求1或者2所述的制备方法，其特征在于，混合物中，各成分的质量百分数为：铝灰 35～45%，高炉渣 10～15%，钢渣 35～45%，偏高岭土 8～12%。

5.根据权利要求1或者2所述的制备方法，其特征在于，碱性激发剂的用量为混合物质量的30%。

6.根据权利要求1或者2所述的制备方法，其特征在于，将铝灰、高炉渣、钢渣和偏高岭土分别研磨成10～20μm的粉末。

7.根据权利要求1或者2所述的制备方法，其特征在于，将Na₂SiO₃与NaOH溶液按照质量比1:10搅拌均匀。

8.根据权利要求1所述的制备方法制备的工业废弃物基地质聚合物。

9.根据权利要求2所述的制备方法制备的工业废弃物基地质聚合物前驱体系。

10.铝灰、高炉渣、钢渣和偏高岭土混合物在制备工业废弃物基地质聚合物中的应用。