CN107500585A - 麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料及制备方法，地聚合物材料包括粉体材料、麦秸秆纤维和液态钠水玻璃激发剂，以磨细低烧煤矸石微粉为主要原料，辅掺适量粒化高炉矿渣微粉与熟石灰为活性增钙剂，掺加麦秸秆纤维作为抗裂增强材料并以水玻璃为激发剂，制得具有高强度、优良抗裂性能的煤矸石地聚合物材料。进行煤矸石的破碎与煅烧、然后进行材料的称量、配料与混合，再进行麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料的制备，可代替水泥，应用于混凝土拌合料的制作，能够减缓水泥制造对石灰石原材料的过快消耗，变废为宝，逐步消除煤矸石堆积与麦秸秆焚烧所带来的种种环境污染问题，提高废弃煤矸石与麦秸秆的利用率、保护环境，是一种节能环保型建筑材料。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物资源化再利用领域，具体涉及一种麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料及制备方法。
背景技术
煤矸石是采煤与洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。目前，全国煤矸石的总积存量约45亿t，而且仍在逐年增长。煤矸石中含有残煤、碳质泥岩等可燃物质，长期露天堆积后，往往会发生自燃现象，并排放出大量的有害气体，造成大气、土壤、水资源的污染，更容易造成地质灾害。麦秸秆是小麦收割完成后的残余物。目前，全国麦秸秆的年产量高达7亿吨。大量焚烧麦秸秆不仅污染环境、带来火灾隐患，甚至给民用航空带来影响。然而，这两种材料均是可利用的再生资源，若能对其综合利用，不但能改善环境，还能节约资源、减少占地，从而促进可持续发展。
地聚合物是在常温或蒸压条件下通过强碱激发铝硅酸盐而建立高强度的一类材料。一般以铝硅酸盐为主要成分的工业固体废渣均可作为地聚合物原料，地聚合物中强碱激发剂可以充分激发工业固体废渣的活性。燃烧后煤矸石残渣的主要成分为铝硅酸盐，地聚合物材料的出现为煤矸石在建材资源化利用方面提供了途径。然而未煅烧煤矸石几乎不具备活性，无法配制地聚合物材料。虽然将煤矸石在700-900℃温度下低烧可以增强其活性，但作为聚合材料其活性仍然不足，导致由其制备的地聚合物存在的聚合反应程度低、聚合强度不高等问题。活性钙(矿粉与熟石灰)的掺入可以明显增强煤矸石地聚合物的强度。这是由于活性钙的掺加提高了煤矸石聚合物的含钙量，进一步激发了矸粉活性，显著提高了聚合反应程度。通过活性钙增强的煤矸石地聚合物虽然具备了良好的抗压强度，但其仍然存在脆性大、易开裂的缺点。
纤维的掺加可以强化和韧化混凝土并提高混凝土的抗裂能力，将麦秸秆加工成纤维增强混凝土的抗裂性能是秸秆资源化利用的有效途径。然而当麦秸秆纤维加入到水泥胶凝材料时，不仅会造成水泥胶凝材料长时间不凝结而且还会造成强度骤降等问题。这是由于麦秸秆纤维中含有大量酚类与有机酸等酸性物质，当其加入到水泥胶凝材料时，大量酸性物质降低了水泥胶凝材料的碱度，阻碍了水泥颗粒的水化，所以在水泥胶凝材料中加入麦秸秆纤维不仅不能起到增韧抗裂的效果而且还带来强度骤降的副作用。如果将麦秸秆纤维用于地聚合物，地聚合物中的强碱激发剂可以充分吸收麦秸秆中的酸性物质，从而消除酸性物质对聚合反应的影响，同时也不会影响激发剂的激发效果。掺入的麦秸秆纤维在地聚合物中产生了加筋抗拉的作用，改善了地聚合物的脆性，明显提高聚合物的抗折强度。所以在煤矸石地聚合物材料中加入麦秸秆纤维不仅能够起到明显的增韧抗裂效果而且不会带来其他副作用。
发明内容
技术问题：本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料及制备方法，以提高废弃煤矸石与麦秸秆的利用率、保护环境、代替混凝土拌制过程中所需的水泥，提高经济效益和环保效益。
技术方案：本发明的麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料，包括粉体材料、麦秸秆纤维和液态钠水玻璃激发剂，所述粉体材料为矸粉、矿粉、熟石灰；其质量百分比：矸粉为50-70％，矿粉为30-50％，熟石灰为2-10％；所述麦秸秆纤维占粉体材料的1-5％；所述细骨料为ISO标准砂，占粉体材料的250-300％；所述地聚合物材料的激发剂为液态钠水玻璃，占粉体材料的2-5％。
使用上述麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料的制备方法：首先进行煤矸石的破碎与煅烧、然后进行材料的称量、配料与混合，最后进行麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料的制备，具体步骤如下；
(1)将煤矸石进行破碎、粉磨后制成煤矸石粉，然后将煤矸石粉置于高温炉中在700℃-900℃恒温煅烧0.5小时，制得矸粉；
(2)将矸粉、麦秸秆纤维、矿粉与熟石灰进行称量配料，然后放入混料机中混合均匀得到混合料；
(3)先用自来水将NaOH溶解并置于搅拌锅中，然后缓慢加入混合料，先慢搅10秒再快搅20秒，然后加入液态钠水玻璃激发剂并快搅30秒；
(4)加入标准砂快搅30秒，制得麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料。
所述矿粉为符合GB/T 18046-2008标准规定的S95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理并粉磨使其达到比表面积≥400m2/kg制得，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90％以上。
所述麦秸秆纤维是由麦秸秆原料经过充分破碎、剥离后形成的细丝状纤维，细丝状纤维的直径d≤3mm，长度L≤20mm。
所述熟石灰是生石灰粉经充分消解、烘干后的熟石灰粉，0.08mm的方孔筛筛余量为0.
所述液态钠水玻璃激发剂为模数在2.5-3.0之间、波美度在37°-41°之间的激发剂。
所述的NaOH为片碱，工业级，纯度95％。
所述的矸粉为采煤和洗煤过程中排放的固体废物，经烘干、破碎、粉磨与煅烧而成，粉磨使其达到比表面积≥350m2/kg，粒径小于30μm的煤矸石颗粒占总质量的90％以上。
有益效果：本发明以低烧矸粉为聚合基体，掺加活性钙(矿粉与熟石灰)作为聚合反应催化剂并辅以麦秸秆纤维作为聚合体抗裂剂，充分发挥活性钙增强聚合反应的作用，麦秸秆纤维改善聚合体易开裂与增韧作用，制备出高强、抗裂性与延展性优良的煤矸石地聚合物材料。煤矸石地聚合物材料可部分代替水泥，用于混凝土拌合料的制作，能够减缓水泥制造对石灰石原材料的过快消耗，变废为宝，逐步消除煤矸石堆积与麦秸秆焚烧所带来的种种环境污染问题，提高废弃煤矸石与麦秸秆的利用率、保护环境，具有显著的环境效益和社会效益，是一种节能环保型建筑材料。这对于我国这样一个能源紧缺和环境污染比较严重的国家具有特别重要的意义。与现有技术相比具有如下优点：
1)早强与高强、抗裂与抗折性能优良
本发明麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料具有早强、高强的特点，可替代水泥作为胶凝材料使用。矿粉与熟石灰的掺入，激发了矸粉的聚合反应活性，增强了煤矸石地聚合物的聚合反应程度，从而显著提高其抗压强度。麦秸秆纤维的掺入，改善了煤矸石地聚合物的抗裂性能，增强煤矸石地聚合物的断裂韧性和抗折强度。与传统地聚合物材料相比，麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料早后期强度大幅提高，抗折强度也得到明显改善，具体见表1。
表1麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料性能
2)大幅缩短养护时间、加快施工进度
传统施工过程中，水泥混凝土浇筑完成后至少需要养护7d方能拆模继续施工，而麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料养护3d的抗压强度就能达到50.36MPa，达到GB/T17671-1999标准采用P.O 42.5水泥制备的胶凝材料养护28d的强度。所以，麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料浇筑完成后只需养护3d就能拆模继续施工，这大幅缩短了养护时间，提高模板周转率，加快施工进度，显著降低施工成本。
3)生产和使用简单方便
工业化生产矸粉的产量大、能耗低，且矸粉在较低温度下煅烧(700℃)即具备较高活性，矸粉与其他混合材仅需按比例拌合均匀即可，在混凝土拌制时可以用本项目研制的煤矸石地聚合物材料直接替代水泥浇注成型，无需蒸压或蒸汽养护。生产和使用简单方便，有利于工业化生产和推广应用。
4)无毒副作用
麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料中所使用的原材料均不含有毒有害物质，所以制备出的地聚合物材料无毒、无臭，对钢筋无锈蚀作用，长期使用不会产生重金属离子析出问题，对环境不带来负面影响。
5)无安定性不良问题
矸粉中MgO含量极低，具体见表2。经过试验证实，绝大多数MgO都以辉石和铁镁橄榄石矿物形式存在，无游离态的MgO，利用煤矸石地聚合物胶凝材料制备混凝土不会产生安定性不良的问题。
表2煤矸石XRF分析 ％
6)显著的环境效益和社会效益
麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料采用工业废弃物煤矸石与农业生产废弃物麦秸秆等为主要原料，不仅可以减缓水泥制造对石灰石原材料的过快消耗，而且可以变废为宝，逐步消除废弃煤矸石堆积与麦秸秆焚烧所带来的种种环境污染问题。同时煤矸石聚合材料可再生循环使用，是一种环保型绿色建筑材料，所产生的环境效益和社会效益将无法估量。
本发明通过活性钙与麦秸秆纤维的增强作用将惰性煤矸石的潜在活性充分激发出来，明显改善地聚合物材料强度低与抗裂性差的缺点。用其生产的煤矸石地聚合物材料的物理力学性能与耐久性能远超纯水泥材料。
具体实施方式
本发明的麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料，主要由粉体材料、麦秸秆纤维和液态钠水玻璃激发剂构成，所述粉体材料为矸粉、矿粉、熟石灰；其质量百分比：矸粉为50-70％，矿粉为30-50％，熟石灰为2-10％；所述麦秸秆纤维占粉体材料的1-5％；所述细骨料为ISO标准砂，占粉体材料的250-300％；所述地聚合物材料的激发剂为液态钠水玻璃，占粉体材料的2-5％。
实施上述麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料的制备方法：首先进行煤矸石的破碎与煅烧、然后进行材料的称量、配料与混合，最后进行麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料的制备，具体步骤如下；
(1)将煤矸石进行破碎、粉磨后制成煤矸石粉，然后将煤矸石粉置于高温炉中在700℃-900℃恒温煅烧0.5小时，制得矸粉；所述的矸粉为采煤和洗煤过程中排放的固体废物，经烘干、破碎、粉磨与煅烧而成，粉磨使其达到比表面积≥350m2/kg，粒径小于30μm的煤矸石颗粒占总质量的90％以上。
(2)将矸粉、麦秸秆纤维、矿粉与熟石灰进行称量配料，然后放入混料机中混合均匀得到混合料；所述的麦秸秆纤维是由麦秸秆原料经过充分破碎、剥离后形成的细丝状纤维，细丝状纤维的直径d≤3mm，长度L≤20mm；所述熟石灰是生石灰粉经充分消解、烘干后的熟石灰粉，0.08mm的方孔筛筛余量为0；
(3)先用自来水将NaOH溶解并置于搅拌锅中，然后缓慢加入混合料，先慢搅10秒再快搅20秒，然后加入液态钠水玻璃激发剂并快搅30秒；所述液态钠水玻璃激发剂为模数在2.5-3.0之间、波美度在37°-41°之间的激发剂。所述的NaOH为片碱，工业级，纯度95％。
(4)加入标准砂快搅30秒，制得麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料。
所述矿粉为符合GB/T 18046-2008标准规定的S95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理并粉磨使其达到比表面积≥400m2/kg制得，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90％以上。
实施例1：
麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料的制备方法，煤矸石地聚合物材料组成及其质量百分比如下：矸粉56.7％；矿粉40％；熟石灰2.2％；麦秸秆纤维1％(占粉体材料)；钠水玻璃激发剂26.7％(以质量计，占粉体材料)；NaOH 5.3％(占粉体材料)；水26.7％(占粉体材料)。
表3试验配合比 g
首先进行煤矸石的破碎与煅烧、然后进行材料的称量、配料与混合，最后进行麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料的制备；
(1)将煤矸石进行破碎、粉磨后制成煤矸石粉，然后将煤矸石粉置于高温炉中在700℃-900℃恒温煅烧0.5小时，制得矸粉；
(2)称量配料及混合：按上述配方要求将矸粉、麦秸秆纤维、矿粉与熟石灰进行称量配料，然后放入混料机中混合均匀得到混合料。
(3)制备：按表3用水量先用自来水将NaOH溶解并置于搅拌锅中，缓慢加入混合料，先慢搅10秒再快搅20秒。然后加入液态水玻璃并快搅30秒，最后加入标准砂快搅30秒，即可制得该麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料。
(4)养护和强度检测：
试件浇筑成型后先用塑料薄膜覆盖，24小时后拆模，并立即用塑料薄膜将试件密封，置于湿度95％，温度20±2℃的环境中养护至设计龄期。按照GB/T 17671-1999测得其抗压强度、抗折强度如表1所示。
实施例2：制备方法与实施例1相同，略。不同之处在于：所述的煤矸石地聚合物材料组成及其质量百分比如下：矸粉66.8％；矿粉30％；熟石灰2.2％；麦秸秆纤维1％(占粉体材料)；钠水玻璃激发剂26.7％(以质量计，占粉体材料)；NaOH 5.3％(占粉体材料)；水26.7％(占粉体材料)。
表4试验配合比 g
实施例3：制备方法与实施例1相同，略。不同之处在于：所述的煤矸石地聚合物材料组成及其质量百分比如下：矸粉50％；矿粉38％；熟石灰10％；麦秸秆纤维2％(占粉体材料)；钠水玻璃激发剂26.7％(以质量计，占粉体材料)；NaOH 5.3％(占粉体材料)；水26.7％(占粉体材料)。
表5试验配合比 g
Claims (8)
1.一种麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料，其特征在于：地聚合物材料包括粉体材料、麦秸秆纤维和液态钠水玻璃激发剂，所述粉体材料为矸粉、矿粉、熟石灰；其质量百分比：矸粉为50-70％，矿粉为30-50％，熟石灰为2-10％；所述麦秸秆纤维占粉体材料的1-5％；所述细骨料为ISO标准砂，占粉体材料的250-300％；所述地聚合物材料的激发剂为液态钠水玻璃，占粉体材料的2-5％。
2.使用权利要求1所述麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料的制备方法，其特征在于：首先进行煤矸石的破碎与煅烧、然后进行材料的称量、配料与混合，最后进行麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料的制备，具体步骤如下；
（1）将煤矸石进行破碎、粉磨后制成煤矸石粉，然后将煤矸石粉置于高温炉中在700℃-900℃恒温煅烧0.5小时，制得矸粉；
（2）将矸粉、麦秸秆纤维、矿粉与熟石灰进行称量配料，然后放入混料机中混合均匀得到混合料；
（3）先用自来水将NaOH溶解并置于搅拌锅中，然后缓慢加入混合料，先慢搅10秒再快搅20秒，然后加入液态钠水玻璃激发剂并快搅30秒；
（4）加入标准砂快搅30秒，制得麦秸秆纤维增强煤矸石地聚合物材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述矿粉为符合GB/T 18046-2008标准规定的S95级粒化高炉矿渣微粉，为高炉粒化矿渣经磁选除铁处理并粉磨使其达到比表面积≥400 m2/kg制得，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90%以上。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述麦秸秆纤维是由麦秸秆原料经过充分破碎、剥离后形成的细丝状纤维，细丝状纤维的直径d≤3mm，长度L≤20mm。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述熟石灰是生石灰粉经充分消解、烘干后的熟石灰粉，0.08mm的方孔筛筛余量为0。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述液态钠水玻璃激发剂为模数在2.5-3.0之间、波美度在37°-41°之间的激发剂。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的NaOH为片碱，工业级，纯度95%。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的矸粉为采煤和洗煤过程中排放的固体废物，经烘干、破碎、粉磨与煅烧而成，粉磨使其达到比表面积≥350m2/kg，粒径小于30μm的煤矸石颗粒占总质量的90%以上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 221116 Research Institute of China University of Mining and Technology,, Jiangsu Applicant after: China University of Mining & Technology Applicant after: Jiangsu Institute of Architectural Technology Address before: 221116 Research Institute, China University of Mining and Technology, Xuzhou University, Jiangsu, China, Applicant before: China University of Mining & Technology Applicant before: Jiangsu Institute of Architectural Technology |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171222 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |